浅析轧后余热处理热轧带肋钢筋高温力学性能

成龙，王洪礼

（新疆维吾尔自治区产品质量监督检验研究院，新疆 乌鲁木齐 830011）

1 实验方案

1.1 实验材料

根据实际生产情况，选取具有代表性的同一批生产的轧后余热处理热轧带肋钢筋，规格型号为HRB400E，φ16mm，通过测试，化学成分(C、S、Si、Mn、P)符合GB/T1499．2-2007标准的要求，微合金元素（Nb、V、Ti）含量低。

1.2 实验设备

钢筋的高温试验采用长春试验机研究有限公司购置的YNS-1000型微机控制电液伺服万能试验机对试件加载,其最大加载能力为1000kN，控制精度为±1%，试验夹头为自行研制的高温拉伸力学性能检测专用夹头，升温设备采用深圳三思试验设备有限公司生设计并制作的圆柱形高温加热炉，该加热炉采用微电脑控制系统，炉膛外径380mm，炉膛内直径80mm，炉膛高度500mm，恒温区长度350mm，最高升温1200℃，控制精度为0．5℃，对试样上、中、下三段分别测温，确保试件温度均匀。

1.3 实验方法

试验采用恒温加载试验方法，将全截面热轧带肋钢筋在无应力状态下加热到某一温度，恒温一段时间后开始加载。高温试验前先进行钢材的常温拉伸试验，以获得试验钢材在常温下的强度。由于常温试验的离散性不太，只进行2根试件试验。高温试验分试验温度分别选取200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃，11个温度水平进行，每种温度下测试2个试件，若结果吻合较好，则取其平均值作为代表值，若差别较大，则进行第3个试件，取吻合较好的2个结果的平均值作为代表值。具体试验过程为：先将未经加工全截面热轧带肋钢筋试样置于筒式高温炉中，夹紧试验机上夹头，固定试样上端，下端自由；用耐火石棉线封堵上下炉口与试件间的缝隙。根据

规范规定，加热速率一般取为5～50℃/min，本试验中取15℃/min升温速率加热试样到预先指定的温度，恒温15min，以使试样温度均匀。最后启动试验机，以0．5kN/s的速率加载进行拉伸直至断裂。

2 实验结果

轧后余热处理热轧带肋钢筋在室温及200～1100℃试验温度范围内，高温拉伸试验结果见表1。

表1 高温拉伸试验结果

3 结果分析

3.1 表观特征

在不同的试验温度下，11组钢筋试样的表面颜色、断口以及颈缩现象发生不同的变化,随着温度的升高，试样的表面颜色逐渐加深，200℃以下时，表面颜色基本上没变化，与常温相似，300℃时颜色呈浅黄色，400℃时由浅黄色变为深蓝色，500℃到600℃时表面颜色由蓝色逐渐加深至略带微红的浅黑色，并且600℃时试件表面出现了掉皮现象，700℃以上时表面明显蜕皮；试件发生破坏的位置由低温区转向高温区，颈缩明显，且区域逐渐变长，断口在25～300℃时为银色有金属光泽；400℃时显蓝靛色，500℃开始发黑，到600℃时断口无金属光泽，破坏时两截面呈针状且非常锋利；断裂声在25～400℃时为脆响，到500℃时声音变弱，700℃以上发生破坏时没有声音。

3.2 高温热强度

通常情况下，轧后余热处理热轧带肋钢筋高温强度指标主要包括两个参数：高温屈服强度和高温极限强度。当轧后余热处理热轧带肋钢筋承受外力不断增大时开始产生塑性变形的最小应力称之为屈服强度，它是衡量材料是否容易产生塑性变形的重要指标。极限强度是指材料抵抗均匀塑性变形向非均匀形变转换时的形变应力，常称为断裂极限。是判定是否在一定外力下产生破坏的重要依据。

高温下钢筋没有明显的屈服平台，所以没有明确的屈服强度，一般情况下，钢材高温下的屈服强度是根据残余应变或一定力学应变对应的应力确定的，目前国际上还没有统一的标准，因此，本文用“切线交点法”得出对轧后余热处理热轧带肋钢筋在不同温度下的屈服强度。

