冯文博
(陕钢集团汉中钢铁有限责任公司,汉中 ７２４２００)
摘 要:某公司生产的 HRB５００E高强度抗震钢筋在冷弯试验中发生脆断现象.利用直读光谱仪、光学显微镜、扫描电镜、能谱仪等分别对脆断钢筋的化学成分、显微组织、断口形貌及夹杂物成分等进行了检验和分析.结果表明:钢液氧化所产生的大量超长、超宽硅酸盐类夹杂物是导致该HRB５００E高强度抗震钢筋冷弯脆断的主要原因.
关键词:高强度抗震钢筋;冷弯脆断;硅酸盐类夹杂物;失效分析
中图分类号:TU５１１．３２;TG１４２．１ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０８Ｇ０６１８Ｇ０３
高强度抗震钢筋的良好塑韧性、高强屈比、高屈服强度可以最大限度地吸收地震能量,提高建筑物的安全性[１].目前,虽然国内各大钢铁企业生产出了５００MPa级高强度抗震钢筋,但对微合金化控轧控冷工艺的研究还不够深入,时常出现质量缺陷.
为了达到５００ MPa的强度要求,国内大多数企业添加的钒、氮合金量偏高,不仅增加了生产成本,而且由于一味追求高强度,导致钢筋带状组织严重、脆断缺陷增多,进而强屈比和断后伸长率降低.某公司近期生产的 HRB５００E高强度抗震钢筋中,出现个别规格为?２８mm 的抗震钢筋在冷弯试验过程中发生横向断裂的现象.笔者主要利用直读光谱 仪、光 学 显 微 镜、扫 描 电 镜 (SEM)、能 谱 仪(EDS)等分别对冷弯脆断钢筋的化学成分、显微组织、断口形貌以及夹杂物成分等进行了检验和分析,以查明其冷弯脆断的主要原因.
１ 理化检验
１．１ 断口宏观分析
取２个?２８mm 的 HRB５００E钢筋试样在 GWＧ５０B型钢筋弯曲试验机上进行冷弯试验,其中一个试样出现冷弯脆断现象,断口形貌如图１所示.可以看出:开裂源位于钢筋表面一侧横肋的根部,开裂源部位断口平齐;裂纹扩展区呈放射状,逆向指向裂纹源,为典型的脆性断口;另一侧为瞬断剪切唇,表面呈纤维状,为断裂过程的最后阶段[２].
１．２ 化学成分分析
对该炉次熔炼样及冷弯脆断钢筋取样(脆断试样化学成分分析取样位置远离断口)[３],使用 ARL３４６０直读光谱仪进行化学成分分析,结果见表１,可见各元素含量均符合相关技术要求.
１．３ 金相分析
在冷弯脆断钢筋断口处截取横截面试样,磨制、抛光后使用 GX７１光学显微镜进行金相观察.抛光态观察发现,对应开裂源部位的基体上存在大量块状硅酸盐类夹杂物,横截面夹杂物的长度方向显示的是夹杂物的宽度[４],如图２所示.
将开裂源横截面夹杂物部位做好标记后,再磨制开裂源纵向截面到夹杂物部位,测量夹杂物长度,发现该部位存在大量超长、超宽硅酸盐类夹杂物:夹杂物的最大宽度为５３μm,如图２所示;夹杂物的总长度为１．１mm,如图３所示.将磨制好的横截面试样用４％(体积分数)硝酸酒精溶液侵蚀后再在光学显微镜下观察.如图４所示,试样 基 体 显 微 组 织 为 均 匀 的 铁 素 体 ＋ 珠 光体[５Ｇ６],晶粒度级别为９．５级,无异常组织缺陷.
１．４ 断口微观分析
利用ZEISSSIGMA HD扫描电镜(SEM)对冷弯脆断钢筋断口进行观察发现,整个断口基本为脆性断口,如图５所示.其中,开裂源位置断口上分布着较多的块状小亮点,如图６所示;使用 XＧMax５０能谱仪(EDS)分析可确认这些块状物为硅酸盐类夹杂物,如图７所示.
２ 综合分析
由上述理化检验结果可知:该冷弯脆断钢筋的化学成分及对应炉次钢液的化学成分均符合相关技术要求;显微组织为均匀的铁素体＋珠光体,无异常组织特征,晶粒度级别为９．５级,均符合相关标准对HRB５００E高强度抗震钢筋的技术要求[７].经调研,该公司生产的该炉次使用开浇炉,钢液
浇铸温度过高,造成了钢液与空气严重的二次氧化,形成了大量的外来硅酸盐类夹杂物[８],夹杂物未及时上浮,混入结晶器内,导致钢坯钢材中出现大量的硅酸盐类夹杂物.
钢筋脆断断口中出现了超长、超宽型硅酸盐类夹杂物,且硅酸盐类夹杂物为脆性夹杂物,与基体金属的韧性、塑性有较大的差别.试样在冷弯变形时,夹杂物不能产生相应的变形[９],钢的变形在夹杂物与基体界面处发生应力集中,使该处产生微裂纹,随着载荷的增加夹杂物处所产生的微裂纹将不断扩展,达到一定临界状态时便会发生开裂[１０].
３ 结论及建议
(１)HRB５００E高强度抗震钢筋冷弯脆断的主要原因为材料中存在大量硅酸盐类夹杂物,其次为应力集中,在受到弯曲应力时,两者会共同作用在最薄弱部位使钢筋发生横向脆性断裂.
(２)钢液浇铸温度过高,造成了钢液与空气的严重二次氧化,是导致形成大量硅酸盐类夹杂物的主要原因.
(３)建议优化冶炼工艺制度,提高钢液洁净度,降低夹杂物含量,改善夹杂物的分布形态,避免类似质量事故的再发生.