影響HRB600 強屈比因素分析

常曉瑾，周慶輝，呂 磊

（陜鋼集團漢中鋼鐵有限責任公司，陜西 勉縣 724200）

0 引言

HRB600 級高強鋼筋是目前強度最高的螺紋鋼筋，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，強度更高、安全性剛好，用量更少，可分別節約用鋼量44.4%和19.5%，是一種綠色環保型鋼筋，具有極大的推廣價值和應用價值。

強屈比是指鋼筋的抗震性能，由鋼筋的抗拉強度實測值和屈服強度實測值的比值得來，反應了鋼材的強度儲備。強屈比越大，鋼材受力超過屈服點工作時的可靠性就越大，建筑結構安全性就越高。在我國抗震鋼筋強屈比要求大于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，并根據陜西集團漢中鋼鐵有限責任公司（全文簡稱漢鋼公司）HRB600 試驗數據，對影響鋼筋抗屈比因素進行了分析研究，以指導漢鋼公司產品的生產和檢驗。

1 影響HRB600 強屈比的因素分析

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

1.1 合金成分的影響

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

當材料由較軟基體相和較硬的硬化項組成，屈服強度主要取決于基體相中軟項的屈服強度時，強屈比：

式中：fH為硬化相體積分數；ReB為基體相的屈服強度；RmH和RmB為硬化相和基體相的抗拉強度。

由此可判斷可通過提高硬化相比例，提高屈比，鋼筋生產過程中即生產過程中提高珠光體含量有利于提升強屈比。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變溫度，提高了鋼的淬透性，有利于珠光體含量的提升。適當提高加熱溫度和開軋溫度會使晶粒粗化，降低細晶強化對強屈比的影響。

1.3 鋼材時效的影響

鋼材時效主要由鋼中的C、N 間隙原子引起，經過形變，鋼材位錯密度增加，時效后，α-Fe 中的碳、氮原子與位錯之間發生彈性交互作用，形成柯氏氣團，引起時效性能改變。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、冷卻過程中會產生殘余應力，隨著時間推移鋼筋內部殘余應力逐漸釋放，原子間距逐漸趨于穩定，但時效過程中金相組織未發生變化，所以時效作用會明顯降低屈服強度，但對抗拉強度無明顯影響，鋼材強屈比就會呈上升趨勢。

2 試驗數據分析與討論

2.1 工藝流程

工藝流程：鐵水+廢鋼→120 t 轉爐→脫氧合金化→八機八流連鑄機→加熱爐→軋線→打包→出庫。

2.2 試驗鋼的成分設計與制備

鋼筋的化學成分和工藝參數決定了鋼筋的力學性能，漢鋼公司HRB600 試驗生產過程中，為探究合金元素與鋼材性能的關系，本次試驗設計了4 種化學成分，表1 為具體試驗生產數據。A1 為純釩氮微合金化工藝；A2 在A1 基礎上提高了0.010%的w（Nb）；A3在A2 基礎上降低了0.003%的w（V），提高了0.005%的w（Nb）；A4 則在A3 基礎上提高了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，經連續式軋機軋制，上冷床溫度為930～980 ℃，最終得到Φ22 mm 規格螺紋鋼。

表1 HRB600 試驗成分、性能

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

2.3 金相組織結果

在實踐生產過程中，軋鋼溫度控制變化不大，所以金相組織主要和成分有關。選取了生產各個階段的鋼筋，試樣經磨拋、4%硝酸酒精腐蝕，用光學顯微鏡進行金相顯微組織分析，發現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，經過成分調整后，珠光體含量明顯增加。A1 珠光體含量（體積分數，下同）為46.68%，A4 珠光體含量為55.21%。圖1 為A1 放大100 倍和500 倍時的金相顯微組織，圖2 為A4 放大100 倍和500 倍時的金相顯微組織。

圖1 A1 放大的金相顯微組織

圖2 A4 放大時的金相顯微組織

3 鋼材時效情況

在HRB600 鋼筋檢驗過程中，隨機選取了部分批次鋼筋做了15 d 自然時效性能檢測，試驗數據結果表明，自然時效對鋼筋的強屈比影響較大，時效后鋼材屈服強度明顯降低，平均降低7.7 MPa，但抗拉強度卻無明顯變化，平均波動2 MPa 以內，以致于強屈比得到了一定幅度的提升。表2 為試驗批次時效性能結果對比情況。

表2 HRB600 時效前后強屈比對比

4 結論

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屈比，鈮的作用最為明顯，在HRB600 鋼筋中生產中添加微量的鈮元素，強屈比可以得到大幅度的提高。

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

3）經過時效過后，屈服強度較抗拉強度降低明顯，強屈比明顯提升。