在25～1100℃时，轧后余热处理热轧带肋钢筋高温强度变化趋势分为三段：①在25～400℃段，随着温度的升高，屈服强度和抗拉强度分别从25℃时的460MPa、617MPa到 400℃时的 415MPa、570MPa，降低百分率分别为9．78%、7．61%，波动较小，钢筋试样在这段温度范围内，强度有升高趋势，主要原因在于当温度在200～300℃时，钢材呈明显“蓝脆”现象，此时随温度的升高，屈服强度和抗拉强度有所增加，断后伸长率和断面收缩率保持基本不变。②在400～800℃段，随着温度的继续升高，屈服强度、极限强度急速下降；在400～800℃段，随着温度的升高，轧后余热处理热轧带肋钢筋的屈服强度和极限强度降低，分别从400℃时的415MPa、570MPa降低800℃时的60MPa、85MPa，降低百分率分别为85．54%、85．08%，波动较大，轧后余热处理热轧带肋钢筋的抗拉强度和屈服强度均呈现降低趋势，即温度越高，轧后余热处理热轧带肋钢筋的强度指标越低，这是因为温度的升高，原子内部能量增加，使得原子运动加剧，从而降低了金属原子间的结力，致使轧后余热处理热轧带肋钢筋的强度会随着温度的升高而降低。③在900～1100℃段，随着温度的继续升高，屈服强度、极限强度下降平缓。主要原因在这一温度范围内，钢筋有一个再结晶的过程，材料内部组织发生改变，以至于不能抵制加载对材料结构的破坏而导致材料丧失承载能力，从而导致钢筋处于一种稳态流变状态。

3.3 高温热塑性

轧后余热处理热轧带肋钢筋的热塑性是指钢筋在高温下的塑性，是材料在外力作用下发生永久变形，而不破坏其完整性的能力。轧后余热处理热轧带肋钢筋高温塑性指标包括断后伸长率和断面收缩率。金属塑性变形的实质是由于外力在金属内部形成较大的内应力，迫使组成金属的晶粒内部产生滑移，同时晶粒间也产生滑移与移动。因此，金属塑性的好坏既取决于金属本身的晶格类型、化学成分及金相组织，又取决于变形时的外部条件。

图1 断后伸长率和断面收缩率随温度变化趋势

由图1可知，断后伸长率和断面收缩率反映材料性能基本相同，并且表现出相似的变化规律。随着试验温度的升高，轧后余热处理热轧带肋钢筋断后伸长率从25℃的25．0%升高到800℃的60．0%，升高了58．33%，断面收缩率从25℃的35．0%升高到800℃的80．0%，升高了56．25%，300℃前两者波动较小，在300～800℃增长加快；随着试验温度的继续升高，断后伸长率从800℃的60%降低到1100℃的23．0%，降低了61．66%，断面收缩率从800℃的80．0%降低到1100℃的30．0%，降低了62．50%。所以，轧后余热处理热轧带肋钢筋断后伸长率和断面收缩率以800℃为界点，呈现两种不同的趋势：①界点之前随着温度升高，断后伸长率和断面收缩率升高，主要是因为随着温度升高，内应力得到了降低；②界点之后随着温度升高，断后伸长率和断面收缩率降低，说明其塑性降低，是温度升高引起的晶粒长大和部分晶界的熔化所引起的。

4 结语

通过对轧后余热处理热轧带肋钢筋高温下高温力学性能进行试验研究 ,得到了如下结论：（1）在400℃之前屈服强度、极限强度、断后伸长率和断面收缩率变化较小。（2）在200～400℃时，钢筋呈现“蓝脆”现象，超过400℃以后材料屈服强度和极限强度随温度升高开始降低。（3）钢筋具有良好的热塑性，断后伸长率和断面收缩率表现出相似的变化规律，800℃后断后伸长率和断面收缩率开始急速降。

参考文献：

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