摘 要:采用力學性能測試、宏觀觀察、掃描電鏡及能譜分析等方法研究了自然時效對PSB830 高強度精軋螺紋鋼筋力學性能的影響。結果表明:自然時效后,鋼筋的屈服強度先下降后提高到初 始結果附近,抗拉強度先升高后趨于穩定,斷后伸長率有大幅度的提高;自然時效前,斷后伸長率較 低的原因是氫在夾雜物附近聚集;時效過程中,在內應力釋放、析出相以及氫緩慢釋放的綜合作用 下,氫的聚集程度降低,使得鋼筋的斷后伸長率有較大幅度的提升。
關鍵詞:高強度精軋螺紋鋼筋;自然時效;斷后伸長率;內應力;析出相
中圖分類號:TB31 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2023)05-0001-04
PSB830、PSB930系列高強度精軋螺紋鋼筋是 常用的預應力混凝土用螺紋鋼筋,具有強度高、精度 好等特點,被廣泛用于高速公路、高速鐵路的大型橋 梁工程中。對經過控軋、控冷后的精軋螺紋鋼筋進 行拉伸試驗,結果顯示大多數鋼筋的斷后伸長率不 大于3%。一般需要經過45~60d的自然時效或 200℃,1~2h的人工時效后,鋼筋的斷后伸長率才 能合格。許多專家學者對時效后鋼筋斷后伸長率的 變化情況進行了研究,曹重等[1]發現在自然時效后, HRB400E鋼筋試樣的斷后伸長率提高,主要原因 是去氫作用;劉宏玉等[2]發現自然時效對英標余熱 處理鋼筋的斷后伸長率影響不大;李雪峰[3]發現21 d自然時效后,PSB830鋼筋斷后伸長率不合格的主 要原因是回火不充分。預應力鋼筋與普通螺紋鋼、 英標鋼筋的化學成分和性能均有較大差異,筆者采 用力學性能測試、宏觀觀察、掃描電鏡(SEM)及能 譜分析等方法,研究了自然時效對 PSB830鋼筋力 學性能的影響。
1 試驗材料
選擇日常生產的直徑為32mm 的 PSB830精 軋螺紋鋼筋,其化學成分分析結果如表1所示。鋼 筋的軋制過程選用180mm×180mm(長度×寬 度)的熱送連鑄小方坯,采用超快冷方式冷卻,使鋼 筋表層組織為馬氏體,心部組織為鐵素體+珠光體; 在進一步的冷卻過程中,內部的溫度較高,表層組織 由馬氏體轉變為回火索氏體,心部組織為呈網狀分 布的塊狀鐵素體+珠光體(見圖1)。
2 試驗方法及結果
2.1 力學性能測試
圖2為5組典型試樣力學性能隨時效天數的變 化情況,每組2個試樣,試驗結果取平均值。從圖2 可以看出:試樣的屈服強度隨著時效時間的延長呈 先降低后升高的趨勢,最終回復到初始值附近,時效 天數為60d時,平均值增加了2.7%;試樣的抗拉強 度前期上升明顯,后期基本穩定,時效天數為60d 時,平均值增加了12%;斷后伸長率和抗拉強度的 變化規律基本一致,均有大幅度的提升,斷后伸長率 在后期的增長幅度更大,時效天數為60d時,平均 值從3.0%提高到了9.6%,增幅達2倍以上。
2.2 宏觀觀察
對時效前拉伸試樣的斷口進行宏觀觀察,結果 如圖3所示。從圖3可以看出:斷口整體呈脆性斷 裂特征,剪切唇很少,斷口上有明顯的放射條紋,條紋收斂處為斷裂源,斷裂源位于斷口的邊緣或內部, 部分斷口表現為黑心白點宏觀形貌。
2.3 SEM 及能譜分析
2.3.1 時效前
對時效前拉伸試樣斷口1~4進行SEM 分析, 結果如圖4所示。由圖4可知:斷口1呈邊緣起裂 特征,試樣邊緣有呈橢圓形的平整斷裂平臺,中心為 夾雜物脫落的孔洞,孔洞的底部有裂紋,該區域以外 為放射條紋;夾雜物周圍的斷口呈準解理+少量解 理特征,且伴隨有二次裂紋,放射區域呈解理特征; 斷口2的裂紋源同樣位于斷口的邊緣,但沒有明顯 的斷裂平臺,夾雜物周圍呈沿晶斷裂特征;斷口3中 心有黑心白點,斷裂源為夾雜物,其周圍基體呈準解 理斷裂特征,含有二次裂紋;斷口4的中心有一個超 大尺寸夾雜物,夾雜物周圍呈準解理斷裂特征。采 用能譜儀對斷口4中心的夾雜物進行分析,發現其 主要含有Ca、Al、Si、Mg、O等元素。
