張朝輝

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，福建 福州350002）

在熱軋帶肋鋼筋的質(zhì)量監(jiān)督過程中，常常發(fā)現(xiàn)經(jīng)企業(yè)自檢合格的鋼筋在質(zhì)量抽查中發(fā)現(xiàn)屈服強(qiáng)度降低的現(xiàn)象，有時(shí)甚至低于標(biāo)準(zhǔn)的要求，出現(xiàn)不合格。有研究報(bào)導(dǎo)稱盤卷鋼筋自然時(shí)效后屈服強(qiáng)度呈下降趨勢，降幅可達(dá)30MPa，其自然時(shí)效一段時(shí)間后拉伸性能趨于穩(wěn)定，時(shí)效周期長達(dá)180天[1,2]。而鋼筋出廠日期距生產(chǎn)日期的跨度只有15天至20天左右，大多未過時(shí)效期，即屈服強(qiáng)度值尚未達(dá)到穩(wěn)定值，將進(jìn)一步下降。監(jiān)管部門對其實(shí)施質(zhì)量監(jiān)管過程中存在監(jiān)管風(fēng)險(xiǎn)，也將給社會建筑工程造成安全隱患。

造成鋼筋強(qiáng)度降低的原因是鋼筋在放置過程中內(nèi)應(yīng)力發(fā)生了釋放、游離氮在自然待置階段泄出導(dǎo)致力學(xué)性能變化[1,2,3]。因此，有必要對熱軋帶肋鋼筋時(shí)效后的性能變化規(guī)律及機(jī)理開展系統(tǒng)的研究。

為保障鋼筋的使用安全，排除自然時(shí)效對屈服強(qiáng)度降低的質(zhì)量隱患，文中結(jié)合自然時(shí)效機(jī)理，從時(shí)效溫度、保溫時(shí)間和冷卻方式等方面出發(fā)，研究與自然時(shí)效等效的人工時(shí)效工藝。

1 試驗(yàn)方案

材料選用現(xiàn)工程中分別常用的HRB400和HRB500牌號，以及φ10mm和φ12mm規(guī)格的熱軋帶肋鋼筋。

自然時(shí)效時(shí)間節(jié)點(diǎn)為當(dāng)天生產(chǎn)檢驗(yàn)、3天、7天、14天、20天、30天、60天、90天，每個(gè)節(jié)點(diǎn)取5根長350mm的平行樣品進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。人工時(shí)效采用10mm、12mm兩規(guī)格鋼筋進(jìn)行研究，在生產(chǎn)當(dāng)日分別取5根溫度（100℃、200℃、300℃和400℃），并分別保溫（0.5h、1h和2h）人工時(shí)效，人工時(shí)效冷卻方式采用空冷，人工時(shí)效后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

拉伸試驗(yàn)方法參照按GB/T 228.1-2010進(jìn)行，拉伸速率全程20mm/min，試驗(yàn)結(jié)束后記錄抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。試驗(yàn)過程應(yīng)確保在同一臺設(shè)備、同一人操作，避免人為和設(shè)備影響。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)取力學(xué)試樣的同時(shí)，截取相應(yīng)金相試樣進(jìn)行金相試驗(yàn)，并計(jì)算晶粒度和珠光體含量。

2 試驗(yàn)結(jié)果

拉伸性能試驗(yàn)采用新三思微機(jī)控制萬能材料試驗(yàn)機(jī)，金相試驗(yàn)采用蔡司金相顯微鏡，化學(xué)成分采用牛津直讀光譜分析儀。

樣品拉伸性能結(jié)果存在一定偏差波動，分析認(rèn)為盤卷鋼筋生產(chǎn)工藝造成通條性能降低，同時(shí)鋼材性能的決定因素是鋼筋的組織結(jié)構(gòu)，而鋼筋的組織又主要取決于煉鋼的化學(xué)成分和軋制生產(chǎn)工藝過程，由于鋼的成分存在著波動，及鋼組織結(jié)構(gòu)的差異，導(dǎo)致同一軋制批號的鋼筋性能存在著輕微的波動。

不同牌號鋼筋在不同自然時(shí)效周期后，拉伸試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。從圖1和圖2可以看出，隨著自然時(shí)效周期的增長，鋼筋抗拉強(qiáng)度Rm未出現(xiàn)明顯變化，但屈服強(qiáng)度Rel出現(xiàn)不程度的下降，其中Φ12mm HRB400的鋼筋下降幅度高達(dá)10MPa。

