HRB400热轧带肋钢筋弯曲加工断裂原因分析
丁礼权;徐志;范植金;王晓东;张帆;徐志东
【摘 要】HRB400 hot rolled ribbed bar is one of the commonly used steels in construction industry.The HRB400 hot rolled ribbed bars of an iron and steel plant fractured when they were bended at the job site,and the bending fracture reasons were analyzed by means of chemical compositions analysis,metallographic examination, fracture SEM analysis,tensile test and bending test.The results show that bending diameter being too small and martensite abnormal microstructure caused by composition segregation,were two main causes for the bending fracture of the HRB400 hot rolled ribbed bars.%HRB400热轧带肋钢筋是建筑行业常用的钢材之一，某钢厂生产的 HRB400热轧带肋钢筋在工地弯曲加工时发生断裂现象。通过化学成分分析、金相检验、断口扫描电镜分析以及拉伸试验、弯曲试验等方法，分析了该钢筋弯曲加工断裂原因。结果表明：弯曲加工过程中弯心直径过小和成分偏析引起的马氏体异常组织，是导致该 HRB400热轧带肋钢筋弯曲加工断裂的主要原因。
【期刊名称】《理化检验-物理分册》 【年(卷),期】2015(000)010 【总页数】4页(P733-735,739)
【关键词】热轧带肋钢筋;断裂;弯心直径;成分偏析;马氏体 【作 者】丁礼权;徐志;范植金;王晓东;张帆;徐志东
【作者单位】武汉钢铁 集团 公司研究院，武汉 430080;武汉钢铁 集团 公司研究院，武汉 430080;武汉钢铁 集团 公司研究院，武汉 430080;武汉钢铁股份有限公司 制造部，武汉 430083;武汉钢铁 集团 公司研究院，武汉 430080;武汉钢铁 集团 公司研究院，武汉 430080 【正文语种】中 文
【中图分类】TG113;TG115.2
HRB400热轧带肋钢筋是建筑行业常用的钢材之一，也是建设部重点推广应用的新型钢筋，因其强度高、塑性好、可焊性好而被广泛应用于高楼大厦、桥梁、地铁、高速公路等[1-3]。某钢厂生产的HRB400热轧带肋钢筋用户普遍反映良好，但某施工工地在使用该钢厂生产的φ22 mm HRB400钢筋时，发生弯曲加工断裂现象。为查明该批热轧带肋钢筋弯曲断裂原因，笔者对其进行了检验和分析。 1.1 宏观分析
整个断裂试样全貌见图1(a)，断口宏观形貌见图l(b)。可见断口凹凸不平，其中约1/3断面呈暗灰色纤维状，剩余2/3断面呈平面状，可见金属光泽。 1.2 断口扫描电镜分析
钢筋断口经酒精超声波清洗后，用Quanta 400扫描电镜观察。断口低倍形貌见图2(a)，断裂起源于断面下部边缘。断裂源微观形貌为韧窝，见图2(b)。断裂源以外的其他部位微观形貌为典型的河流花样，呈解理断裂特征[4]，见图2(c)，(d)。整个断口上未发现比较明显的夹杂物。 1.3 化学成分及气体含量分析
在脆断试样上取化学成分分析试样，结果见表1。对断裂钢筋进行气体含量分析， 结果全氧含量为0.001 5%， 氮含量为0.005 3%，且断裂试样的平均气体含量(O，N)与正常试样的无明显差异。可见该HRB400钢筋的化学成分符合GB 1499.2-
2007《钢筋混凝土用钢 带肋钢筋》技术要求，其中有害元素硫、磷含量均没有超标;且气体成分氧、氮控制良好，钢质纯净，在正常加工使用状态下不会造成材料的脆性增加或开裂[5]。 1.4 金相检验
