人工時效對HRB500鋼筋強度的影響研究

張朝輝

（福建省產品質量檢驗研究院，福建 福州350002）

在熱軋帶肋鋼筋的質量監督過程中，常常發現經企業自檢合格的鋼筋在質量抽查中發現屈服強度降低的現象，有時甚至低于標準的要求，出現不合格。有研究報導稱盤卷鋼筋自然時效后屈服強度呈下降趨勢，降幅可達30MPa，其自然時效一段時間后拉伸性能趨于穩定，時效周期長達180天[1,2]。而鋼筋出廠日期距生產日期的跨度只有15天至20天左右，大多未過時效期，即屈服強度值尚未達到穩定值，將進一步下降。監管部門對其實施質量監管過程中存在監管風險，也將給社會建筑工程造成安全隱患。

造成鋼筋強度降低的原因是鋼筋在放置過程中內應力發生了釋放、游離氮在自然待置階段泄出導致力學性能變化[1,2,3]。因此，有必要對熱軋帶肋鋼筋時效后的性能變化規律及機理開展系統的研究。

為保障鋼筋的使用安全，排除自然時效對屈服強度降低的質量隱患，文中結合自然時效機理，從時效溫度、保溫時間和冷卻方式等方面出發，研究與自然時效等效的人工時效工藝。

1 試驗方案

材料選用現工程中分別常用的HRB400和HRB500牌號，以及φ10mm和φ12mm規格的熱軋帶肋鋼筋。

自然時效時間節點為當天生產檢驗、3天、7天、14天、20天、30天、60天、90天，每個節點取5根長350mm的平行樣品進行拉伸試驗。人工時效采用10mm、12mm兩規格鋼筋進行研究，在生產當日分別取5根溫度（100℃、200℃、300℃和400℃），并分別保溫（0.5h、1h和2h）人工時效，人工時效冷卻方式采用空冷，人工時效后進行拉伸試驗。

拉伸試驗方法參照按GB/T 228.1-2010進行，拉伸速率全程20mm/min，試驗結束后記錄抗拉強度和屈服強度。試驗過程應確保在同一臺設備、同一人操作，避免人為和設備影響。

每個節點取力學試樣的同時，截取相應金相試樣進行金相試驗，并計算晶粒度和珠光體含量。

2 試驗結果

拉伸性能試驗采用新三思微機控制萬能材料試驗機，金相試驗采用蔡司金相顯微鏡，化學成分采用牛津直讀光譜分析儀。

樣品拉伸性能結果存在一定偏差波動，分析認為盤卷鋼筋生產工藝造成通條性能降低，同時鋼材性能的決定因素是鋼筋的組織結構，而鋼筋的組織又主要取決于煉鋼的化學成分和軋制生產工藝過程，由于鋼的成分存在著波動，及鋼組織結構的差異，導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效周期后，拉伸試驗抗拉強度和屈服強度試驗結果如圖1、圖2所示。從圖1和圖2可以看出，隨著自然時效周期的增長，鋼筋抗拉強度Rm未出現明顯變化，但屈服強度Rel出現不程度的下降，其中Φ12mm HRB400的鋼筋下降幅度高達10MPa。

圖1 HRB400鋼筋自然時效后抗拉強度和屈服強度

圖2 HRB500鋼筋自然時效后抗拉強度Rm和屈服強度Rel

表1 鋼筋化學成分 單位：%

3 結果分析

鋼筋生產工藝采用熱軋方式，熱軋實際為熱變性的過程。金屬在熱變形以后，由于有一定的溫度和一定的持續時間，會產生軟化過程。金屬原子依靠變形金屬具有的熱量作為動能恢復到穩定位置上去，部分恢復了熱變形所改變的力學性能，減弱或者消除了殘余應力。正是由于靜態恢復機制的作用，使得鋼筋時效前與時效后的力學性能指標值，呈現強度指標Rel下降的變化[4]。

