高強鋼筋力學性能與組織的影響

高強鋼筋力學性能與組織的影響

最近，住房和城鄉(xiāng)建設部、工業(yè)和信息化部聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加快應用高強度鋼筋的指導意見》，以下簡稱“指導意見”。應加快并應用部級螺釘300mm，積極推廣500mm。這是因為鋼材的屈強比越小,則結(jié)構(gòu)的可靠性越低。低屈強比在提高建筑結(jié)構(gòu)地震時吸收能量上是個必要的條件。隨著我國高層建筑的增多以及高層結(jié)構(gòu)對高強抗震鋼筋越來越多的要求,低屈強比建筑用螺紋鋼的開發(fā)與應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)對螺紋鋼力學性能與顯微組織的影響,為高強抗震鋼筋的開發(fā)與生產(chǎn)提供必要的參考。1試驗和模擬試驗試驗用鋼為市場上常見的低碳鋼,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)與連軋國家重點試驗室進行控制軋制與控制冷卻處理。試驗用鋼的化學成分w(%)為:0.17C、0.35Si、1.24Mn、0.005S、0.008P、0.017Nb,余量為Fe。在MMS-300型熱模擬試驗機上進行了模擬試驗,試樣樣品的尺寸為準10mm×15mm,在準500mm×500mm二輥可逆式試驗機上進行軋制工藝的研究,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。拉伸力學性能測試在MTS-810型電子萬能拉伸機上進行,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)間對螺紋鋼力學性能的影響曲線。可以看出,隨著精軋溫度區(qū)間的降低,螺紋鋼的抗拉強度、屈服強度和屈強比值都呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。當精軋溫度區(qū)間在1000~864℃時,螺紋鋼的抗拉強度、屈服強度和屈強比值分別為556MPa、400MPa和0.72;當精軋溫度區(qū)間在950~842℃時,螺紋鋼的抗拉強度、屈服強度和屈強比值分別為560MPa、412MPa和0.74;當精軋溫度區(qū)間在928~820℃時,螺紋鋼的抗拉強度、屈服強度和屈強比值分別為592MPa、452MPa和0.76。這主要是因為隨著精軋溫度區(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存能,在隨后的冷卻過程中將產(chǎn)生具有位錯強化和第二相強化作用的納米級顆粒產(chǎn)生,從而提高螺紋鋼的強度,雖然抗拉強度與屈服強度都會增加,但是屈服強度的上升幅度明顯高于抗拉強度,從而使得屈強比上升。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比的一個有效方法。2.2上升幅度減緩圖2為不同冷卻速度對螺紋鋼力學性能的影響?？梢钥闯?隨著冷卻速度的逐漸增加,螺紋鋼的抗拉強度、屈服強度和屈強比逐漸增加。尤其是當冷卻速度從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。當冷卻速度為5℃/s時,螺紋鋼的抗拉強度、屈服強度和屈強比值分別為610MPa、450MPa和0.74;當冷卻速度為40℃/s時,螺紋鋼的抗拉強度、屈服強度和屈強比值分別為720MPa、560MPa和0.78;而當冷卻速度為65℃/s時,螺紋鋼的抗拉強度、屈服強度和屈強比值分別為730MPa、615MPa和0.84。這主要是因為在冷卻速度較低的情況下,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,這些相的硬度相對較高,因此試驗用鋼的抗拉強度與屈服強度逐漸升高。但是如果冷卻速度過大,會改變螺紋鋼中軟硬相的比例,從而使得屈強比增加至一個較高的水平。綜合而言,為了獲得高強低屈強比的鋼材,冷卻速度不應太大。2.3服強度和屈強比值圖3為不同冷卻速度對螺紋鋼力學性能的影響?？梢钥闯?隨著終冷溫度的升高,螺紋鋼的抗拉強度、屈服強度和屈強比逐漸降低。當終冷溫度為570℃時,螺紋鋼的抗拉強度、屈服強度和屈強比值分別為660MPa、580MPa和0.88;當終冷溫度為660℃時,螺紋鋼的抗拉強度、屈服強度和屈強比值分別為645MPa、510MPa和0.79。這主要是因為當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度和屈強比。由圖3可知,隨著終冷溫度的降低,螺紋鋼屈服強度的降低幅度大于抗拉強度的降低幅度,因此屈強比會升高。2.4冷待冷卻對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螺紋鋼力學性能的影響測試結(jié)果。可以看出,隨著軋后冷待溫度的降低,螺紋鋼的屈服強度、伸長率和屈強比逐漸降低,而抗拉強度的變化呈現(xiàn)不同的趨勢。當軋后冷待溫度為760℃時,抗拉強度有所上升,繼續(xù)將冷待溫度降低至720℃時,抗拉強度出現(xiàn)了較大幅度的降低。整體來看,雖然C組鋼的屈強比在一個較低的水平,但是卻是以犧牲強度來實現(xiàn)的,在實際生產(chǎn)過程中應該避免;而當冷待溫度在760℃時,螺紋鋼取得了較好的綜合力學性能。因此,控制軋后冷待溫度在一個合理范圍,也是提高螺紋鋼強度、降低屈強比的一個有效方法。圖4為三種軋后冷待制度下的螺紋鋼的晶粒尺寸測試結(jié)果。可以看出,當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%;當軋后冷待至760℃時,螺紋鋼中的晶粒尺寸有一定程度的長大,尺寸分布也相對均勻,基本都介于6~9μm之間;當軋后冷待至720℃時,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。這是因為在軋制后直接快冷時,保留了較多的畸變能,從而使得形核率增加,晶粒組織得到細化;而如果軋制后在較高的溫度停留,則會在一定程度上釋放掉存儲能,從而使得晶粒尺寸變大。根據(jù)霍爾佩奇公式可知,屈服強度的大小與晶粒直徑的平方根成線性關(guān)系,所以當軋后待冷溫度變化時,隨著晶粒尺寸增大,螺紋鋼的屈服強度降低。當終軋后直接進行冷卻處理時,由于過冷度較大,熱變形過程中的位錯被保留下來,且位錯線的密度較大,呈現(xiàn)出各向異性;當終軋后冷待至760℃,然后再進行冷卻處理后,螺紋鋼中的位錯密度有一定程度的減少,且位錯線趨向于同一方向,位錯盤結(jié)程度降低;當終軋后冷待至720℃,然后再進行冷卻處理后,位錯密度進一步降低,但是在組織中可以觀察到納米級的第二相粒子存在,結(jié)合文獻可知,這些可能是Nb(C、N)化合物,可以起到彌散強化的作用,此時,如果延長冷待區(qū)的溫度,將會使得第二相粒子得到粗化,從而減少第二相強化的作用。綜合而言,對冷待溫度進行調(diào)整時,在螺紋鋼的強度富余量不大的情況下,應該嚴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)變而使得屈服強度急劇降低。3冷卻速度和終冷溫度對螺紋鋼力學性能的影響(1)隨著精軋溫度區(qū)間的