Φ40 mm HRB500E 彎曲斷裂原因分析

馮紫萱，李 軻

（陜鋼集團漢中鋼鐵有限責任公司，陜西 勉縣 724200）

建筑用鋼在我國鋼材產品中占比最大，在基礎建設領域也發揮著重要作用，隨著市場需求的不斷提高，高強度、大規格建筑用鋼的生產也在不斷增加。HRB500E 具有強度高、塑性好、可焊性優良等優點[1]，某公司生產的Φ40 mm HRB500E 熱軋帶肋鋼筋，在進行彎曲試驗時發生了彎曲斷裂，為了避免類似的情況再次發生，有必要對Φ40 mm HRB500E 熱軋帶肋鋼筋彎曲斷裂原因進行分析。

1 試驗材料及方法

以某公司生產的Φ40 mm HRB500E 熱軋帶肋鋼筋彎曲斷裂試樣為試驗材料，分別采用直讀光譜儀、氧氮氫分析儀、金相顯微鏡、掃描電鏡和能譜儀等儀器，對試樣進行化學成分、氧氮氣體含量、微觀組織、非金屬夾雜物、斷口形貌和能譜分析，分析得出導致彎曲斷裂的主要原因。

2 理化檢驗

2.1 化學成分

在彎曲斷裂試樣上斷口的另一頭截取一小節約2 cm 高的試樣，用直讀光譜儀檢測，檢測結果如表1所示，符合國標GB/T 1499.2—2018 要求。

表1 彎曲試樣化學成分 %

2.2 氧氮含量

在彎曲斷裂試樣上用線切割機截取直徑5.5 mm長10 cm 的試樣，再經過打磨制樣成1.0 g 左右的試樣，用氧氮氫分析儀分析氧氮含量，檢測結果如表2所示，氮含量稍有偏高。

表2 彎曲試樣氧氮分析結果

2.3 金相檢驗

在彎曲斷裂試樣上用線切割機截取高約2.5 cm橫截面試樣，經過磨制拋光腐蝕，發現試樣心部有一處偏析，其顯微組織（如圖1、圖2）為網狀鐵素體+粗大珠光體，經測定珠光體含量為82.19%，試樣基體顯微組織為鐵素體+珠光體，經測定珠光體含量為47.84%。可以發現心部珠光體含量大約是基體珠光體含量的2 倍，而心部的珠光體含量也遠超過鐵碳相圖杠桿定律計算出的珠光體含量，從而可以得出試樣組織不均勻且珠光體含量超標的結論。

圖1 心部偏析

圖2 網狀鐵素體+粗大珠光體

截取縱截面，經磨制、拋光后，試樣縱截面存在硅酸鹽類夾雜物，級別為粗系2.0 級。

2.4 宏觀分析

截取試樣上的彎曲斷口，宏觀形貌如圖3 所示，斷口較為平整且為放射狀花樣，無明顯塑性變形，斷裂源靠近試樣表面處。

圖3 宏觀斷口

2.5 掃描電鏡及能譜分析

斷口用掃描電鏡觀察，斷裂源處形貌如下頁圖4、圖5，可見斷裂源處有一個顆粒物和很多韌窩，但此韌窩并不是典型的韌性斷裂特征，因為韌窩內有顆粒狀或條狀物質。用能譜分析顆粒物結果主要為硅錳酸鹽類夾雜物，韌窩內顆粒物能譜結果主要是硫化錳。裂紋擴展區經過觀察主要呈現出粗大的解理平面，為典型的解理斷裂特征。

圖4 斷裂源

圖5 韌窩

3 分析討論

據悉某公司在生產Φ40 mm HRB500E 熱軋帶肋鋼筋時，為了有效降低成本在加入了較少釩的同時增加了氮含量，根據文獻顯示[1-3]當氮含量較高時釩的析出強化和細晶強化作用提高，而析出強化和細晶強化對于屈服強度提升較為明顯，對于抗拉強度提升不太明顯，易造成強屈比降低。而彎曲斷裂試樣的氮含量（質量分數）為235×10-6，為了對比氮含量是否合適，筆者找來一些彎曲合格的試樣，通過檢測發現氮含量顯示平均值為160×10-6，筆者認為氮含量稍偏高是有效增加了屈服強度，但是卻同時降低了鋼材的塑韌性，因此氮含量偏高是造成彎曲斷裂的一方面原因。

另外彎曲斷裂試樣的心部存在偏析，偏析處顯微組織為網狀鐵素體和粗大珠光體，而正常微觀組織應該是均勻的鐵素體和珠光體。HRB500E 是亞共析鋼，根據相變規則，隨著溫度的降低，奧氏體晶界上首先析出鐵素體，再形成珠光體，如果冷速較快C 曲線右移，鐵素體析出量減少，珠光體較多，而珠光體是鐵素體和滲碳體的機械混合物，珠光體增多，鐵素體減少，則意味著強度增高，塑韌性降低。而較高的加熱溫度使奧氏體晶粒粗大，加之較大的冷卻速度等溫溫度較低，造成粗大的珠光體，并使鐵素體易呈網狀分布，網狀鐵素體的存在嚴重割裂了珠光體之間的相互作用，降低了鋼材的機械性能，易導致脆性斷裂[4-6]。

斷口掃描分析時發現硅錳酸鹽夾雜物和韌窩內硫化錳夾雜物，由于夾雜物與基體的結構不同、應力傳遞方式不同，當試樣受到外力作用時，由于夾雜物的存在破壞了基體的連續性，使應力在此集中萌生裂紋，形成裂紋源，由于粗大的珠光體和網狀鐵素體使鋼材強度增加韌性降低，使裂紋進一步擴展導致開裂[7]。

4 結論及建議

1）較高的氮含量、粗大的珠光體+網狀鐵素體和硅錳酸鹽、硫化錳夾雜物是導致Φ40 mm HRB500E熱軋帶肋鋼筋彎曲斷裂的主要原因；

2）建議在保證屈服強度的同時合理控制鑄坯中的氮含量；

3）建議在實際生產中適當降低鑄坯加熱溫度和軋后冷卻速度，減少粗大珠光體和網狀鐵素體的生成；

4）在澆注過程中減少鋼水波動保持穩定，合理調整吹氬參數，減少鋼內殘留的夾雜物。