摘要:采用力学性能测试、宏观观察、扫描电镜及能谱分析等方法研究了自然时效对PSB高强度精轧螺纹钢筋力学性能的影响。结果表明:自然时效后,钢筋的屈服强度先下降后提高到初始结果附近,抗拉强度先升高后趋于稳定,断后伸长率有大幅度的提高;自然时效前,断后伸长率较低的原因是氢在夹杂物附近聚集;时效过程中,在内应力释放、析出相以及氢缓慢释放的综合作用下,氢的聚集程度降低,使得钢筋的断后伸长率有较大幅度的提升。
关键词:高强度精轧螺纹钢筋;自然时效;断后伸长率;内应力;析出相
中图分类号:TB31文献标志码:A文章编号:-()05--04
PSB、PSB系列高强度精轧螺纹钢筋是常用的预应力混凝土用螺纹钢筋,具有强度高、精度好等特点,被广泛用于高速公路、高速铁路的大型桥梁工程中。对经过控轧、控冷后的精轧螺纹钢筋进行拉伸试验,结果显示大多数钢筋的断后伸长率不大于3%。一般需要经过45~60d的自然时效或℃,1~2h的人工时效后,钢筋的断后伸长率才能合格。许多专家学者对时效后钢筋断后伸长率的变化情况进行了研究,曹重等[1]发现在自然时效后,HRBE钢筋试样的断后伸长率提高,主要原因是去氢作用;刘宏玉等[2]发现自然时效对英标余热处理钢筋的断后伸长率影响不大;李雪峰[3]发现21d自然时效后,PSB钢筋断后伸长率不合格的主要原因是回火不充分。预应力钢筋与普通螺纹钢、英标钢筋的化学成分和性能均有较大差异,笔者采用力学性能测试、宏观观察、扫描电镜(SEM)及能谱分析等方法,研究了自然时效对PSB钢筋力学性能的影响。
1试验材料
选择日常生产的直径为32mm的PSB精轧螺纹钢筋,其化学成分分析结果如表1所示。钢筋的轧制过程选用mm×mm(长度×宽度)的热送连铸小方坯,采用超快冷方式冷却,使钢筋表层组织为马氏体,心部组织为铁素体+珠光体;在进一步的冷却过程中,内部的温度较高,表层组织由马氏体转变为回火索氏体,心部组织为呈网状分布的块状铁素体+珠光体(见图1)。
2试验方法及结果
2.1力学性能测试
图2为5组典型试样力学性能随时效天数的变化情况,每组2个试样,试验结果取平均值。从图2可以看出:试样的屈服强度随着时效时间的延长呈先降低后升高的趋势,最终回复到初始值附近,时效天数为60d时,平均值增加了2.7%;试样的抗拉强度前期上升明显,后期基本稳定,时效天数为60d时,平均值增加了12%;断后伸长率和抗拉强度的变化规律基本一致,均有大幅度的提升,断后伸长率在后期的增长幅度更大,时效天数为60d时,平均值从3.0%提高到了9.6%,增幅达2倍以上。
2.2宏观观察
对时效前拉伸试样的断口进行宏观观察,结果如图3所示。从图3可以看出:断口整体呈脆性断裂特征,剪切唇很少,断口上有明显的放射条纹,条纹收敛处为断裂源,断裂源位于断口的边缘或内部,部分断口表现为黑心白点宏观形貌。
2.3SEM及能谱分析
2.3.1时效前
对时效前拉伸试样断口1~4进行SEM分析,结果如图4所示。由图4可知:断口1呈边缘起裂特征,试样边缘有呈椭圆形的平整断裂平台,中心为夹杂物脱落的孔洞,孔洞的底部有裂纹,该区域以外为放射条纹;夹杂物周围的断口呈准解理+少量解理特征,且伴随有二次裂纹,放射区域呈解理特征;断口2的裂纹源同样位于断口的边缘,但没有明显的断裂平台,夹杂物周围呈沿晶断裂特征;断口3中心有黑心白点,断裂源为夹杂物,其周围基体呈准解理断裂特征,含有二次裂纹;断口4的中心有一个超大尺寸夹杂物,夹杂物周围呈准解理断裂特征。采用能谱仪对断口4中心的夹杂物进行分析,发现其主要含有Ca、Al、Si、Mg、O等元素。
