HRB400熱軋鋼筋剪切開裂原因分析

張盛華， 李 翔， 彭 磊

(中天鋼鐵集團有限公司， 江蘇 常州 213011)

引 言

建筑及基礎設施建設需要大量的建筑鋼材，近年來，中國建筑業及鋼鐵產業飛速發展，隨著人民日益增長的物質文化需求，對建筑用鋼的各方面性能的要求也越來越高[1-3]。熱軋鋼筋(即螺紋鋼)是建筑行業主要應用的鋼材，螺紋鋼在實際使用環境中主要是承受拉應力，要求具有一定的綜合力學性能、可彎曲變形特性及加工焊接性，并且對表面質量也有明確的規定，要求表面不得有裂縫、結疤和折疊，不得存在使用上的有害缺陷等[4-6]。某批次Φ25 mmHRB400熱軋鋼筋在剪切時發生開裂現象。本文通過化學成分分析、氣體含量分析、金相檢驗及硬度檢驗等方法對開裂原因進行分析。

1 理化檢驗

1.1 HRB400螺紋鋼剪切開裂宏觀形貌

HRB400鋼螺紋鋼剪切開裂樣宏觀形貌如圖1所示，試樣表面存在大量可能因擠壓產生的麻坑狀花紋，開裂螺紋鋼為Φ25 mm直條螺紋鋼，用戶在剪切完后發現試樣剪切斷面上存在開裂現象，其中編號為1#、2#螺紋鋼試樣為邊緣開裂，3#螺紋鋼試樣未開裂，4#螺紋鋼試樣為心部開裂，所有試樣剪切斷面均為銀亮色，無發藍現象，剪切斷面上產生的裂紋剛直有力，為典型的應力開裂裂紋，如圖2所示。

圖1 HRB400螺紋鋼剪切開裂試樣宏觀形貌

圖2 HRB400螺紋鋼剪切斷面邊緣裂紋與心部裂紋宏觀形貌

1.2 化學成分與氣體含量分析

HRB400螺紋鋼試樣使用德國超譜公司QSN750型直讀光譜儀進行化學成分分析，結果如表1所示，可見螺紋鋼化學成分符合《GB/T 1499.2-2018 鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》標準的要求，且未加入Ti、Nb、V細化晶粒的元素。使用ON836型氮氧分析儀進行氣體含量分析，結果如表1所示，可見1#、2#與4#螺紋鋼N含量相比《GB/T 1499.2-2018 鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》中的標準值有所偏高。

表1 HRB400螺紋鋼試樣的化學成分與氣體含量分析結果

1.3 金相檢驗

取1#、2#和4#螺紋鋼開裂試樣剪切斷面進行磨制拋光并腐蝕(如圖3所示)后金相檢驗，1#試樣剪切開裂裂紋深約13.72 mm，裂紋剛直有力，裂紋開口處邊緣有輕微脫碳現象，裂紋其它部位兩側無脫碳為穿晶開裂，裂紋邊緣有明顯的組織流變形貌，說明此處受到了較大剪切力產生了組織流變；試樣表面還存在其他裂紋缺陷，分別深約1.36 mm和1.74 mm，兩條裂紋存在明顯的脫碳現象，如圖3-6所示。

圖3 1#、2#和4#螺紋鋼開裂試樣(邊緣箭頭指處存在明顯亮環)

圖4 1#試樣剪切開裂裂紋開口

圖5 1#試樣剪切開裂裂紋底部

圖6 1#試樣表面發現的其它裂紋

2#試樣剪切開裂裂紋深約12.36 mm，裂紋剛直有力，裂紋開口處邊緣有明顯的脫碳現象，裂紋其它部位兩側無脫碳為穿晶開裂，裂紋邊緣有明顯的組織流變形貌，說明此處受到了較大剪切力產生了組織流變；試樣表面還存在其他裂紋缺陷，深約1.13 mm，裂紋邊緣存在明顯的脫碳現象，如圖7-9所示。

圖7 2#試樣剪切開裂裂紋開口

圖8 2#試樣剪切開裂裂紋底部

圖9 2#試樣表面發現的其它裂紋

4#試樣剪切開裂裂紋存在于剪切斷面心部，裂紋截面長約8 mm，裂紋開口較大，且裂紋邊緣無脫碳現象，取心部開裂試樣的另一端磨制后發現試樣心部存在細小裂紋缺陷，裂紋周圍無脫碳現象，裂紋為為穿晶開裂，如圖10-11所示。

圖10 4#試樣剪切心部開裂裂紋

圖11 4#試樣另一端心部裂紋

1.4 硬度檢驗

取1#試樣進行布氏硬度測試發現邊緣亮環處布氏硬度為212(HBW 2.5/187.5)，基體布氏硬度為249(HBW 2.5/187.5)。

2 分析與討論

(1)宏觀檢驗分析表明，開裂螺紋鋼為Φ25 mm直條螺紋鋼，用戶在剪切完后發現試樣剪切斷面上存在開裂現象，其中編號為1#、2#螺紋鋼試樣為邊緣開裂，3#螺紋鋼試樣未開裂，4#螺紋鋼試樣為心部開裂，所有試樣剪切斷面均為銀亮色，無發藍現象，說明剪切溫度較低；剪切斷面上產生的裂紋剛直有力，為典型的應力開裂裂紋，說明此處受到較大的剪切應力作用。

(2)成分氣體含量分析表明，所取4支HRB400螺紋鋼試樣成分符合《GB/T 1499.2-2018 鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》標準的要求，但沒有發現含有螺紋鋼常見的Ti、Nb、V、Al等細化晶粒元素；氣體含量中N元素超過標準上限要求，較高含量的N元素如果能與Ti、Al等元素結合形成氮化物，則能降低形核功，提高形核率，最終起到細化晶粒作用，進而能提高螺紋鋼的強度，但所取4支HRB400螺紋鋼試樣中均不含有Ti、Al等易與N相結合形成氮化物的元素，所以如此高含量的N元素可能是以游離態存在于鋼材中，游離態N元素含量過高會導致鋼材的冷變形能力降低，脆性增加(即所謂的冷加工脆性)，從而使鋼材冷剪切加工時易產生開裂。

(3)金相分析表面，1#和2#試樣剪切開裂裂紋邊緣有明顯的組織流變形貌，說明此處受到了較大剪切力的影響；且裂紋開口處邊緣存在脫碳現象，裂紋其它部位兩側無脫碳且為穿晶開裂，裂紋開口處發現明顯脫碳現象說明試樣表面的裂紋開口處剪切前為一條原始裂紋，且確實在試樣其它部位表面發現存在較多明顯脫碳的原始裂紋，所以螺紋鋼試樣剪切時受剪切力的作用以表面原始裂紋為開裂源產生了應力開裂并擴展。4#試樣剪切開裂裂紋存在于剪切斷面心部，裂紋開口較大，且裂紋邊緣無脫碳現象，取心部開裂試樣的另一端磨制后發現試樣心部存在細小裂紋缺陷，裂紋周圍無脫碳現象，裂紋為穿晶開裂，說明4#試樣內部本身就存在細小的應力裂紋，在受到剪切力的時候細小裂紋擴展導致心部開裂。

綜上所述，造成HRB400螺紋鋼剪切開裂的原因可能與游離態N元素含量過高，剪切溫度較低、試樣剪切前表面及內部存在原始裂紋等因素有關。

3 結論

HRB400螺紋鋼剪切開裂的原因可能與游離態N元素含量過高，剪切溫度較低、試樣剪切前表面及內部存在原始裂紋等因素有關。