岑 風(fēng) 張 珂 褚 峰

(江蘇省沙鋼鋼鐵研究院，江蘇 張家港 215625)

眾所周知，螺紋鋼筋的抗震性能是混凝土建筑抵御地震的重要指標(biāo)，所以迫切需要研發(fā)強(qiáng)度高、抗震性能好的螺紋鋼筋[1- 4]。600 MPa級螺紋鋼筋具有強(qiáng)度高、安全性好、鋼材用量少等優(yōu)點(diǎn)，對提高我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的綜合性能，推動重大工程的技術(shù)進(jìn)步，提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性，促進(jìn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)能減排等，都具有十分重要的意義。即將實(shí)施的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1499.2—2018鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋[5]中，也增加了600 MPa級的HRB600高強(qiáng)鋼筋，參照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的延性要求，該鋼筋的屈服強(qiáng)度測定值與標(biāo)準(zhǔn)值之比不大于1.3、強(qiáng)屈比不小于1.25[6]，因此對檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性提出了更高的要求?，F(xiàn)有文獻(xiàn)主要研究了微觀組織、合金元素、熱處理制度、負(fù)差率等因素對400、500 MPa級鋼筋強(qiáng)屈比的影響[7- 8]。本文以HRB600螺紋鋼筋為研究對象，發(fā)現(xiàn)用同一爐鋼制作的HRB600螺紋鋼筋的強(qiáng)屈比存在較大差異[9- 10]。通過大量的對比試驗(yàn)，對影響鋼筋強(qiáng)屈比的自然時效時間、數(shù)據(jù)采樣頻率、拉伸速率等因素進(jìn)行了分析，最終弄清了產(chǎn)生強(qiáng)屈比差異的主要原因，這有助于螺紋鋼筋類產(chǎn)品的性能檢測。

1 試驗(yàn)材料與方案

試驗(yàn)用HRB600螺紋鋼筋的直徑為25 mm，試樣取自同一爐同一批次產(chǎn)品，根據(jù)自然時效時間等試驗(yàn)參數(shù)，將試樣分別編號為1、2、3、4、5和6號，每個編號6個試樣。采用SHIMADZU公司PDA7000型直讀光譜儀分析試驗(yàn)材料的化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示。采用ZEISS公司Axio Imager Z1m型金相顯微鏡觀察試樣顯微組織，結(jié)果如圖1所示，為鐵素體和珠光體，晶粒度8級。

表1 HRB600螺紋鋼筋的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the HRB600 reinforced bar (mass fraction) %

圖1 HRB600螺紋鋼筋的顯微組織Fig.1 Microstructure of the HRB600 reinforced bar

拉伸試樣長度為500 mm，設(shè)備為INSTRON公司1200 kN液壓萬能試驗(yàn)機(jī)，通過了計(jì)量檢定，精度為0.5級，額定載荷±1 200 kN。1、2號試樣的拉伸速率彈性段和屈服段為10 mm/min，塑性段為50 mm/min，數(shù)據(jù)采樣頻率為10 s-1；3、4號試樣拉伸速率彈性段和屈服段為10 mm/min，塑性段為50 mm/min，數(shù)據(jù)采樣頻率分別為10和30 s-1；5、6號試樣拉伸速率彈性段和屈服段分別為15和20 mm/min，塑性段分別為75和100 mm/min，數(shù)據(jù)采樣頻率為30 s-1。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 自然時效時間對拉伸性能的影響

1、2號試樣的自然時效時間分別為12和48 h，拉伸試驗(yàn)結(jié)果列于表2。

表2 自然時效時間對HRB600螺紋鋼筋拉伸性能的影響Table 2 Effect of natural aging time on tensile properties of the HRB600 reinforced bar

由表2數(shù)據(jù)可知，自然時效12 h的1號試樣的強(qiáng)屈比小于自然時效48 h的2號試樣，強(qiáng)屈比平均值的差值為0.015；1號試樣的下屈服點(diǎn)均高于2號試樣，下屈服點(diǎn)的最大差值為9.3 MPa；1號試樣的抗拉強(qiáng)度低于2號試樣，最大差值為7.9 MPa。這些結(jié)果表明，時效時間相同的試樣的強(qiáng)度值相差均小于5 MPa，也即檢測結(jié)果比較穩(wěn)定，試樣的均勻性較好。試驗(yàn)結(jié)果還表明，試樣的下屈服點(diǎn)隨自然時效時間的延長而下降。

