隨著我國國民經濟的發展和人民生活水平的提高,高抗震等級要求的工業與民用建筑、重大市政建設工程和重點基礎設施工程等都對高強度建筑用鋼(包括盤條和螺紋鋼)的性能提出了更高的要求。筆者單位生產的產品為熱軋帶肋鋼筋,經硝酸乙醇溶液腐蝕后,有的鋼筋邊部顏色明顯與心部不同,帶有封閉圈的宏觀組織影響了鋼筋的質量。GB/T 1499.2—2018《鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》中規定,鋼筋產品橫截面的宏觀組織外圍不應有明顯不同于內部區域襯度的封閉圈。若該鋼筋產品出現未封閉的圈,應對產品進行維氏硬度測試和金相檢驗,產品的正常組織應該是鐵素體和珠光體,不可出現回火組織,產品的中心與邊部的維氏硬度差應不大于40 HV,否則判定該批次產品不合格。

1. 試驗方法

為了保證鋼筋產品的質量,避免不合格產品流入市場,結合3個不同生產工藝下的鋼筋產品,按GB/T 1499.2—2018標準對試樣進行力學性能、組織、硬度、化學成分的綜合分析,找出不合格鋼筋的邊部異常組織類型,并對異常組織的產生原因進行了分析,以期為軋鋼工藝的調整提供支持。

1.1 力學性能測試

采用3種不同的工藝對試制產品進行軋制,3種軋制工藝參數如表1所示。各取每種工藝產品的4支試樣進行拉伸試驗,分別將試樣編號為1-1,1-2,1-3,1-4,2-1,2-2,2-3,2-4,3-1,3-2,3-3,3-4,對這些試樣進行力學性能測試,結果如表2所示,其中Rm為抗拉強度,ReL為屈服強度。由表2可知：3種工藝產品的試驗結果均滿足GB/T 1499.2—2018的要求和內控要求。

1.2 金相檢驗

1.2.1 試樣制備

使用帶鋸床對牌號為HRB500aE,直徑為40 mm的試樣進行鋸切,再分別使用粒度為240,320,800,1 200目（1目=25.4 mm）的砂紙對試樣進行粗磨、細磨,接著對試樣進行拋光,最后使用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液對試樣進行腐蝕,將制備好的金相試樣置于光學顯微鏡下觀察。

1.2.2 試樣宏觀形貌

3種工藝生產試樣的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：第1種工藝下試樣1-1和1-3形成了明顯的不同于內部區域襯度的封閉圈,1-2和1-4試樣的圈未封閉；第2種工藝下的4個試樣均出現未封閉的圈,較第1種工藝出現未封閉圈的情況,第2種工藝下的試樣僅在橫肋和縱肋部位出現不同于內部區域襯度的情況；第3種工藝下的4個試樣襯度均勻一致,未出現封閉圈。

圖 13種工藝生產試樣的宏觀形貌

1.2.3 試樣心部顯微組織

3種工藝生產試樣心部顯微組織形貌如圖2所示。由圖2可知：心部組織為鐵素體+珠光體。進一步采用比較法檢測晶粒度,得到第1種和第2種工藝生產試樣的晶粒度為9.5級,第3種工藝試樣的晶粒度為9.0級。

圖 23種工藝生產試樣心部顯微組織形貌

1.2.4 試樣邊部顯微組織

3種工藝生產試樣邊部顯微組織形貌如圖3所示。由圖3可知：第1種工藝生產試樣邊部為回火組織,試樣1-1、1-3、1-4中回火馬氏體較多,試樣1-2中有回火索氏體[1],還有一些珠光體,總體可判斷該試樣邊部為回火組織；第2種工藝生產試樣2-1、2-3邊部組織為鐵素體+珠光體+貝氏體+少量魏氏組織,試樣2-2、2-4邊部組織為回火馬氏體；第3種工藝生產試樣邊部組織為鐵素體+珠光體。

圖 33種工藝生產試樣邊部顯微組織形貌

1.3 維氏硬度測試

按標準GB/T 1499.2—2018規定,當試樣出現未封閉圈時,應對試樣進行橫截面維氏硬度測試。對所有試樣的橫截面中心與邊部進行維氏硬度測試,維氏硬度計的載荷設置為49 N,保荷時間為10 s,對每個部位各進行3個點的測試,最終取3點的平均值,結果如表3所示。由表3可知：第1種工藝生產4個試樣的心部與邊部維氏硬度差較大,均超過了40 HV5,所以應將第1種工藝生產試樣判定為不合格；除第2種工藝試樣2-2以外,其余3個試樣的心部與邊部維氏硬度差超過了40 HV5,為不合格,試樣2-2的硬度合格；第3種工藝生產的4個試樣心部與邊部維氏硬度差均在標準要求范圍內,則視為硬度合格。

