HRB500热轧带肋钢筋力学性能不合格的原因及工艺改进

陈连生，赵 远，宋进英，杨 栋

（河北联合大学，河北省现代冶金技术重点实验室，唐山063009）

0 引 言

HRB500高强度微合金化钢筋（简称HRB500钢筋）与目前主要广泛使用的HRB335、HRB400［1］钢筋相比，具有强度高、塑性好、成本低、安全储备量大、抗震性能好等特点［2-4］，将其应用于建筑工程结构中不仅可以明显降低用钢量，还能显著提高工程质量［5］，在建筑领域具有非常广阔的市场前景。

目前，在生产HRB500钢筋时，钒作为提高钢筋类长型材产品强度的微合金化元素被广泛采用［6-7］，并且常常以钒铁、钒渣或氮化钒等的形式加入［8-9］；若在含钒的微合金化钢筋中加入氮元素，则可以以较少的钒加入量获得相同强度水平的钢筋，显著降低了钢的生产成本［10］。某厂在生产HRB500钢筋时，以钒铁形式在钢液中加入钒元素，但在成品的力学性能测试中发现部分产品的强度不合格，造成近1 300t废品。为防止问题再次出现，作者以该厂生产的性能合格和不合格的HRB500钢筋为研究对象，通过显微组织、断口形貌、夹杂物及化学成分分析，找出了钢筋力学性能偏低的原因，并提出了改进措施，取得了较好效果。

1 理化检验及结果

分别将力学性能不合格和合格的HRB500钢筋记为试样1和试样2。按照GB/T 228—2002制备拉伸试样，在WBW-600B型液压万能试验机上进行拉伸试验；采用Axiovert200MAT型光学显微镜（OM）和S-4800场发扫描电镜（SEM）观察拉伸断口的组织，腐蚀剂为4%（体积分数）硝酸酒精溶液。

1.1 拉伸性能

由表1可知，试样1的伸长率满足GB 1499.2-2007的要求，但其抗拉强度和屈服强度较低，不符合国标要求；试样2的抗拉强度、屈服强度和伸长率均能满足GB 1499.2-2007的要求。

表1 不同试样的拉伸性能Tab.1 Tensile properties of different samples

1.2 显微组织

由图1可见，试样1横截面的显微组织为片状珠光体和网状、块状铁素体以及少量针状铁素体，平均晶粒度为9～9.5级；试样2横截面的显微组织为片状珠光体和块状铁素体，平均晶粒度为10～10.5级，其晶粒尺寸比试样1的小。

图1 不同试样横截面的OM形貌Fig.1 OM morphology of cross section of sample 1（a）and sample 2（b）

图2 不同试样纵截面的OM形貌Fig.2 OM morphology of longitudinal section of sample 1（a）and sample 2（b）

由图2可知，试样1和试样2纵截面的显微组织均为珠光体和铁素体，且均出现了不同程度的带状组织，试样1和试样2的带状组织评级分别为3级和1.5级。带状组织的形成一般是由终轧温度过高、冷却速率过慢引起的。成分偏析是试样中出现带状组织的先决条件，带状组织的存在会使金属的力学性能呈各向异性，平行于带状组织方向的力学性能明显优于垂直于带状组织方向的，在后续压力加工时材料易在带状组织与基体交界处开裂。

1.3 拉伸断口及夹杂物的形貌

由图3（a）可知，试样1的拉伸断口呈类似木纹状（朽木状）［11］形貌，为典型的脆性断裂特征，且在凹凸不平的台阶处存在块状夹杂物。试样2的拉伸断口呈明显的等轴韧窝状，形貌规整清晰，未发现夹杂物存在，如图3（b）所示。

由图4可知，在试样1抛光态的纵截面中存在较为明显的经轧制变形的长条状夹杂物，其在拉伸断口上呈颗粒状和块状存在，经能谱分析知其主要含有铁、硫、硅、锰元素，另外还含有少量铝、钙、钛等元素以及部分氧元素，可知试样1中的夹杂物主要为硫化锰和硅酸盐。钢中存在的大量非金属夹杂物在晶界上沉积是形成木纹状断口的内因，轧制之后形成的纤维组织是形成木纹状断口的外因。当钢中含有较多硫化物时，宏观断口上出现了偏析线，在微观断口上则出现了沿热加工方向的许多沟槽，在沟槽中含有条状硫化物；随着钢中夹杂物数量的增多，并有大量氧化物时，断口形貌表现为严重的木纹状。