2.2 采樣頻率和拉伸速率對鋼筋拉伸性能的影響

按照GB/T 228.1—2010數(shù)據(jù)采樣頻率計(jì)算公式A.2計(jì)算的最小數(shù)據(jù)采樣頻率約為10 s-1，試樣為3、4、5和6號。此次試驗(yàn)時間與產(chǎn)品的生產(chǎn)日期間隔96 h。3、4號試樣設(shè)置的試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采樣頻率分別為10和30 s-1，拉伸速率彈性段和屈服段為10 mm/min，屈服后50 mm/min[11]，檢測結(jié)果如表3所示。5、6號試樣設(shè)置的試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采樣頻率均為30 s-1，5號試樣彈性段和屈服段拉伸速率為15 mm/min，屈服后75 mm/min。6號試樣彈性段和屈服段拉伸速率為20 mm/min，屈服后100 mm/min，檢測結(jié)果見表4。

由表3可見，3號試樣的強(qiáng)屈比低于4號試樣，二者強(qiáng)屈比平均值的差值為0.008，高于1、2號試樣的強(qiáng)屈比。3、4號試樣下屈服點(diǎn)的最大差值為9.7 MPa，而抗拉強(qiáng)度的最大差值為4.6 MPa。表3、表4中的檢測結(jié)果表明，隨著拉伸速率的增大，鋼筋的下屈點(diǎn)升高，但抗拉強(qiáng)度的變化不明顯。

表3 數(shù)據(jù)采樣頻率對HRB600螺紋鋼筋拉伸性能的影響Table 3 Effect of frequency of data sampling on tensile properties of the HRB600 reinforced bar

表4 拉伸速率對HRB600螺紋鋼筋拉伸性能的影響Table 4 Effect of tensile rate on tensile properties of the HRB600 reinforced bar

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 拉伸曲線下拐點(diǎn)數(shù)據(jù)

圖2表明，拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線在屈服平臺末端均存在下拐點(diǎn)。根據(jù)GB/T 228.1—2010中對下屈服點(diǎn)的判定原則，在屈服段不計(jì)初始瞬時效應(yīng)，其后谷值最低應(yīng)力處對應(yīng)下屈服點(diǎn)，則圖中下拐點(diǎn)為最低應(yīng)力處試樣的下屈服點(diǎn)。因此，對下拐點(diǎn)的準(zhǔn)確判定是影響強(qiáng)屈比的關(guān)鍵因素。為查明出現(xiàn)下拐點(diǎn)的原因，采用Origin軟件作應(yīng)力- 應(yīng)變曲線的散點(diǎn)圖，進(jìn)一步使下拐點(diǎn)區(qū)域清晰，以此來鑒別下拐點(diǎn)形成的原因。對圖2屈服段作散點(diǎn)圖，如圖3所示。圖3中下拐點(diǎn)處數(shù)據(jù)點(diǎn)的密集度正常，連續(xù)性好，由此可以確定，產(chǎn)生下拐點(diǎn)的原因是材料本身的特性而并非夾具打滑。此外，通過Origin散點(diǎn)圖還可以檢查拉伸曲線的完整性，也有助于判斷試樣在試驗(yàn)過程中是否有打滑現(xiàn)象。

圖2 2號試樣的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線Fig.2 Tensile stress- strain curve of the sample No.2

圖3 2號試樣的拉伸屈服段散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter plots of yield stage from tensile curve of the sample No.2

2.3.2 產(chǎn)生下屈服點(diǎn)的理論原因

試驗(yàn)用鋼筋出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，是由于鐵素體中的碳原子與位錯交互作用，碳原子強(qiáng)烈釘扎位錯，位錯從柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)中掙脫出來時，需克服較大的釘扎阻力。但由于鋼筋中加入了釩，形成了大量VC、VN等析出相，致使位錯飽和度急劇下降，產(chǎn)生大量可動位錯，導(dǎo)致應(yīng)力下降，從而在慣性作用下出現(xiàn)瞬時應(yīng)力低點(diǎn)，形成了下屈服點(diǎn)。

2.3.3 強(qiáng)屈比和下屈服強(qiáng)度[12- 13]

