HRB400細晶粒熱軋帶肋鋼筋的時效性能分析

鄭 寧

HRB400細晶粒熱軋帶肋鋼筋的時效性能分析

鄭 寧

通過對昆鋼試驗生產的HRB400細晶粒熱軋帶肋鋼筋的自然時效和人工時效性能試驗分析，得出昆鋼生產的HRB400細晶粒鋼筋時效后力學性能呈一定的規律性變化，主要表現為鋼筋時效后屈服強度有一定下降，抗拉強度的變化不明顯，伸長率平均升高了3個百分點，時效不影響鋼筋的使用，并且自然時效后，鋼筋的綜合性能得到了提高。

HRB400細晶粒鋼筋 力學性能 自然時效 人工時效 綜合性能

1.前言

一般來說，時效就是鋼（或合金）經高溫奧氏溫度后快冷，其固溶體中的溶質元素（合金元素）處于過飽和狀態，如果在室溫或某一定高溫下溶質原子仍具有一定的擴散能力，那么隨時間的延續，過飽和固溶體中的溶質元素將發生脫溶（或析出），從而使鋼（或合金）的性能發生變化的現象。如果時效過程是在室溫下經較長時間而產生，就稱為自然時效。如果時效過程是人為加熱到一定溫度加速時效的過程，叫人工時效。

現在國內大多數軋鋼廠生產的HRB400細晶粒熱軋帶肋鋼筋一般采用熱軋空冷的方法生產，主要工藝是在冶煉過程中加釩氮合金或鈮鐵。其中釩（或鈮）的含量平均在0.045%左右，這種方式生產的優點是生產的鋼筋性能穩定，軋制過程中不需要特殊的控軋控冷。但是，隨著釩氮（或鈮鐵）合金價格的迅速提高，加之合金的使用量過多，對企業來說生產成本會有大的提高，并且，從國家資源戰略可持續發展的角度來分析，這種生產方式也是不經濟的。為生產符合標準要求，又不需增加過多生產成本的細晶粒帶肋鋼筋，各帶肋鋼筋生產企業都在尋找更科學、又比較經濟的生產方式。

從2004年開始，昆鋼在綜合考慮社會各種因素及自身條件的基礎上，通過技術攻關，研究開發出了有自我特色的HRB400細晶粒鋼筋的生產工藝。根據生產工藝裝備情況，確定了適宜的化學成分、合理的加熱制度和壓下制度，摸索出生產HRB400細晶粒熱軋帶肋鋼筋的有三個余熱處理階段的冷卻工藝：一是淬火熱處理階段，在這階段鋼筋表面獲得一定厚度的馬氏體淬硬層，但芯部仍保持在單一的奧氏體區；二是自回火熱處理階段，在這階段鋼筋通過熱傳導，熱量從芯部傳到已淬火的表面， 淬火熱處理形成的馬氏體得到自回火，使其在保持高強度的同時，又有足夠的韌性；三是自然冷卻階段，在這階段鋼筋在冷床上自然冷卻，芯部未轉變的奧氏體發生中低溫轉變。最終組織類型取決于鋼的成分、終軋溫度和淬火熱處理的冷卻效果與冷卻時間。鋼筋橫斷面上組織分為三層：表面層組織為回火S、過渡層組織為S+P及芯部組織為P+F+B(少量)。鋼筋的力學性能取決于三層的組織構成及三層所占的比例。

用這種方式生產HRB400細晶粒鋼筋的優點是在大幅度降低合金的基礎上，利用余熱處理的方式充分發揮材料的潛能，并保證不影響材料的綜合性能。昆鋼按此工藝生產的HRB400細晶粒鋼筋合金（V、Nb）的含量可以降低為一般熱軋HRB400鋼筋含量的1/4左右。根據大量的試驗，試驗生產的HRB400細晶粒鋼筋的綜合性能卻仍然有很大的富裕。主要原因是試驗生產的HRB400細晶粒鋼筋與一般熱軋HRB400鋼筋在冷卻方式上不同。

為了保證細晶粒鋼筋的使用性能，使用戶放心使用昆鋼生產的HRB400細晶粒鋼筋，通過大量試驗，昆鋼對所試驗生產的HRB400細晶粒鋼筋的時效性能進行了系統的研究分析，結論是：時效不影響鋼筋的使用，時效對鋼筋的綜合性能是有利的。

2.試驗方案

在棒材生產線，在試驗HRB400細晶粒鋼筋時，每種規格分10次隨機抽取50個爐批試樣，每次抽取5個爐批，每個爐批按頭、中、尾均勻抽取4支5m-6m的非定尺試樣，每次共計抽取20支試樣，每支試樣上取10個拉力樣，其中1個基準拉力樣、一個人工時效樣和8個自然時效樣。基準拉力樣當日檢驗，人工時效樣在2天內熱處理（人工時效）并檢驗，自然時效樣按時效周期進行時效試驗，時效周期分別為：7天、14天、21天、30天、60天、90天、180天、360天，自然時效樣在規定的時效周期滿后當日檢驗。

3. 試驗結果及分析

3.1 HRB400細晶粒鋼筋自然時效情況

通過統計, 細晶粒鋼筋自然時效后，不同規格的變化規律相似。但是規格越大，時效越明顯。以下以Ф25的HRB400細晶粒鋼筋為例進行分析，結果見圖1、圖2、圖3、圖4。