由图5可知，试样2中主要含有铁元素，另外还有少量碳和锰元素。对比图4和图5可知，试样1和试样2中都含有硅和锰等元素，但它们在不同位置的含量是不同的，存在的偏析程度也不同。锰是吸碳的元素，硅是排斥碳的元素，因此合金元素在金属中的不均匀分配将会导致碳的不均匀分配，这会使不同位置的Ar3温度不同，从而使先共析铁素体析出的先后次序不同，加剧成分偏析，因此在试样1和试样2中均发现了不同程度的带状组织。钢中的硫化物等非金属夹杂对钢的抗拉强度和屈服强度没有明显影响，只有当钢中的夹杂物存在严重偏析时，才会使钢的强度降低，故而，试样2中虽有少量带状组织，但由于对非金属夹杂物控制得较好，所以试样2的力学性能满足GB 1499.2-2007的要求。

图3 不同试样拉伸断口的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of tensile fracture of sample 1（a）and sample 2（b）

图4 试样1中夹杂物的形貌及EDS谱Fig.4 Images and EDS spectrum of inclusion in sample 1：（a）SEM morphology of inclusion in polishing state；（b）SEM morphology of inclusion at tensile fracture and（c）EDS spectrum of inclusion

图5 试样2拉伸断口的SEM形貌及EDS谱Fig.5 SEM morphology（a）and EDS spectrum（b）of tensile fracture of sample 2

1.4 化学成分

由表2可知，试样1和试样2的化学成分均满足GB 1499.2-2007的要求，但试样2中的氮含量较高，为146×10-6，在钢中可形成碳氮化钒，产生弥散强化效果，而试样1中的氮含量仅为38.5×10-6，沉淀析出强化效果不明显，因此试样2的综合力学性能要优于试样1的。试样1和试样2的碳当量分别为0.506%和0.424%。

表2 不同试样的化学成分（质量分数）Tab.2 Chemical composition of different samples（mass） %

2 工艺改进后的组织与性能

2.1 力学性能不合格的主要原因及改进措施

上述分析表明，导致HRB500热轧带肋钢筋力学性能偏低的主要原因是由于钢中的氮含量偏低，且钢中存在非金属夹杂物以及由偏析引起的带状组织。因此，制定了以下改进措施：（1）适当提高钢中的氮含量，以提高沉淀析出强化效果；（2）在出钢过程中向钢包内加入石灰等造渣料进行渣洗，以改善钢液的纯净度，促进夹杂物上浮，并适当延长出钢吹氩时间；（3）对连铸过程的拉速进行优化控制，以减轻连铸坯枝晶偏析，从而对钢中的带状组织起到一定的抑制作用。

2.2 改进后的力学性能及显微组织

工艺改进后，HRB500钢筋试样的抗拉强度和屈服强度分别可达745MPa和530MPa，伸长率可达17.3%，均满足 GB 1499.2-2007标准的要求，其伸长率较试样1的还有所提高，且产品质量稳定。

由图6可知，工艺改进后，HRB500钢筋试样横截面的显微组织为片状珠光体和块状、网状铁素体，平均晶粒度为8～8.5级，晶粒尺寸较试样2的更细小；纵截面的组织为片状珠光体和铁素体，无明显的带状组织。这说明适当的工艺对钢中元素的偏析具有一定的抑制作用，能有效减轻钢中的带状组织。

由图7可知，工艺改进后，HRB500钢筋试样拉伸断口的SEM形貌与试样2的相似，未发现明显的夹杂物，断口呈规整清晰的等轴韧窝状，为韧性断裂特征。可见，有效控制钢中的非金属夹杂物对钢的成材率有利。

3 结 论

（1）HRB500钢筋抗拉强度和屈服强度不能满足GB1499.2-2007要求的主要原因是，较低的氮含量、存在硫化锰和硅酸盐类杂物以及由偏极引起的带状组织。

（2）采取提高氮含量、炼钢过程中采用渣洗工艺、延长吹氩时间以及优化控制连铸拉速等工艺措施后，HRB500钢筋中带状组织明显减轻，未发现明显的夹杂物，各项力学性能均满足国标要求。

图7 工艺改进后HRB500钢筋试样拉伸断口的SEM形貌及EDS谱Fig.7 SEM morphology（a）and EDS spectrum（b）of tensile fracture of HRB500ribbed bar sample after process improvement

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