Φ40 mm HRB500E 弯曲断裂原因分析

冯紫萱，李 轲

（陕钢集团汉中钢铁有限责任公司，陕西 勉县 724200）

建筑用钢在我国钢材产品中占比最大，在基础建设领域也发挥着重要作用，随着市场需求的不断提高，高强度、大规格建筑用钢的生产也在不断增加。HRB500E 具有强度高、塑性好、可焊性优良等优点[1]，某公司生产的Φ40 mm HRB500E 热轧带肋钢筋，在进行弯曲试验时发生了弯曲断裂，为了避免类似的情况再次发生，有必要对Φ40 mm HRB500E 热轧带肋钢筋弯曲断裂原因进行分析。

1 试验材料及方法

以某公司生产的Φ40 mm HRB500E 热轧带肋钢筋弯曲断裂试样为试验材料，分别采用直读光谱仪、氧氮氢分析仪、金相显微镜、扫描电镜和能谱仪等仪器，对试样进行化学成分、氧氮气体含量、微观组织、非金属夹杂物、断口形貌和能谱分析，分析得出导致弯曲断裂的主要原因。

2 理化检验

2.1 化学成分

在弯曲断裂试样上断口的另一头截取一小节约2 cm 高的试样，用直读光谱仪检测，检测结果如表1所示，符合国标GB/T 1499.2—2018 要求。

表1 弯曲试样化学成分 %

2.2 氧氮含量

在弯曲断裂试样上用线切割机截取直径5.5 mm长10 cm 的试样，再经过打磨制样成1.0 g 左右的试样，用氧氮氢分析仪分析氧氮含量，检测结果如表2所示，氮含量稍有偏高。

表2 弯曲试样氧氮分析结果

2.3 金相检验

在弯曲断裂试样上用线切割机截取高约2.5 cm横截面试样，经过磨制抛光腐蚀，发现试样心部有一处偏析，其显微组织（如图1、图2）为网状铁素体+粗大珠光体，经测定珠光体含量为82.19%，试样基体显微组织为铁素体+珠光体，经测定珠光体含量为47.84%。可以发现心部珠光体含量大约是基体珠光体含量的2 倍，而心部的珠光体含量也远超过铁碳相图杠杆定律计算出的珠光体含量，从而可以得出试样组织不均匀且珠光体含量超标的结论。

图1 心部偏析

图2 网状铁素体+粗大珠光体

截取纵截面，经磨制、抛光后，试样纵截面存在硅酸盐类夹杂物，级别为粗系2.0 级。

2.4 宏观分析

截取试样上的弯曲断口，宏观形貌如图3 所示，断口较为平整且为放射状花样，无明显塑性变形，断裂源靠近试样表面处。

图3 宏观断口

2.5 扫描电镜及能谱分析

断口用扫描电镜观察，断裂源处形貌如下页图4、图5，可见断裂源处有一个颗粒物和很多韧窝，但此韧窝并不是典型的韧性断裂特征，因为韧窝内有颗粒状或条状物质。用能谱分析颗粒物结果主要为硅锰酸盐类夹杂物，韧窝内颗粒物能谱结果主要是硫化锰。裂纹扩展区经过观察主要呈现出粗大的解理平面，为典型的解理断裂特征。

图4 断裂源

图5 韧窝

3 分析讨论

据悉某公司在生产Φ40 mm HRB500E 热轧带肋钢筋时，为了有效降低成本在加入了较少钒的同时增加了氮含量，根据文献显示[1-3]当氮含量较高时钒的析出强化和细晶强化作用提高，而析出强化和细晶强化对于屈服强度提升较为明显，对于抗拉强度提升不太明显，易造成强屈比降低。而弯曲断裂试样的氮含量（质量分数）为235×10-6，为了对比氮含量是否合适，笔者找来一些弯曲合格的试样，通过检测发现氮含量显示平均值为160×10-6，笔者认为氮含量稍偏高是有效增加了屈服强度，但是却同时降低了钢材的塑韧性，因此氮含量偏高是造成弯曲断裂的一方面原因。

另外弯曲断裂试样的心部存在偏析，偏析处显微组织为网状铁素体和粗大珠光体，而正常微观组织应该是均匀的铁素体和珠光体。HRB500E 是亚共析钢，根据相变规则，随着温度的降低，奥氏体晶界上首先析出铁素体，再形成珠光体，如果冷速较快C 曲线右移，铁素体析出量减少，珠光体较多，而珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，珠光体增多，铁素体减少，则意味着强度增高，塑韧性降低。而较高的加热温度使奥氏体晶粒粗大，加之较大的冷却速度等温温度较低，造成粗大的珠光体，并使铁素体易呈网状分布，网状铁素体的存在严重割裂了珠光体之间的相互作用，降低了钢材的机械性能，易导致脆性断裂[4-6]。

断口扫描分析时发现硅锰酸盐夹杂物和韧窝内硫化锰夹杂物，由于夹杂物与基体的结构不同、应力传递方式不同，当试样受到外力作用时，由于夹杂物的存在破坏了基体的连续性，使应力在此集中萌生裂纹，形成裂纹源，由于粗大的珠光体和网状铁素体使钢材强度增加韧性降低，使裂纹进一步扩展导致开裂[7]。

4 结论及建议

1）较高的氮含量、粗大的珠光体+网状铁素体和硅锰酸盐、硫化锰夹杂物是导致Φ40 mm HRB500E热轧带肋钢筋弯曲断裂的主要原因；

2）建议在保证屈服强度的同时合理控制铸坯中的氮含量；

3）建议在实际生产中适当降低铸坯加热温度和轧后冷却速度，减少粗大珠光体和网状铁素体的生成；

4）在浇注过程中减少钢水波动保持稳定，合理调整吹氩参数，减少钢内残留的夹杂物。