圖1 HRB400鋼筋自然時(shí)效后抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度

圖2 HRB500鋼筋自然時(shí)效后抗拉強(qiáng)度Rm和屈服強(qiáng)度Rel

表1 鋼筋化學(xué)成分 單位：%

3 結(jié)果分析

鋼筋生產(chǎn)工藝采用熱軋方式，熱軋實(shí)際為熱變性的過程。金屬在熱變形以后，由于有一定的溫度和一定的持續(xù)時(shí)間，會產(chǎn)生軟化過程。金屬原子依靠變形金屬具有的熱量作為動能恢復(fù)到穩(wěn)定位置上去，部分恢復(fù)了熱變形所改變的力學(xué)性能，減弱或者消除了殘余應(yīng)力。正是由于靜態(tài)恢復(fù)機(jī)制的作用，使得鋼筋時(shí)效前與時(shí)效后的力學(xué)性能指標(biāo)值，呈現(xiàn)強(qiáng)度指標(biāo)Rel下降的變化[4]。

3.1 時(shí)效對鋼筋屈服強(qiáng)度的影響

從表2中可以看出，屈服強(qiáng)度對時(shí)效過程最為敏感，即時(shí)效對屈服強(qiáng)度影響較大，其敏感因子均為負(fù)值，即屈服強(qiáng)度均出現(xiàn)下降。鋼筋的屈服現(xiàn)象，Cottrell首先用間隙型的溶質(zhì)原子碳和位錯(cuò)的交互作用，形成“柯氏氣團(tuán)”來解釋[6]。拉伸試驗(yàn)實(shí)際就是位錯(cuò)滑移的過程，由刃型位錯(cuò)的應(yīng)力場可知，在滑移面以上，位錯(cuò)中心區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力，滑移面以下為拉應(yīng)力。若有間隙原子C、N存在，就會與位錯(cuò)交互作用偏聚于刃型位錯(cuò)的下方，以抵消部分的應(yīng)力，從而使位錯(cuò)的應(yīng)變能降低，位錯(cuò)趨向穩(wěn)定不易運(yùn)動，即對位錯(cuò)移動有著“釘扎作用”。位錯(cuò)用運(yùn)動，必須在更大的應(yīng)力作用下才能掙脫Cottrell氣團(tuán)的釘扎而移動，這就形成了上屈服點(diǎn)，一旦掙脫之后位錯(cuò)的運(yùn)動就比較容易，因此有應(yīng)力降落，出現(xiàn)下屈服點(diǎn)和水平臺。

鋼筋在軋制、冷卻過程中溶質(zhì)原子C、N過飽和狀態(tài)，同時(shí)塑性變形中形成大量如空位、位錯(cuò)等點(diǎn)陣缺陷，引起大量的點(diǎn)陣畸變，產(chǎn)生殘余應(yīng)力。溶質(zhì)原子在固溶體中處于過飽和狀態(tài)，產(chǎn)生壓應(yīng)力為主的殘余應(yīng)力，在塑性變形時(shí)形成的高密度位錯(cuò)中能起到釘扎作用，提高鋼筋的屈服強(qiáng)度。熱軋鋼筋殘余應(yīng)力集中表現(xiàn)為壓應(yīng)力，規(guī)格越大，其殘余應(yīng)力也越大，時(shí)效后殘余壓應(yīng)力釋放，出現(xiàn)下降。鋼筋軋制變形過程中儲存的能量絕大部分（80%～90%）用于形成點(diǎn)陣畸變。這部分能力使鋼筋處于熱力學(xué)不穩(wěn)定的狀態(tài)，會自發(fā)恢復(fù)到熱力學(xué)自由焓最低的穩(wěn)定狀態(tài)，即自然時(shí)效到一定時(shí)間后，鋼筋強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定。從圖1和圖2可以看出，鋼筋在自然時(shí)效周期達(dá)到20天時(shí)，屈服強(qiáng)度不再下降，趨于穩(wěn)定。

表2 鋼筋自然時(shí)效前后的強(qiáng)度

3.2 時(shí)效對鋼筋抗拉強(qiáng)度的影響

從圖1和圖2中可以看出，鋼筋抗拉強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定，不會隨著時(shí)效周期的變化而變化。根據(jù)金屬學(xué)原理，金屬的塑性變形，首先是在哪些方位最適宜滑移的晶粒內(nèi)部發(fā)生，而這些晶粒的滑移由于不同方位的鄰近晶粒的阻礙，在晶界處堆積，造成足夠大的應(yīng)力集中，促使鄰近晶粒的滑移面上的位錯(cuò)發(fā)生變化，因而使那些原來不適于滑移的晶粒發(fā)生滑移[6]。金屬的塑性變形從某種程度上說就是晶粒漸次滑移的過程。由此可知，在組織一致的情況下，金屬的塑性變形的抗力，主要與金屬的晶粒大小有關(guān)。金屬的晶粒度越大，晶粒越細(xì)，金屬塑性變形抗力越大，也就是抗拉強(qiáng)度越高。

