常曉瑾，周慶輝，呂 磊

（陜鋼集團(tuán)漢中鋼鐵有限責(zé)任公司，陜西 勉縣 724200）

0 引言

HRB600 級高強(qiáng)鋼筋是目前強(qiáng)度最高的螺紋鋼筋，具有良好的塑性、韌性，吸收地震能量及加工成型的要求，與目前主要使用的HRB400、HRB500 級鋼筋相比，強(qiáng)度更高、安全性剛好，用量更少，可分別節(jié)約用鋼量44.4%和19.5%，是一種綠色環(huán)保型鋼筋，具有極大的推廣價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

強(qiáng)屈比是指鋼筋的抗震性能，由鋼筋的抗拉強(qiáng)度實(shí)測值和屈服強(qiáng)度實(shí)測值的比值得來，反應(yīng)了鋼材的強(qiáng)度儲備。強(qiáng)屈比越大，鋼材受力超過屈服點(diǎn)工作時(shí)的可靠性就越大，建筑結(jié)構(gòu)安全性就越高。在我國抗震鋼筋強(qiáng)屈比要求大于1.25，以保證縱向鋼筋具有一定的延性。本文以HRB600 為研究對象，并根據(jù)陜西集團(tuán)漢中鋼鐵有限責(zé)任公司（全文簡稱漢鋼公司）HRB600 試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對影響鋼筋抗屈比因素進(jìn)行了分析研究，以指導(dǎo)漢鋼公司產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢驗(yàn)。

1 影響HRB600 強(qiáng)屈比的因素分析

強(qiáng)屈比是抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的比值，其中任何一個(gè)變量的變化都可能引起強(qiáng)屈比的變化。大多情況下，隨著屈服強(qiáng)度的上升，抗拉強(qiáng)度也隨之上升，但兩者上升速度卻差異較大，若屈服強(qiáng)度上升速度大于抗拉強(qiáng)度速度，強(qiáng)屈比將會降低。實(shí)踐表明，隨著鋼筋強(qiáng)度等級的增加，強(qiáng)屈比指標(biāo)逐漸降低，主要原因在于屈服強(qiáng)度上升速度要慢于抗拉強(qiáng)度上升速度[1]。隨著漢鋼公司HRB600 的開發(fā)和應(yīng)用，在HRB600 強(qiáng)屈比提升方面做了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究和分析，發(fā)現(xiàn)影響鋼筋強(qiáng)屈比的因素主要包括合金成分、加熱溫度、顯微組織、鋼材時(shí)效等。

1.1 合金成分的影響

不同元素的作用機(jī)理不同，對鋼筋的強(qiáng)化方式不同，所以熔煉成分的差異和波動對屈強(qiáng)比有一定影響。C 能通過固溶強(qiáng)化顯著提高抗拉強(qiáng)度，有利于提高強(qiáng)屈比。實(shí)際生產(chǎn)過程中w（C）控制在0.24%～0.28%之間；Si 雖然也是一種固溶元素，可溶于鐵素體和奧氏體中，提高鋼的強(qiáng)度和硬度，但同時(shí)也會提高鋼的彈性極限和屈服極限，導(dǎo)致強(qiáng)屈比降低；Mn 溶入鐵素體引起固溶強(qiáng)化提高熱軋鋼筋的強(qiáng)度和硬度，并使鋼材在冷軋后冷卻時(shí)得到比較細(xì)且強(qiáng)度較高的珠光體，有利于強(qiáng)屈比的提高，但由于提高了淬透性和降低了馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度，對焊接性能不利；V 是鋼筋生產(chǎn)中一種重要的微合金強(qiáng)化元素，V 可以促進(jìn)V（C，N）化合物的析出，抑制奧氏體和鐵素體晶粒的長大，具有較強(qiáng)的析出強(qiáng)化與細(xì)晶強(qiáng)化作用，可顯著提高鋼筋的強(qiáng)度，研究表明V 含量過高對屈服強(qiáng)度的提升會超出對抗拉強(qiáng)度的提升，所以單一釩微合金化高強(qiáng)抗震鋼筋實(shí)際生產(chǎn)過程中強(qiáng)屈比不合的情況大多發(fā)生于屈服強(qiáng)度較高的批次；N 可以促進(jìn)鋼中碳氮化合物的形成，顯著提高鋼筋強(qiáng)度，可以明顯減少V 的使用并降低生產(chǎn)成本，但是隨著N 含量的升高，鋼筋時(shí)效敏感性增加；Nb 在鋼中一方面偏聚在奧氏體晶界，降低晶界能，抑制再結(jié)晶。另一方面Nb 與C、N 元素結(jié)合形成Nb（C，N）析出，釘扎奧氏體晶界，抑制晶粒長大[2]。

1.2 顯微組織的影響

當(dāng)材料由較軟基體相和較硬的硬化項(xiàng)組成，屈服強(qiáng)度主要取決于基體相中軟項(xiàng)的屈服強(qiáng)度時(shí)，強(qiáng)屈比：

式中：fH為硬化相體積分?jǐn)?shù)；ReB為基體相的屈服強(qiáng)度；RmH和RmB為硬化相和基體相的抗拉強(qiáng)度。

由此可判斷可通過提高硬化相比例，提高屈比，鋼筋生產(chǎn)過程中即生產(chǎn)過程中提高珠光體含量有利于提升強(qiáng)屈比。亞共析鋼中，隨碳含量的升高，珠光體相對含量增加；Mn、Nb 等元素降低了奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，提高了鋼的淬透性，有利于珠光體含量的提升。適當(dāng)提高加熱溫度和開軋溫度會使晶粒粗化，降低細(xì)晶強(qiáng)化對強(qiáng)屈比的影響。

