高強(qiáng)鋼筋力學(xué)性能與組織的影響

最近，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、工業(yè)和信息化部聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加快應(yīng)用高強(qiáng)度鋼筋的指導(dǎo)意見》，以下簡(jiǎn)稱“指導(dǎo)意見”。應(yīng)加快并應(yīng)用部級(jí)螺釘300mm，積極推廣500mm。這是因?yàn)殇摬牡那鼜?qiáng)比越小,則結(jié)構(gòu)的可靠性越低。低屈強(qiáng)比在提高建筑結(jié)構(gòu)地震時(shí)吸收能量上是個(gè)必要的條件。隨著我國(guó)高層建筑的增多以及高層結(jié)構(gòu)對(duì)高強(qiáng)抗震鋼筋越來越多的要求,低屈強(qiáng)比建筑用螺紋鋼的開發(fā)與應(yīng)用逐步受到了大家的重視,其中,微合金化法、控制軋制和控制冷卻法、熱處理等被認(rèn)為是提高鋼筋綜合性能的有效手段,控制軋制和控制冷卻法被認(rèn)為是其中最為有效和合理的手段。本文研究控制軋制和控制冷卻工藝參數(shù)對(duì)螺紋鋼力學(xué)性能與顯微組織的影響,為高強(qiáng)抗震鋼筋的開發(fā)與生產(chǎn)提供必要的參考。1試驗(yàn)和模擬試驗(yàn)試驗(yàn)用鋼為市場(chǎng)上常見的低碳鋼,鑄坯為某公司提供的150mm×200mm×250mm的鋼坯鑄錠,然后在軋制技術(shù)與連軋國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室進(jìn)行控制軋制與控制冷卻處理。試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分w(%)為:0.17C、0.35Si、1.24Mn、0.005S、0.008P、0.017Nb,余量為Fe。在MMS-300型熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了模擬試驗(yàn),試樣樣品的尺寸為準(zhǔn)10mm×15mm,在準(zhǔn)500mm×500mm二輥可逆式試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行軋制工藝的研究,鋼坯的加熱溫度為1100~1200℃,最大軋制力為5000kN,其中道次變形量大于16%,總變形量控制在45%~70%之間。拉伸力學(xué)性能測(cè)試在MTS-810型電子萬能拉伸機(jī)上進(jìn)行,拉伸速度為1.5mm/min;采用ZEISS-3型金相顯微鏡觀察不同狀態(tài)下的金相組織,并測(cè)量其平均晶粒尺寸和鐵素體含量;采用TecnaiG220型透射電鏡觀察不同狀態(tài)試樣的位錯(cuò)組態(tài)和微觀組織形貌。2結(jié)果與分析2.1a.n值b圖1為不同精軋溫度區(qū)間對(duì)螺紋鋼力學(xué)性能的影響曲線?？梢钥闯?隨著精軋溫度區(qū)間的降低,螺紋鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比值都呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。當(dāng)精軋溫度區(qū)間在1000~864℃時(shí),螺紋鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比值分別為556MPa、400MPa和0.72;當(dāng)精軋溫度區(qū)間在950~842℃時(shí),螺紋鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比值分別為560MPa、412MPa和0.74;當(dāng)精軋溫度區(qū)間在928~820℃時(shí),螺紋鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比值分別為592MPa、452MPa和0.76。這主要是因?yàn)殡S著精軋溫度區(qū)間的降低,使得形變奧氏體中產(chǎn)生了較多的變形帶,螺紋鋼中具有較多的形變儲(chǔ)存能,在隨后的冷卻過程中將產(chǎn)生具有位錯(cuò)強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化作用的納米級(jí)顆粒產(chǎn)生,從而提高螺紋鋼的強(qiáng)度,雖然抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度都會(huì)增加,但是屈服強(qiáng)度的上升幅度明顯高于抗拉強(qiáng)度,從而使得屈強(qiáng)比上升。因此,在精軋過程中,提高精軋溫度區(qū)間是降低螺紋鋼屈強(qiáng)比的一個(gè)有效方法。2.2上升幅度減緩圖2為不同冷卻速度對(duì)螺紋鋼力學(xué)性能的影響?？梢钥闯?隨著冷卻速度的逐漸增加,螺紋鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比逐漸增加。尤其是當(dāng)冷卻速度從5℃/s上升至40℃/s過程中,上升幅度較為明顯;之后在冷卻速度從40℃/s上升至65℃/s過程中,上升幅度減緩。當(dāng)冷卻速度為5℃/s時(shí),螺紋鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比值分別為610MPa、450MPa和0.74;當(dāng)冷卻速度為40℃/s時(shí),螺紋鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比值分別為720MPa、560MPa和0.78;而當(dāng)冷卻速度為65℃/s時(shí),螺紋鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比值分別為730MPa、615MPa和0.84。