鋼筋一經(jīng)軋制、冷卻后，其晶粒度基本上不會隨放置時(shí)間的變化而變化，因而其抗拉強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定。鋼筋時(shí)效過程的金相組織試驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示，從圖中可以看出HRB400和HRB500鋼筋時(shí)效前后金相組織保持不變，芯部和表面均為鐵素體+珠光體。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)時(shí)效前后鋼筋的晶粒度基本穩(wěn)定，檢測結(jié)果見表3所示，從檢測數(shù)據(jù)可以看出，晶粒度大小直接反映出抗拉強(qiáng)度的高低，晶粒度大的鋼筋其抗拉強(qiáng)度值也較高。同時(shí)，鋼筋在時(shí)效前后晶粒度大小未發(fā)生較大變化，抗拉強(qiáng)度率值也基本穩(wěn)定[7]。

圖3 HRB400鋼筋時(shí)效前后金相組織

圖4 HRB500鋼筋時(shí)效前后金相組織

表3 鋼筋自然時(shí)效前后的晶粒度

3.3 人工時(shí)效對鋼筋的影響

人為加熱到一定溫度加速時(shí)效的過程，縮短時(shí)效周期，這種人工模擬時(shí)效的方法稱為人工時(shí)效。選用了規(guī)格10mm和12mm，高牌號HRB500的鋼筋作為研究對象。時(shí)效溫度分別為100℃、200℃、300℃和400℃，保溫時(shí)間分別為0.5h、1h和2h。時(shí)效保溫后采用空冷方式進(jìn)行。時(shí)效后采用與自然時(shí)效同樣試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)方法進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，不同溫度和規(guī)格人工時(shí)效后屈服強(qiáng)度結(jié)果見表4和表5所示。從表中可以看出，人工時(shí)效后出現(xiàn)屈服強(qiáng)度降低。

表4 Φ10mm鋼筋人工時(shí)效后的屈服強(qiáng)度

表5 Φ12mm鋼筋人工時(shí)效后的屈服強(qiáng)度

?

因?yàn)槿斯r(shí)效是在一定溫度下進(jìn)行，所以人工時(shí)效能為發(fā)生畸變的金屬原子提供一定的驅(qū)動力，結(jié)果是使能恢復(fù)到平衡位置金屬原子增多，所釋放的應(yīng)力就更大，人工時(shí)效消除殘余應(yīng)力比自然時(shí)效效率高得多。理論上，100℃時(shí)效3小時(shí)的人工時(shí)效，約相當(dāng)于15℃時(shí)效9個(gè)月。從結(jié)果可以看出，HRB400規(guī)格Φ22mm鋼筋經(jīng)人工后屈服強(qiáng)度均出現(xiàn)下降。不難看出，200℃時(shí)效溫度保溫10h人工時(shí)效后屈服強(qiáng)度較自然時(shí)效后又進(jìn)一步下降了9MPa。但在同一溫度下，隨著時(shí)效保溫時(shí)間的增加，可持續(xù)為原子發(fā)生長距離擴(kuò)散提供能量，進(jìn)一步消除晶格畸變，降低殘余應(yīng)力和位錯(cuò)密度，從而使屈服強(qiáng)度也隨著進(jìn)一步降低[8]。

因此，綜合上述研究結(jié)果，在產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督過程以及生產(chǎn)企業(yè)出廠檢驗(yàn)時(shí)，可采用200℃時(shí)效溫度保溫1h的人工時(shí)效工藝來達(dá)到自然時(shí)效的效果。降低工廠出廠檢驗(yàn)與使用檢驗(yàn)或監(jiān)督檢驗(yàn)之間差異。

4 結(jié)論

經(jīng)時(shí)效后強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果和分析，得到以下結(jié)論。

（1）熱軋帶肋鋼筋在自然時(shí)效20天后強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定。時(shí)效過程組織及晶粒度均未發(fā)生變化，強(qiáng)度變化的趨勢是屈服強(qiáng)度有不同程度的下降，下降幅度可達(dá)10MPa，抗拉強(qiáng)度基本穩(wěn)定。

（2）人工時(shí)效后拉伸性能的變化趨勢與自然時(shí)效后拉伸性能的變化趨勢相同，可在一定溫度下的人工時(shí)效模擬自然時(shí)效過程，有效加快時(shí)效進(jìn)程。

（3）結(jié)合自然時(shí)效后鋼筋的拉伸性能變化，可采用200℃時(shí)效溫度保溫1h的人工時(shí)效工藝來以達(dá)到自然時(shí)效的效果，降低工廠出廠檢驗(yàn)與使用檢驗(yàn)或監(jiān)督檢驗(yàn)之間差異。