2.3.2 時效后
經過60d自然時效后,試樣的斷后伸長率達到 標準要求,典型斷口的SEM 形貌如圖5所示。由 圖 5 可 知:斷 裂 源 位 于 試 樣 的 邊 緣,深 度 約 為 0.96mm,裂紋源處呈與放射條紋垂直的海灘狀花 紋,斷口呈韌性斷裂特征;斷口未觀察到夾雜物。
3 綜合分析
由SEM 分析結果可知:時效前PSB830鋼筋斷 裂源處含有夾雜物,其周圍為準解理形貌或沿晶斷 裂形貌,符合“魚眼”特征[4-5]。說明鋼中含有一定量 的氫,在受到拉應力時,夾雜物周圍產生了氫脆,鋼 中的氫含量和所受應力大小不同等因素導致斷口形 貌產生差異[6]。軋制后,在冷卻過程中,材料內部的 氫重新分布,部分氫向內部未轉變的高溫區遷移。 隨著溫度的下降,氫的溶解度及擴散系數大幅度降低,內部過飽和的氫向夾雜物、晶界面、顯微空隙等 缺陷處富集[7],導致局部區域的氫含量較高。
室溫下,PSB830鋼筋的外層組織為回火索氏 體,內層組織為碎塊狀鐵素體+珠光體。鋼筋內層 和外層的組織不同,以及軋制應力的殘余造成試樣 中存在較大的殘余應力,加劇了氫向夾雜物等缺陷 處的聚集程度。隨著塑性變形增加,在拉應力和殘 余應力的疊加作用下,位錯攜帶的氫被內部夾雜物 周圍的應力場捕獲,導致其周圍基體原子間的鍵合 力降低,呈現出氫脆準解理特征或沿晶斷裂特征。 缺陷處的裂紋會造成鋼筋在未達到最大拉力前發生 斷裂,使其抗拉強度降低。
經過60d自然時效后,裂紋源區未觀察到夾雜 物,斷裂源主要出現在回火索氏體所在的區域。在 時效過程中,應力狀態和析出相均會影響氫的擴散 和溶解,且可擴散的氫比捕獲的氫對材料力學性能 的影響更大。在時效前,鋼中的氫主要以可擴散的 方式存在,在內應力的疊加作用下,氫可以快速擴 散、聚集到缺陷區域。在時效過程中,內應力逐漸釋 放,畸變程度降低,使得屈服強度降低;氫的聚集程 度降低,使得斷后伸長率明顯升高。鋼中含有一定 量的 V 元素,在時效過程中,V 元素以 VN 或 V (CN)顆粒形式緩慢析出,減少了 C、N 等元素在晶 界和位錯處的偏聚[8-9],且析出相為氫的強陷阱,其 與氫的結合能較大,屬于不可逆氫陷阱。析出相對 氫的捕獲,以及析出相數量的增加,降低了氫的擴散 速率,減輕了氫的聚集程度,進而降低了鋼筋的氫脆 敏感性,使夾雜物等缺陷附近的氫含量低于形成裂 紋的臨界氫濃度[10]。
綜上所述,在時效時間較短的情況下,內應力釋 放導致的氫聚集程度降低占主導地位。內應力的釋 放使應力誘導作用減弱,氫聚集程度降低,從而導致 斷后伸長率升高。內應力的釋放還導致畸變程度降 低,從而使鋼筋的屈服強度降低。隨著時效時間的 延長,析出相的陷阱作用占主導地位。在受到拉應 力時,析出相的氫陷阱作用降低了氫的聚集程度,從 而導致斷后伸長率大幅度升高。析出相對位錯產生 釘扎作用,增加了抗塑性變形能力,導致屈服強度略有提高。
4 結論及建議
(1)在自然時效過程中,精軋螺紋鋼筋的屈服 強度先下降后提高到初始值附近,抗拉強度先升高 后趨于穩定,斷后伸長率大幅度提高,平均增幅達 200%以上。
(2)精軋螺紋鋼斷后伸長率偏低主要是因為氫 元素在夾雜物附近聚集。在時效過程中,鋼筋的力 學性能影響因素有內應力、析出相以及氫的擴散等。 斷后伸長率的升高主要與內應力的釋放、析出相的 氫陷阱作用有關,兩者均會導致氫的聚集程度降低。 建議在軋制前增加一道連鑄坯緩冷環節,以加快鋼 中氫的擴散,縮短后續的時效時間。
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