1.3 鋼材時(shí)效的影響

鋼材時(shí)效主要由鋼中的C、N 間隙原子引起，經(jīng)過形變，鋼材位錯(cuò)密度增加，時(shí)效后，α-Fe 中的碳、氮原子與位錯(cuò)之間發(fā)生彈性交互作用，形成柯氏氣團(tuán)，引起時(shí)效性能改變。金屬材料的彈性極限主要取決于原子的間距，熱軋帶肋鋼筋在軋制、冷卻過程中會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，隨著時(shí)間推移鋼筋內(nèi)部殘余應(yīng)力逐漸釋放，原子間距逐漸趨于穩(wěn)定，但時(shí)效過程中金相組織未發(fā)生變化，所以時(shí)效作用會明顯降低屈服強(qiáng)度，但對抗拉強(qiáng)度無明顯影響，鋼材強(qiáng)屈比就會呈上升趨勢。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與討論

2.1 工藝流程

工藝流程：鐵水+廢鋼→120 t 轉(zhuǎn)爐→脫氧合金化→八機(jī)八流連鑄機(jī)→加熱爐→軋線→打包→出庫。

2.2 試驗(yàn)鋼的成分設(shè)計(jì)與制備

鋼筋的化學(xué)成分和工藝參數(shù)決定了鋼筋的力學(xué)性能，漢鋼公司HRB600 試驗(yàn)生產(chǎn)過程中，為探究合金元素與鋼材性能的關(guān)系，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4 種化學(xué)成分，表1 為具體試驗(yàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。A1 為純釩氮微合金化工藝；A2 在A1 基礎(chǔ)上提高了0.010%的w（Nb）；A3在A2 基礎(chǔ)上降低了0.003%的w（V），提高了0.005%的w（Nb）；A4 則在A3 基礎(chǔ)上提高了0.05%的w（Mn），降低了0.10%的w（Si）和0.005%的w（V），采用蓄熱式加熱爐加熱至1 100 ℃±50 ℃，保溫50 min，經(jīng)連續(xù)式軋機(jī)軋制，上冷床溫度為930～980 ℃，最終得到Φ22 mm 規(guī)格螺紋鋼。

表1 HRB600 試驗(yàn)成分、性能

通過實(shí)驗(yàn)樣對比可以看出，A2、A3 使用鈮釩復(fù)合進(jìn)行微合金化較A1 單純使用釩微合金化，鋼材強(qiáng)屈比明顯提升，說明釩鋼中加鈮可以有效提高鋼材強(qiáng)屈比；對比A3、A4 試樣，降低了釩或硅的成分后，屈服強(qiáng)度降幅明顯大于抗拉強(qiáng)度降幅，強(qiáng)屈比反而得到了提升。

2.3 金相組織結(jié)果

在實(shí)踐生產(chǎn)過程中，軋鋼溫度控制變化不大，所以金相組織主要和成分有關(guān)。選取了生產(chǎn)各個(gè)階段的鋼筋，試樣經(jīng)磨拋、4%硝酸酒精腐蝕，用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相顯微組織分析，發(fā)現(xiàn)基體組織都為鐵素體+珠光體，晶粒度約10.0～11.0 級，但珠光體含量有一定波動，經(jīng)過成分調(diào)整后，珠光體含量明顯增加。A1 珠光體含量（體積分?jǐn)?shù)，下同）為46.68%，A4 珠光體含量為55.21%。圖1 為A1 放大100 倍和500 倍時(shí)的金相顯微組織，圖2 為A4 放大100 倍和500 倍時(shí)的金相顯微組織。

圖1 A1 放大的金相顯微組織

圖2 A4 放大時(shí)的金相顯微組織

3 鋼材時(shí)效情況

在HRB600 鋼筋檢驗(yàn)過程中，隨機(jī)選取了部分批次鋼筋做了15 d 自然時(shí)效性能檢測，試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，自然時(shí)效對鋼筋的強(qiáng)屈比影響較大，時(shí)效后鋼材屈服強(qiáng)度明顯降低，平均降低7.7 MPa，但抗拉強(qiáng)度卻無明顯變化，平均波動2 MPa 以內(nèi)，以致于強(qiáng)屈比得到了一定幅度的提升。表2 為試驗(yàn)批次時(shí)效性能結(jié)果對比情況。

表2 HRB600 時(shí)效前后強(qiáng)屈比對比

4 結(jié)論

1）鈮、錳等元素能提高鋼的淬透性，有利于增升提高珠光體含量和提高強(qiáng)屈比，鈮的作用最為明顯，在HRB600 鋼筋中生產(chǎn)中添加微量的鈮元素，強(qiáng)屈比可以得到大幅度的提高。

2）組織和析出相對HRB600 強(qiáng)屈比影響較為明顯，提高珠光體含量，鋼筋的強(qiáng)屈比得到了顯著的提升。

3）經(jīng)過時(shí)效過后，屈服強(qiáng)度較抗拉強(qiáng)度降低明顯，強(qiáng)屈比明顯提升。