HRB400 热轧带肋钢筋盘螺弯曲脆断原因分析

赵小青， 任卫华， 李 涛

（陕钢集团汉中钢铁有限责任公司， 陕西 勉县 724200）

HRB400 热轧带肋钢筋是建筑行业常用的钢材之一，具备良好的韧性、塑性，较高的抗拉强度和屈服强度，具有一定的可焊接性，被广泛用于建筑、桥梁、地铁等重点工程。

而近来有客户反映，某钢厂生产的HRB400 盘螺10 在工地弯曲试验时，发生脆断现象。针对这一问题，笔者对这个批次的钢筋通过化学成分分析、金相检验、扫描电镜能谱分析以及力学性能等检验，分析钢筋弯曲断裂的原因。

1 理化检验

1.1 宏观分析

整个断裂试样为典型的脆性断裂，未见可视裂纹，断口较凹凸不平，其中约1/3 断面呈暗灰色纤维状，剩余2/3 断面呈平面状，可见金属光泽。

1.2 化学成分分析

化学成分分析试样选用2 根，1 根从断裂试样上截取（避开断裂位置），另1 根从同批次截取，其化学成分均符合要求，分析结果见表1。

表1 试验材料的化学成分 %

1.3 拉伸试验和弯曲试验

拉伸试验，该批次上取1 根，另1 根从脆断试样上截取；分别在万能试验机上做拉伸，其结果见表2。弯曲试验的2 根试样，都从该批次上截取，依据GB/T 1499.2—2018 中钢材弯曲要求，用4d 弯曲压头直径，进行180°冷弯。

表2 试验样的力学性能

试验结果表明：2 根拉伸试样，力学性能均合格；弯曲试样中，其中1 根发生弯曲断裂，另1 根弯曲完好。

1.4 金相检验

在钢筋断裂处垂直轧制方向切取金相试样2个，经镶嵌、磨制、抛光，再用4%（体积分数）硝酸酒精溶液化学浸蚀后，置于光学显微镜下观察试样显微组织。试样心部存在较大的成分偏析区域，其组织为铁素体+珠光体+回火马氏体组织，如图1、2 所示；试样基体的显微组织为正常的铁素体+珠光体组织，如下页图3、4，对试样基体正常组织的晶粒尺寸进行了测量，晶粒尺寸为5.61 μm，级别为11.5 级。

图1 心部组织（100X）

图2 心部组织（500X）

图3 基体组织（100X）

图4 基体组织（500X）

1.5 能谱分析

在断裂试样金相分析的基础上，对两个试样的横截面进行了扫描电镜能谱微区成分分析，微区分析部位由钢筋表面向心部依次定为A～C。锰元素含量能谱分析结果见表3。

表3 断裂钢筋横截面w(Mn)能谱分析结果

可见，由钢筋表面正常区域到心部，w（Mn）分布极不均匀，且逐渐增加，偏析处锰元素含量几乎是正常区域处的2 倍。

1.6 非金属夹杂物分析

根据GB/T 13298—2015，从断裂试样上截取平行于锻轧方向的纵截面，试样经镶嵌、磨制、抛光后，置于光学显微镜下分析，非金属夹杂物形貌如图5。依据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》，对非金属夹杂物含量进行评级，为C 类2.5 级。

图5 非金属夹杂物形貌（100X）

2 分析与讨论

2.1 化学成分对性能的影响

光谱分析和能谱分析结果表明，除心部锰元素严重超标外，钢中其他元素化学成分符合国标。锰元素在钢中有固溶强化作用，但由于锰元素降低了共析点的碳含量，因此在相同的碳含量下，锰含量的升高会增加钢中碳化物的数量，使钢的强度增高、塑性降低[1]。此断裂试样心部锰元素含量高达2.38%，远远超过了GB/T 1499.2-2018 锰含量技术要求的上限1.60%，因此心部锰偏析使钢强度增高、塑性大幅度降低。

2.2 显微组织对性能的影响

从显微组织分析发现，试样中心区域存在严重的锰偏析，而边部区域为正常组织，且晶粒度较细，较均匀。

一般由于奥氏体的低温转变产物是马氏体，而钢材表面冷却速率要比心部冷却速率大，因此，马氏体一般出现在钢材表面，在出现在心部就较为反常。由于连铸过程中冷却速率小、冷却条件差异大等原因将引起枝晶偏析严重，在随后的轧制过程中使C曲线右移；锰使奥氏体能够保持到较低的温度，在低温区组织转变过程中，从而造成在钢筋心部出现回火马氏体异常组织[2]。回火马氏体使钢材致脆，强度增高，韧性剧烈下降[3-4]。

2.3 非金属夹杂物对性能的影响

钢中非金属夹杂物检验结果表明，试样表面存在2.5 级、硅酸盐夹杂物。硅酸盐夹杂物属于脆性夹杂物，大块脆性夹杂物出现， 特别是氧化物、硅酸盐等系列， 会加剧钢材断裂的趋势， 降低钢材的塑性、韧性和冷弯性能[5-6]，文献资料表明小于20 μm的夹杂物一般不会引起脆断。钢在加工变形过程中，由于夹杂物与钢基体之间存在变形性的显著差异，所以造成夹杂物与基体之间的交界面上产生应力集中，产生微裂纹或夹杂物自身开裂[7]。因此，非金属夹杂物引起应力集中，成为钢材弯曲的薄弱环节，影响钢材的冷弯性能。

3 改进措施

由于HRB400 盘螺10 钢筋心部锰元素严重偏析，导致钢筋中心部位存在严重马氏体异常组织，致使钢筋强度增高、塑性降低，这是造成该批钢筋弯曲断裂的主要原因；其次，非金属夹杂物的存在，可引起局部应力集中，形成空隙和裂纹，导致冷弯断裂的另一个原因。

为了降低HRB400 盘螺钢筋弯曲脆断现象，建议严格控制高锰生铁配加量，以及吹氩时间，并采用多段电磁搅拌，减少锰元素偏析和心部马氏体组织的出现；提高钢的洁净度，减少夹杂物的含量；在工地弯曲试验时，选择合适的弯心直径进行钢筋弯曲试验，避免由于弯心直径较小，导致钢筋弯曲变形区外层材料的拉应力过大，造成钢筋弯曲断裂[8]。