1.4 化學成分分析

分別在原材上截取長度約為30 mm的試樣,對試樣進行化學成分分析,結果如表4所示。由表4可知：這3種工藝生產試樣的化學成分均符合標準要求,但C元素含量較內控標準偏高,其余元素均在內控標準范圍內,3種工藝生產試樣的化學成分相差不大。

2. 試驗結果分析

2.1 試樣合格性分析

第1種工藝生產試樣的力學性能、化學成分均合格,其宏觀形貌存在封閉環,不符合標準要求；其心部與邊部的維氏硬度差超出40 HV5,不符合標準要求；其心部組織為鐵素體+珠光體,邊部組織為回火馬氏體,不符合標準要求。綜上所述,第1種工藝生產試樣應判定為不合格,邊部的回火馬氏體為異常組織。

第2種工藝生產試樣的力學性能、化學成分均合格,其宏觀形貌存在未封閉環,不符合標準要求；心部與邊部維氏硬度差超出40 HV5,不符合標準要求；其心部組織為鐵素體+珠光體,試樣2-1、2-3的邊部組織為鐵素體+珠光體+貝氏體+少量魏氏組織,試樣2-2、2-4的邊部組織為回火馬氏體。綜上所述,第2種工藝生產試樣應判定為不合格,其邊部的回火馬氏體、貝氏體及魏氏組織為異常組織。

第3種工藝生產試樣的力學性能、化學成分均合格,宏觀形貌的襯度均勻一致,未出現封閉環；維氏硬度測試結果合格；其心部與邊部組織為鐵素體+珠光體,符合標準要求。因此,第3種工藝生產試樣應判定為合格。

2.2 試樣異常組織產生原因分析

HRB500aE鋼筋邊部封閉圈處主要出現了3種異常組織,為回火馬氏體、貝氏體及魏氏組織,導致鋼筋不合格。

第1種工藝生產試樣的力學性能和化學成分均合格,但宏觀形貌存在封閉環,根據GB/T 1499.2—2018標準規定,出現封閉環就應判定為不合格,隨后的維氏硬度測試和金相檢驗結果也印證了判定結果,邊部的回火馬氏體是導致維氏硬度測試結果不合格的原因,這是由軋制過程中的穿水造成的,鋼筋在穿水后表面溫度冷卻速率較快,但心部溫度高,并向外傳遞熱量,形成自回火的一個過程,在試樣的邊部形成一圈回火組織,回火馬氏體具有較高的硬度和耐磨性,但會使鋼筋的塑性和韌性大幅度下降,屬于熱軋帶肋鋼筋中的有害組織。

第2種工藝生產試樣的力學性能和化學成分均合格,但宏觀形貌存在未封閉環,依據標準要求,出現未封閉環時,應進行維氏硬度測試和金相檢驗。2-2試樣各項檢測結果合格,其余試樣不合格。第2種工藝生產試樣的邊部組織中含有少量貝氏體和魏氏組織,同時也出現了回火馬氏體,這也是由穿水造成的,穿水后組織比較混亂,有可能存在貝氏體、魏氏組織、回火索氏體、回火馬氏體等。鋼筋在上冷床前溫度低,導致奧氏體過冷至珠光體和馬氏體轉變溫度之間的溫度區間時產生貝氏體,魏氏組織的形成是由于鋼坯的加熱溫度高,在加熱爐內放置時間長,導致奧氏體晶粒粗大[2],在冷卻速率較快的條件下形成魏氏組織。貝氏體的存在將會導致鋼筋屈服強度升高,但強屈比下降；魏氏組織中的鐵素體呈現針狀[3],在鋼筋發生形變時,這種針狀的組織與其他組織間產生的相互作用力減小,形成脆弱面,導致鋼筋的韌性下降；回火馬氏體為有害組織,雖然第2種工藝中試樣2-2的維氏硬度測試結果合格,但組織存在回火馬氏體,所以第2種工藝生產試樣不合格。

第3種工藝生產試樣的各項檢測結果均合格,無異常組織,故推薦使用第3種工藝方法生產鋼筋。

3. 結論

（1） 為避免產生不合格鋼筋,可對鋼筋進行力學性能、組織、硬度、化學成分的綜合分析,找出不合格鋼筋的邊部異常組織類型。

（2） HRB500aE鋼筋邊部封閉圈處主要出現3種異常組織,分別為回火馬氏體、貝氏體及魏氏組織。

（3） 因為鋼筋邊部出現不同異常組織,故應調整相應的工藝參數,以生產出質量合格的鋼筋。

文章來源——材料與測試網