3號試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集頻率為10 s-1時，拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線散點(diǎn)圖如圖4所示，可見下屈服點(diǎn)處的數(shù)據(jù)點(diǎn)較稀疏，下屈服點(diǎn)峰值至谷值的差值約4 MPa。同樣，4號試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集頻率為30 s-1時的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變散點(diǎn)圖如圖5所示，下屈服點(diǎn)處的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)較密集，下屈服點(diǎn)峰值至谷值的差值約14 MPa。3、4號試樣的其他條件相同，僅數(shù)據(jù)采樣頻率不同，但下拐點(diǎn)處的應(yīng)力值差別較大，這說明下拐點(diǎn)與數(shù)據(jù)采集頻率有一定的關(guān)系。此外，3號試樣的下屈服點(diǎn)明顯高于4號試樣，其原因就在于3號試樣的下屈服點(diǎn)處采集數(shù)據(jù)點(diǎn)偏少而造成局部數(shù)據(jù)點(diǎn)缺失，下屈服點(diǎn)失真，導(dǎo)致實(shí)測的下屈服點(diǎn)偏高。但抗拉強(qiáng)度受數(shù)據(jù)采樣頻率的影響不大，因此，4號試樣的強(qiáng)屈比高于3號試樣。

圖4 3號試樣的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter plots of tensile stress- strain curve of the sample No.3

2.3.4 自然時效試驗(yàn)結(jié)果

第1次檢測時，1號試樣的強(qiáng)屈比均小于1.25；第2次檢測時，2號試樣的屈強(qiáng)比已接近1.25；而第3次檢測的3和4號試樣的屈強(qiáng)比均超過1.25。這3次檢測的試樣均取自同一爐冶煉、同批次軋制的鋼筋，試樣的自然時效時間分別為12、48和96 h。檢測結(jié)果顯示，隨著鋼筋自然時效時間的延長，下屈服點(diǎn)下降，導(dǎo)致強(qiáng)屈比明顯增大。自然時效后下屈服點(diǎn)下降是因?yàn)镠RB600鋼筋的生產(chǎn)工藝為終軋后空冷，存在一定的殘余應(yīng)力，經(jīng)過自然時效，鋼筋中的殘余應(yīng)力得以釋放，導(dǎo)致下屈服點(diǎn)下降。根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1499.2—2018的要求，強(qiáng)屈比不得小于1.25，因此，對于本次試驗(yàn)選用的鋼筋，自然時效時間應(yīng)超過96 h。

圖5 4號試樣的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter plots of tensile stress- strain curve of the sample No.4

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)據(jù)采樣頻率對試樣下屈服點(diǎn)的判定有一定影響，數(shù)據(jù)采樣頻率為10 s-1時的下屈服點(diǎn)要高于數(shù)據(jù)采樣頻率為30 s-1時的下屈服點(diǎn)。其原因在于，數(shù)據(jù)采樣頻率較低時，下拐點(diǎn)處的數(shù)據(jù)點(diǎn)較稀疏，僅能采集局部數(shù)據(jù)，導(dǎo)致下屈服點(diǎn)失真。下屈服點(diǎn)隨拉伸速率的增大而升高，而數(shù)據(jù)采樣頻率和拉伸速率對抗拉強(qiáng)度的影響不明顯。自然時效時間對鋼筋的強(qiáng)屈比影響較大，隨著自然時效時間的延長，下屈服點(diǎn)下降，導(dǎo)致強(qiáng)屈比增大。

3 結(jié)論

(1)HRB600螺紋鋼筋的強(qiáng)屈比存在較大差異的主要原因是試樣的自然時效時間不同。隨著自然時效時間的延長，鋼筋的下屈服點(diǎn)下降，強(qiáng)屈比增大。自然時效96 h后，強(qiáng)屈比達(dá)到1.25以上，滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。HRB600螺紋鋼筋在室溫拉伸時，具有自然時效敏感性，對高強(qiáng)度或合金元素含量較高的產(chǎn)品，測試時應(yīng)考慮自然時效期的影響，以超過96 h為宜。

(2)試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)采樣頻率對鋼筋的下屈服點(diǎn)有一定的影響。數(shù)據(jù)采樣頻率為10 s-1時，下拐點(diǎn)處的數(shù)據(jù)點(diǎn)較稀疏，拐點(diǎn)曲線上的局部數(shù)據(jù)點(diǎn)未被采集到，導(dǎo)致下屈服點(diǎn)明顯升高而失真，但數(shù)據(jù)采樣頻率對抗拉強(qiáng)度的影響不明顯。對這種有特殊下屈服特征的材料，為減少試驗(yàn)誤差，試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)采樣頻率以不小于30 s-1為宜。

(3)鋼筋的下屈服點(diǎn)隨拉伸速率的增大而升高，但拉伸速率對抗拉強(qiáng)度的影響不明顯。為保證能準(zhǔn)確測定鋼筋的拉伸性能，根據(jù)GB/T 228.1—2010，拉伸速率在彈性段至屈服段應(yīng)為10～15 mm/min，在塑性段應(yīng)為75 mm/min。