這主要是因?yàn)樵诶鋮s速度較低的情況下,螺紋鋼的組織主要以鐵素體+珠光體為主,而隨著冷卻速度的增加,組織逐漸過渡為含有貝氏體和馬氏體的金相組織,這些相的硬度相對(duì)較高,因此試驗(yàn)用鋼的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度逐漸升高。但是如果冷卻速度過大,會(huì)改變螺紋鋼中軟硬相的比例,從而使得屈強(qiáng)比增加至一個(gè)較高的水平。綜合而言,為了獲得高強(qiáng)低屈強(qiáng)比的鋼材,冷卻速度不應(yīng)太大。2.3服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比值圖3為不同冷卻速度對(duì)螺紋鋼力學(xué)性能的影響?？梢钥闯?隨著終冷溫度的升高,螺紋鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比逐漸降低。當(dāng)終冷溫度為570℃時(shí),螺紋鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比值分別為660MPa、580MPa和0.88;當(dāng)終冷溫度為660℃時(shí),螺紋鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比值分別為645MPa、510MPa和0.79。這主要是因?yàn)楫?dāng)終冷溫度從較高的溫度降低為較低的溫度過程中,螺紋鋼的金相組織已經(jīng)由鐵素體+珠光體組織轉(zhuǎn)變?yōu)楹需F素體+貝氏體組成的組織,螺紋鋼中的硬相和軟相的組成和比例發(fā)生了較大變化,這些將直接影響螺紋鋼的強(qiáng)度和屈強(qiáng)比。由圖3可知,隨著終冷溫度的降低,螺紋鋼屈服強(qiáng)度的降低幅度大于抗拉強(qiáng)度的降低幅度,因此屈強(qiáng)比會(huì)升高。2.4冷待冷卻對(duì)螺紋鋼晶粒尺寸的影響表1為螺紋鋼軋制后不同冷待溫度對(duì)螺紋鋼力學(xué)性能的影響測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?隨著軋后冷待溫度的降低,螺紋鋼的屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和屈強(qiáng)比逐漸降低,而抗拉強(qiáng)度的變化呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)。當(dāng)軋后冷待溫度為760℃時(shí),抗拉強(qiáng)度有所上升,繼續(xù)將冷待溫度降低至720℃時(shí),抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)了較大幅度的降低。整體來看,雖然C組鋼的屈強(qiáng)比在一個(gè)較低的水平,但是卻是以犧牲強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)的,在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)該避免;而當(dāng)冷待溫度在760℃時(shí),螺紋鋼取得了較好的綜合力學(xué)性能。因此,控制軋后冷待溫度在一個(gè)合理范圍,也是提高螺紋鋼強(qiáng)度、降低屈強(qiáng)比的一個(gè)有效方法。圖4為三種軋后冷待制度下的螺紋鋼的晶粒尺寸測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?當(dāng)終軋后直接快速冷卻處理后,螺紋鋼的靜尺寸分布較為不均勻,且尺寸在6μm以下的晶粒占有很大比例,約為35%;當(dāng)軋后冷待至760℃時(shí),螺紋鋼中的晶粒尺寸有一定程度的長(zhǎng)大,尺寸分布也相對(duì)均勻,基本都介于6~9μm之間;當(dāng)軋后冷待至720℃時(shí),組織中出現(xiàn)了尺寸較大的晶粒,且平均晶粒尺寸也增大,其中尺寸在9μm以上的晶粒占到了50%以上。這是因?yàn)樵谲堉坪笾苯涌炖鋾r(shí),保留了較多的畸變能,從而使得形核率增加,晶粒組織得到細(xì)化;而如果軋制后在較高的溫度停留,則會(huì)在一定程度上釋放掉存儲(chǔ)能,從而使得晶粒尺寸變大。根據(jù)霍爾佩奇公式可知,屈服強(qiáng)度的大小與晶粒直徑的平方根成線性關(guān)系,所以當(dāng)軋后待冷溫度變化時(shí),隨著晶粒尺寸增大,螺紋鋼的屈服強(qiáng)度降低。當(dāng)終軋后直接進(jìn)行冷卻處理時(shí),由于過冷度較大,熱變形過程中的位錯(cuò)被保留下來,且位錯(cuò)線的密度較大,呈現(xiàn)出各向異性;當(dāng)終軋后冷待至760℃,然后再進(jìn)行冷卻處理后,螺紋鋼中的位錯(cuò)密度有一定程度的減少,且位錯(cuò)線趨向于同一方向,位錯(cuò)盤結(jié)程度降低;當(dāng)終軋后冷待至720℃,然后再進(jìn)行冷卻處理后,位錯(cuò)密度進(jìn)一步降低,但是在組織中可以觀察到納米級(jí)的第二相粒子存在,結(jié)合文獻(xiàn)可知,這些可能是Nb(C、N)化合物,可以起到彌散強(qiáng)化的作用,此時(shí),如果延長(zhǎng)冷待區(qū)的溫度,將會(huì)使得第二相粒子得到粗化,從而減少第二相強(qiáng)化的作用。綜合而言,對(duì)冷待溫度進(jìn)行調(diào)整時(shí),在螺紋鋼的強(qiáng)度富余量不大的情況下,應(yīng)該嚴(yán)格控制冷待溫度在一合理范圍內(nèi),以便在此過程中由于鐵素體組織的轉(zhuǎn)變而使得屈服強(qiáng)度急劇降低。3冷卻速度和終冷溫度對(duì)螺紋鋼力學(xué)性能的影響(1)隨著精軋溫度區(qū)間的