超高强度抗震钢筋反弯断裂研究与改进

卢春光，张泽宇，林生秀，李 博，王小东，史永刚，姜新岩

（陕钢集团产业创新研究院有限公司，陕西 汉中 723000）

超高强度抗震钢筋是新一代建筑用钢，与HRB400钢筋相比，具有强度高、延伸率好、抗震性优、可安全储备、易于混凝土振捣，防腐性能更佳、替代HRB400钢筋可节约钢筋用量30%，建筑工程综合成本低、施工简便等优点。超高强度抗震钢筋是引领钢铁与建筑业转型升级具有革命性的新材料，代表未来建筑用钢的方向。某钢铁企业在开发超高强度抗震钢筋时，各项性能指标均满足用户要求，但是，在产品检验中时常出现反弯断裂的情况。对合格批次及反弯断裂批次的生产过程、检验结果进行对比分析，查找其反弯断裂的原因。

本试验采用的实验材料取自某公司生产的Φ25 mm的超高强度抗震钢筋，选取反弯断裂试样和反弯合格的另外一批次同规格的样品进行对比分析。对选取试样的化学成分、气体含量、性能对比、金相组织、非金属夹杂和断口等进行分析，寻找其反弯断裂的主要原因。

反向弯曲试验工艺：将试样先正向弯曲90°→经正向弯曲后的试样在100℃±10℃的温度下保温至少30 min→经自然冷却后再反向弯曲20°。

2.1 成分分析

利用ARL3360型直读光谱仪分别测定了两批次试样的化学成分，分析结果如表1所示。由表1可以看出，两批次试样成分基本一致，均在标准[1]要求的范围内，成分一致性控制较好，可见钢材成分不是导致钢材反弯断裂的主要原因。

表1 实验材料的化学成分 %

2.2 性能对比

利用WESW-600C型拉力试验机分别测定两批次试样的抗拉性能，结果如表2所示。可见两批次试样抗拉性能均满足标准要求，但断裂试样无论是屈服强度还是抗拉强度都稍高于合格试样，抗屈比均满足标准要求，相差很小。

表2 实验材料的抗拉性能

2.3 气体含量分析

对合格试样、断裂试样进行气体含量分析，结果如表3所示，钢材的N、O元素含量均在正常范围内。

表3 钢材气体元素分析结果 %

2.4 断口观察

取反弯断裂试样分析，断口形貌如图1所示，试样的反弯断口均呈现解理状，为脆性断口，断口处存在由表面向中心延伸的裂纹。

图1 反弯断口形貌分析

2.5 显微组织分析

取反弯断裂试样和合格试样附近区域进行金相组织分析，如图2所示，反弯断裂样品显微组织呈网状铁素体+珠光体，合格样品显微组织为正常铁素体+珠光体，采用IPP对两相进行定量分析，其中反弯断裂试样珠光体含量为70.3%，合格试样珠光体含量为40.5%。根据铁碳相图，应用杠杆定律[2]可计算出断裂试样w（C）为0.26%时，钢中珠光体含量31.8%，铁素体含量68.2%，因此，可判断反弯断裂试样显微组织异常。

图2 钢材显微组织照片

超高强度抗震钢筋正常组织应该为具有良好塑性和韧性的铁素体＋珠光体，但不同的铁素体和珠光体含量以及其晶粒尺寸大小，对塑韧性的影响也很大。晶粒尺寸d与裂纹扩展临界应力σt的关系是σt∝d-1/2，也就是随着铁素体晶粒尺寸减小，裂纹扩展临界应力提高，钢的韧性也相应提高[3]。因此，钢中存在数量较多、晶粒细小的铁素体可以提高钢的韧性。珠光体的强度、硬度均高于铁素体，一般随着珠光体硬相含量增加，钢的抗拉性能提高，但韧性降低。

由于本次超高强度抗震钢筋Φ25 mm生产时气温较低，根据Fe-Fe3C相图[4]计算，T63E钢筋的γ→α转变温度为810℃左右，γ→Fe3C转变温度为700℃左右，在现场实际测得钢材由800℃降低至700℃的冷速为3℃/s。当冷速过快时，碳元素在奥氏体中扩散系数降低，沿晶界析出的先共析铁素体呈网状，珠光体团变大。在弯曲应力的作用下，易优先在钢材的应力集中及表面缺陷区域萌生裂纹，网状铁素体和块状珠光体的微观组织严重影响了钢材的韧性，使得表面裂纹迅速生成及扩展，造成钢材反弯断裂。

1）超高强度抗震钢筋Φ25 mm反弯断裂试样组织由奥氏体转变为网状铁素体+大块状珠光体。

2）根据铁碳相图，应用杠杆定律可计算出断裂试样w（C）为0.26%时，钢中珠光体含量31.8%，铁素体含量68.2%。因此，可判断反弯断裂试样显微组织异常。

3）超高强度抗震钢筋Φ25 mm反弯断裂主要原因为冷速过快，组织由奥氏体转变为网状铁素体+大块状珠光体，导致钢材韧性变差。