拉伸速率及時效對HRB400熱軋帶肋鋼筋拉伸性能的影響①

張 楊， 黃 飛, 朱興江， 王 越， 徐 雁

(1．馬鞍山鋼鐵股份有限公司, 安徽 馬鞍山 243000；2.國家鋼鐵及制品質量監督檢驗中心， 安徽 馬鞍山 243000)

引 言

HRB400熱軋帶肋鋼筋廣泛應用于房屋、橋梁、道路等土建工程建設上，要求具有較高的強度、良好的塑性，屈服強度必須達到400 MPa以上。國家標準GB/T 228.1-2010中的拉伸性能檢測具有兩種方法，即方法A和方法B，受各方因素的影響，目前應用最廣泛的仍然是方法B，其拉伸控制速率在彈性段和屈服段都是一個范圍值，各檢驗機構可以在標準給定的速率范圍內隨機選擇不同的拉伸速率，這在一定程度上也會導致有些對速率敏感性的材料，選擇不同的拉伸速率時，出現檢測結果的不一致，特別是對于屈服強度和規定塑性延伸強度項目指標。同時，時效現象也是影響材料力學性能的重要因素，對于不同類型、不同狀態的金屬材料，時效有時是強化作用，有時是軟化作用。熱軋帶肋鋼筋產品出廠檢測時間與用戶的驗收或抽檢部門的抽查檢測，存在一定的時間間隔，有時可能達數月之久，產品不可避免將會產生時效，這往往會使出廠檢測結果與后續驗證檢驗結果之間存在一定的差異；因此，除了加強對生產工藝的控制和檢驗管理，有必要對拉伸速率及時效對熱軋帶肋鋼筋的拉伸性能影響規律進行系統的研究，提出更為可行的出廠檢驗規范。材料斷后伸長率測試的影響因素較多，一般不具備可比性，本文僅研究拉伸速率和時效對熱軋帶肋鋼筋強度指標的變化規律。

1 試驗材料及方法

選自某鋼廠生產的熱軋帶肋鋼筋，其牌號為HRB400，規格為Φ32,28,20,16,12 mm。

試驗分兩組進行：第一組，對5種規格的熱軋帶肋鋼筋依據GB/T 228.1-2010 B法在不同速率條件下進行拉伸試驗，具體方案如表1所示。第二組，取規格為Φ16 mm的鋼筋進行相同拉伸速率，不同時效處理方式后拉伸性能檢測，對比分析未時效(剛下生產線)與經過人工時效和自然時效后拉伸性能的變化規律，具體試驗方案如表2所示。

表1 不同拉伸速率條件下熱軋帶肋鋼筋試驗方案

表2 不同時效處理方式下熱軋帶肋鋼筋試驗方案

2 結果與討論

2.1 拉伸速率對鋼筋拉伸性能的影響

不同拉伸速率條件下，HRB400熱軋帶肋鋼筋的拉伸性能如表3所示。抗拉強度和屈服強度與拉伸控制方式的變化趨勢如圖1和圖2所示。

表3 不同控制方式下拉伸試驗結果

由圖1及表3可知，鋼筋的抗拉強度隨著控制速率的變化不明顯，抗拉強度最大值與最小值之間相差均小于7 MPa。進一步分析圖1可知，Φ12 mm所測得抗拉強度最大值是在控制方式④條件下得到的，Φ16,20,28,32 mm分別是在控制方式③，⑤，⑤，②下得到的；Φ12 mm所測得抗拉強度最小值是在控制方式②條件下的得到的，Φ16,20,28,32 mm分別是在控制方式④下得到最小值的，抗拉強度并未隨著控制速率的快慢發生明顯規律性變化，由此得出，抗拉強度對控制速率變化不敏感。分析認為，所選的HRB400熱軋鋼筋均具有良好的韌性和較細的晶粒，在屈服后至拉伸斷裂的過程中，都可以使晶粒充分變形后發生斷裂，所以抗拉強度對拉伸速率不敏感[1]。

圖1 抗拉強度與拉伸控制方式的關系圖

由圖2及表3可知，對于屈服強度，Φ12 mm所測的屈服強度最大值與最小值之間相差14MPa，利用GB/T 228.1-2010標準規定范圍的最快彈性段拉伸速率+最快屈服段拉伸速率，可以得出最高的屈服強度，相比較，屈服強度提高了3.4%，測試所得最小值和最大值在控制方式①和控制方式③條件下得到。仔細觀察圖2，可以發現，對比控制方式①和②，其彈性段的控制速率相同，而屈服段控制方式②相較控制方式①提高了10倍，其屈服強度提高了10 MPa，呈明顯上升；比較控制方式③和④測出的數據，屈服亦呈明顯變化。由此可知，對于規格為Φ12 mm，牌號為HRB400的熱軋帶肋鋼筋，屈服段拉伸速率上升，屈服強度上升較為明顯。相比較，控制方式②和③，其屈服段拉伸速率相同，而彈性段的拉伸速率提高了10倍，屈服強度并無明顯變化。比較控制方式①和④測出的數據，屈服強度亦無明顯變化。即，屈服強度的波動對于屈服段拉伸速率的變化較敏感，而對于彈性階段拉伸速率的變化不敏感，隨著彈性段應力速率的增加，屈服強度值變化不大，而隨著屈服段拉伸速率提高，屈服強度出現明顯上升。