從以上看出，規格越大，細晶粒鋼筋屈服強度下降的值越大，Φ16屈服強度下降的平均值最小，Φ 18、Φ22次之，Φ25最大。自然時效后，細晶粒鋼筋屈服強度普遍有所降低，在時效1周內降低最明顯，平均降低10MPa左右。隨著時間的推移，變化不是很大；抗拉強度在小范圍內波動，總體變化不大；伸長率平緩升高，90天后基本穩定，升高幅度為3個百分點左右。

3.2 HRB400細晶粒鋼筋人工時效的情況

通過人工時效試驗后，不同規格的變化規律與自然時效相似。在試驗過程中，規格為Φ22的變化比較明顯。以下以Ф22的HRB400細晶粒鋼筋為例進行分析，結果見圖5、圖6、圖7。

從以上可以看出，人工時效后，細晶粒鋼筋屈服強度普遍下降，平均下降16 MPa左右，抗拉強度有所上升，平均上升大約5 MPa，伸長率平均提高2.4個百分點。

3.3.試驗結果分析

從圖1可以看出，細晶粒鋼筋屈服強度自然時效后下降，說明應力為壓應力。產生原因主要是鋼筋在淬火過程中產生的淬火應力。淬火產生的淬火應力大部分在隨后的回火過程中得到釋放，未得到釋放的部分滯留在材料內，這部分應力使晶格發生畸變，改變了金屬原子間的距離。在自然時效過程中，由于試樣環境溫度的變化引起的鋼筋體積的膨脹或收縮，使部分應力松弛，因此，自然時效后屈服強度下降。并且，不同的規格，屈服強度的下降的程度是不一樣的。鋼筋在冷卻時，不同規格的冷卻強度是不同，規格越大，冷卻強度越大，穿水層面積就越大，產生的淬火應力也就越大，發生畸變的金屬原子也就越多，恢復到平衡位置金屬原子所釋放的應力就大。因此，屈服下降就更明顯。

細晶粒鋼筋的抗拉強度主要取決于材料的成分、組織和晶粒度，而成分、組織和晶粒度在時效過程中隨時間一般不變，因此，細晶粒鋼筋的抗拉強度時效變化不明顯。隨著內應力的降低，材料塑性有所提高，表現為伸長率升高了3個百分點左右。

從（圖4、圖5、圖6）可以得出，人工時效后，力學性能發生了較大的變化，分析其原因，本文認為主要有以下幾點：（1）人工時效與自然時效不同。因為人工時效是在一定溫度下進行，所以人工時效能為發生畸變的金屬原子提供一定的驅動力，結果是使能恢復到平衡位置金屬原子增多，所釋放的應力就更大。理論上，自然時效只能消除10%左右的殘余應力，人工時效消除殘余應力比自然時效效率高得多，它能消除50%～80%的內應力，這就是屈服強度下降比較明顯的原因；（2）從HRB400細晶粒鋼筋的軋制工藝可以得知，由于冷卻速度很快，必然會出現過飽和的晶粒組織，在隨后析出的充分與否，取決于隨后的回火溫度和在一定溫度范圍內的保溫時間。因此，本文試驗過程中出現的抗拉強度升高，可能是析出強化的作用。但是由于溫度較低（人工時效溫度為300℃），原子擴散困難，因此析出強化效果不大，與淬火應力對屈服強度的影響相比，這點析出強化作用是很小的，所以屈服強度普遍降低。

4.時效對細晶粒鋼筋綜合性能的影響

從試驗中已經得出，由于靜態回復機制的作用，使得鋼筋在時效前和時效后的力學性能指標呈規律性變化。具體表現為：屈服強度下降，抗拉強度變化不明顯，伸長率上升。從試驗的結果來看，鋼筋屈服強度的變化范圍為-5 MPa至-25 MPa之間，平均降幅為16 MPa左右；抗拉強度變化范圍在-5 MPa到-10 MPa之間，平均變化為5 MPa；伸長率平均提高幅度在1.5%-4.5%之間，平均提高3%。

昆鋼試驗生產的HRB400細晶粒鋼筋無論是屈服強度還是抗拉強度，性能的富裕量平均比GB 1499—1998標準要求高40 MPa-50 MPa以上，昆鋼對熱軋帶肋鋼筋的性能控制要求也遠大于時效產生的最大影響，因此，時效對昆鋼生產的HRB400細晶粒鋼筋的使用沒有影響，相反，通過統計，昆鋼試驗生產的HRB400細晶粒鋼筋時效后，除了上文提到的塑性指標得到提高以外，諸如抗震指標也得到明顯的提高。見圖8。

5.結論

（1）自然時效對HRB400細晶粒鋼筋的力學性能有一定的影響，表現為自然時效后屈服強度有所降低，抗拉強度變化不大，伸長率升高了3個百分點。為保證時效造成的力學性能波動，HRB400細晶粒鋼筋在判定時要考慮自然時效的影響。

（2）淬火應力是引起HRB400細晶粒鋼筋自然時效后屈服強度降低的主要原因。冷卻強度越大，產生的淬火應力也就越大，屈服下降越明顯。

（3）通過對HRB400細晶粒鋼筋進行人工時效試驗得出：淬火應力是導致HRB400細晶粒鋼筋時效后屈服下降的主要原因。人工時效后抗拉強度小幅升高，主要是析出強化的結果。

（4）時效不影響鋼筋的使用，并且時效后，HRB400細晶粒鋼筋的塑性指標，抗震合格率都得到了明顯的提高，時效對細晶粒鋼筋的綜合性能是有利的。

昆鋼科技創新部）