3.1 時效對鋼筋屈服強度的影響

從表2中可以看出，屈服強度對時效過程最為敏感，即時效對屈服強度影響較大，其敏感因子均為負值，即屈服強度均出現下降。鋼筋的屈服現象，Cottrell首先用間隙型的溶質原子碳和位錯的交互作用，形成“柯氏氣團”來解釋[6]。拉伸試驗實際就是位錯滑移的過程，由刃型位錯的應力場可知，在滑移面以上，位錯中心區域為壓應力，滑移面以下為拉應力。若有間隙原子C、N存在，就會與位錯交互作用偏聚于刃型位錯的下方，以抵消部分的應力，從而使位錯的應變能降低，位錯趨向穩定不易運動，即對位錯移動有著“釘扎作用”。位錯用運動，必須在更大的應力作用下才能掙脫Cottrell氣團的釘扎而移動，這就形成了上屈服點，一旦掙脫之后位錯的運動就比較容易，因此有應力降落，出現下屈服點和水平臺。

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

表2 鋼筋自然時效前后的強度

3.2 時效對鋼筋抗拉強度的影響

從圖1和圖2中可以看出，鋼筋抗拉強度基本保持穩定，不會隨著時效周期的變化而變化。根據金屬學原理，金屬的塑性變形，首先是在哪些方位最適宜滑移的晶粒內部發生，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，造成足夠大的應力集中，促使鄰近晶粒的滑移面上的位錯發生變化，因而使那些原來不適于滑移的晶粒發生滑移[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。金屬的晶粒度越大，晶粒越細，金屬塑性變形抗力越大，也就是抗拉強度越高。

鋼筋一經軋制、冷卻后，其晶粒度基本上不會隨放置時間的變化而變化，因而其抗拉強度基本保持穩定。鋼筋時效過程的金相組織試驗結果如圖3和圖4所示，從圖中可以看出HRB400和HRB500鋼筋時效前后金相組織保持不變，芯部和表面均為鐵素體+珠光體。試驗發現時效前后鋼筋的晶粒度基本穩定，檢測結果見表3所示，從檢測數據可以看出，晶粒度大小直接反映出抗拉強度的高低，晶粒度大的鋼筋其抗拉強度值也較高。同時，鋼筋在時效前后晶粒度大小未發生較大變化，抗拉強度率值也基本穩定[7]。

圖3 HRB400鋼筋時效前后金相組織

圖4 HRB500鋼筋時效前后金相組織

表3 鋼筋自然時效前后的晶粒度

3.3 人工時效對鋼筋的影響

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

表4 Φ10mm鋼筋人工時效后的屈服強度

表5 Φ12mm鋼筋人工時效后的屈服強度

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因為人工時效是在一定溫度下進行，所以人工時效能為發生畸變的金屬原子提供一定的驅動力，結果是使能恢復到平衡位置金屬原子增多，所釋放的應力就更大，人工時效消除殘余應力比自然時效效率高得多。理論上，100℃時效3小時的人工時效，約相當于15℃時效9個月。從結果可以看出，HRB400規格Φ22mm鋼筋經人工后屈服強度均出現下降。不難看出，200℃時效溫度保溫10h人工時效后屈服強度較自然時效后又進一步下降了9MPa。但在同一溫度下，隨著時效保溫時間的增加，可持續為原子發生長距離擴散提供能量，進一步消除晶格畸變，降低殘余應力和位錯密度，從而使屈服強度也隨著進一步降低[8]。

因此，綜合上述研究結果，在產品質量監督過程以及生產企業出廠檢驗時，可采用200℃時效溫度保溫1h的人工時效工藝來達到自然時效的效果。降低工廠出廠檢驗與使用檢驗或監督檢驗之間差異。

4 結論

經時效后強度的試驗結果和分析，得到以下結論。

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

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

（3）結合自然時效后鋼筋的拉伸性能變化，可采用200℃時效溫度保溫1h的人工時效工藝來以達到自然時效的效果，降低工廠出廠檢驗與使用檢驗或監督檢驗之間差異。