圖2 屈服強度與拉伸控制方式的關系圖

對于規格Φ16～Φ32 mm鋼筋的結果，比較控制方式①和②，③和④，②和③， ①和④，其抗拉強度和屈服強度隨控制方式的變化規律呈現與Φ12 mm規格相類似的規律；在較低的屈服段速率范圍內，大規格HRB400熱軋帶肋鋼筋(Φ32 mm)屈服強度出現了低于400 MPa值，呈現出較大規格熱軋帶肋鋼筋的質量不穩定性。

分析認為，金屬材料實質上就是金屬晶粒按照一定結構的堆積，因而在力學拉伸試驗中，試樣開始屈服時，晶粒結構薄弱的局部區域首先產生塑性變形滑移帶，在某一應力作用下將這一滑移帶擴展到整個試樣，屈服點就是塑性變形起始的抗力，上屈服點相當于產生塑性變形滑移帶的形核應力，而下屈服點就相當于滑移帶生長擴展的應力。隨著屈服段拉伸速率的上升材料的屈服強度上升是因為在較高的應變速率條件下，材料組織中的位錯運動速率增加，位錯滑移界面的切應力增加，位錯滑移阻力增加，材料產生附加強化。

金屬材料屈服效應的形成機理是金屬在外力作用下，當外力較小時，發生彈性變形，當外力達到屈服應力后，發生不可回復的塑性變形，其中誘發塑性變形的原因就是金屬在外力(屈服應力)驅動下，金屬中位錯開始運動，任何一種金屬都有自己塑性變形的傳播速度，如果加載速度大于它本身的塑性傳播速度，必然是形變抗力即屈服點提高，因為加載速度太快，導致外力方向的晶面轉動不充分，滑移在整個試樣的生長擴展中就會受阻，在宏觀上表現為起始塑性變形抗力的提高。此外，隨著變形硬化的產生，自發消除硬化的回復無法進行，而形變硬化又會阻礙形變的繼續發展，因此，要達到所需的殘余形變，就必須繼續增加外力，這也表現為起始塑性變形抗力的提高，即屈服強度的上升[2-5]。

2.2 時效對鋼筋拉伸性能的影響

不同時效處理方式，相同拉伸速率條件下，規格為Φ16 mm，牌號為HRB400熱軋帶肋鋼筋拉伸性能如表4所示。其拉伸性能隨時效處理方式的變化如圖3和圖4所示。

表4 不同時效方式下拉伸試驗結果

圖3 抗拉強度與不同時效處理方式的關系圖

圖4 屈服強度與不同時效處理方式的關系圖

由圖3可知，對于Φ16 mm的HRB400鋼筋，經人工時效處理100 ℃×1 h后，時效前、后鋼筋的抗拉強度均為614 MPa，無變化；時效時間維持1 h不變，隨著時效溫度由100 ℃升至200 ℃，所測試樣的抗拉強度亦無明顯變化。自然時效10天和30天后，鋼筋的抗拉強度均無明顯變化，最大下降了4 MPa。由此可知，無論是人工時效或者自然時效，以及人工時效溫度的提高和自然時效時間的延長，其對鋼筋的抗拉強度影響不大。

由圖4可知，鋼筋的屈服強度經人工時效100 ℃×1 h處理后有明顯的下降，屈服強度由原來的426 MPa下降為414 MPa，下降了12 MPa，下降幅度為2.8%。隨著時效溫度由100 ℃提高到200 ℃，鋼筋的屈服強度下降至411 MPa，相比較，時效溫度的降低帶來的屈服強度降幅變化不大。自然時效10天后，屈服強度下降了10 MPa，隨著時效時間由10天延長至30天，屈服強度下降了8 MPa，降幅變化不明顯。

分析認為，時效導致鋼筋屈服強度下降主要是因為鋼筋內部殘余應力的釋放和晶體中內部點陣畸變程度下降[6-8]。從試驗結果來看，為考慮長時間自然時效對拉伸性能的不利影響，出廠檢驗時，可用200 ℃×1 h人工時效來模擬長時間自然時效。

3 結束語

(1)熱軋帶肋鋼筋的抗拉強度隨著拉伸速率的變化不明顯；屈服強度對于彈性段應變速率的變化不敏感，而對于屈服段的應變速率變化較敏感，隨著應變速率的增加，屈服強度提高。

(2)經時效處理后，鋼筋抗拉強度變化不明顯，屈服強度均具有不同幅度的下降，從試驗結果來看，用200 ℃×1 h模擬長時間自然時效比較合適。

(3)考慮到拉伸控制速率、時效兩方面的綜合影響，建議生產方在生產HRB400熱軋帶肋鋼筋時至少應留有約30 MPa以上的屈服強度余量，出廠檢驗應采用屈服段較慢的拉伸速率。