在钢筋断裂处垂直轧制方向切取金相试样，经树脂镶嵌后磨制成抛光面，用3%(体积分数)酒精溶液化学侵蚀，置于OLYMPUSPME3-323/μn型光学显微镜下观察试样显微组织。钢筋边部显微组织为铁素体+珠光体，见图3(a)；中心部位显微组织为铁素体+珠光体+马氏体，见图3(b)。 1.5 能谱分析
在断裂试样金相分析的基础上，对其中两个试样的横截面进行了扫描电镜能谱微区成分分析，微区分析部位由钢筋表面向心部分别定为A～F。其中锰元素含量能谱分析结果见表2，可见由钢筋表面到心部,锰元素含量分布是极其不均匀的，基本上是由表面到心部逐渐增加。 1.6 拉伸试验
在断裂钢筋剩余部分(远离断口处)截取标准拉伸试样，在万能试验机上进行拉伸试验，结果见表3。可以看出该钢筋的各项拉伸性能指标均符合要求，但强度较高。拉伸试验过程中拉伸曲线没有明显屈服平台，延性一般。对比正常试样(ReL=450 MPa，Rm=610 MPa，A=24%)，断裂钢筋的屈服强度提高了115～145 MPa，抗拉强度提高了180～185 MPa，断后伸长率则降低了6%。 1.7 弯曲试验
在断裂钢筋剩余部分(远离断口处)截取标准弯曲试样，按GB 1499.2-2007规定在弯曲试验机上进行弯曲试验，弯心直径为4d(d为钢筋直径)，即4×22=88 mm，弯曲角度180°，结果见表4。钢筋受弯曲部位表面完好，未产生任何裂纹，见图4。弯曲试验结果表明，该钢筋弯曲性能完全合格。
2.1 弯心直径对弯曲加工的影响
弯曲同一支钢筋，为何工地上会产生断裂现象,而试验室里会完好无损？
经调查，工地弯曲加工钢筋时采用的是弯心直径为50 mm的压头，且采取简易弯曲机进行弯曲，钢筋一端固定，围绕直径为50 mm的圆棒(弯心)，另一端机械受力弯曲。
施工中规定，钢筋末端需作90°或135°弯折时，HRB400钢筋弯曲直径不宜小于5d。对于规格φ22 mm的HRB400钢筋，施工规定弯曲直径至少为钢筋公称直径的5倍，即22×5=110 mm，但实际工地所用弯心加工直径仅为50 mm，远小于规定要求[6]。由于弯心直径较小，导致钢筋弯曲变形区外层材料的拉应力过大，已经超出钢筋的抗拉强度而产生了裂纹，因此弯曲直径过小是造成该批钢筋弯曲断裂的主要原因[7]。 2.2 化学成分对性能的影响
锰元素在钢中有固溶强化作用，由于锰元素降低了共析点的碳含量。因此在相同的碳含量下，锰含量的升高会增加钢中碳化物的数量，使钢的强度增高、塑性降低。断裂试样心部锰元素含量高达1.59%，基本达到了GB 1499.2-2007技术要求的上限值1.60%。
2.3 化学成分对显微组织的影响
按照常理，钢筋在生产时其表面冷却速率高于心部冷却速率，即便形成马氏体，应该首先出现在钢筋表面而不是心部。
锰是稳定奥氏体的元素，使奥氏体能够保持到较低的温度，奥氏体的低温转变产物就是马氏体。此即为马氏体会违反常理不在钢筋表层、反而在钢筋心部出现的必要条件。断裂钢筋心部的锰元素含量偏高，其实质就是成分偏析。连铸过程中冷却速率小、冷却条件差异大等原因将引起枝晶偏析严重，在随后的轧制过程中改变C曲线的位置，使C曲线右移，从而造成在钢筋心部出现马氏体异常组织[8]。
HRB400热轧带肋钢筋弯曲断裂起源处断口呈韧性断裂特征；钢筋加工弯心直径过小是造成其弯曲断裂的主要原因；另钢筋中心部位存在马氏体异常组织，导致其强度增高、塑性降低，这是造成该批钢筋弯曲断裂的另一个原因。
为了有效降低HRB400热轧带肋钢筋弯曲加工断裂现象，建议在弯曲施工作业过程中，必须严格按照施工规范要求，选择合适的弯心直径进行钢筋
弯折作业，避免钢筋弯曲部位受到过大的应力集中。同时，降低钢液过热度，降低连铸拉速，适当调整二冷水参数，并采用多段电磁搅拌，减少锰元素偏析和心部马氏体组织的出现。经过以上改进措施的实施，大大降低了HRB400热轧带肋钢筋弯曲加工断裂现象。
【相关文献】
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