2.3.2时效后
经过60d自然时效后,试样的断后伸长率达到标准要求,典型断口的SEM形貌如图5所示。由图5可知:断裂源位于试样的边缘,深度约为0.96mm,裂纹源处呈与放射条纹垂直的海滩状花纹,断口呈韧性断裂特征;断口未观察到夹杂物。
3综合分析
由SEM分析结果可知:时效前PSB钢筋断裂源处含有夹杂物,其周围为准解理形貌或沿晶断裂形貌,符合“鱼眼”特征[4-5]。说明钢中含有一定量的氢,在受到拉应力时,夹杂物周围产生了氢脆,钢中的氢含量和所受应力大小不同等因素导致断口形貌产生差异[6]。轧制后,在冷却过程中,材料内部的氢重新分布,部分氢向内部未转变的高温区迁移。随着温度的下降,氢的溶解度及扩散系数大幅度降低,内部过饱和的氢向夹杂物、晶界面、显微空隙等缺陷处富集[7],导致局部区域的氢含量较高。
室温下,PSB钢筋的外层组织为回火索氏体,内层组织为碎块状铁素体+珠光体。钢筋内层和外层的组织不同,以及轧制应力的残余造成试样中存在较大的残余应力,加剧了氢向夹杂物等缺陷处的聚集程度。随着塑性变形增加,在拉应力和残余应力的叠加作用下,位错携带的氢被内部夹杂物周围的应力场捕获,导致其周围基体原子间的键合力降低,呈现出氢脆准解理特征或沿晶断裂特征。缺陷处的裂纹会造成钢筋在未达到最大拉力前发生断裂,使其抗拉强度降低。
经过60d自然时效后,裂纹源区未观察到夹杂物,断裂源主要出现在回火索氏体所在的区域。在时效过程中,应力状态和析出相均会影响氢的扩散和溶解,且可扩散的氢比捕获的氢对材料力学性能的影响更大。在时效前,钢中的氢主要以可扩散的方式存在,在内应力的叠加作用下,氢可以快速扩散、聚集到缺陷区域。在时效过程中,内应力逐渐释放,畸变程度降低,使得屈服强度降低;氢的聚集程度降低,使得断后伸长率明显升高。钢中含有一定量的V元素,在时效过程中,V元素以VN或V(CN)颗粒形式缓慢析出,减少了C、N等元素在晶界和位错处的偏聚[8-9],且析出相为氢的强陷阱,其与氢的结合能较大,属于不可逆氢陷阱。析出相对氢的捕获,以及析出相数量的增加,降低了氢的扩散速率,减轻了氢的聚集程度,进而降低了钢筋的氢脆敏感性,使夹杂物等缺陷附近的氢含量低于形成裂纹的临界氢浓度[10]。
综上所述,在时效时间较短的情况下,内应力释放导致的氢聚集程度降低占主导地位。内应力的释放使应力诱导作用减弱,氢聚集程度降低,从而导致断后伸长率升高。内应力的释放还导致畸变程度降低,从而使钢筋的屈服强度降低。随着时效时间的延长,析出相的陷阱作用占主导地位。在受到拉应力时,析出相的氢陷阱作用降低了氢的聚集程度,从而导致断后伸长率大幅度升高。析出相对位错产生钉扎作用,增加了抗塑性变形能力,导致屈服强度略有提高。
4结论及建议
(1)在自然时效过程中,精轧螺纹钢筋的屈服强度先下降后提高到初始值附近,抗拉强度先升高后趋于稳定,断后伸长率大幅度提高,平均增幅达%以上。
(2)精轧螺纹钢断后伸长率偏低主要是因为氢元素在夹杂物附近聚集。在时效过程中,钢筋的力学性能影响因素有内应力、析出相以及氢的扩散等。断后伸长率的升高主要与内应力的释放、析出相的氢陷阱作用有关,两者均会导致氢的聚集程度降低。建议在轧制前增加一道连铸坯缓冷环节,以加快钢中氢的扩散,缩短后续的时效时间。
参考文献:
[1]曹重,赵征宇,李江华,等.热轧带肋钢筋的拉伸断口分析[J].金属热处理,,40(10):-.
[2]刘宏玉,刘洪涌,王凯,等.?40mm英标MPa级余热处理钢筋的几个问题探讨[J].钢铁,0,35(12):30-33.
[3]李雪峰.精轧PSB螺纹钢筋热处理工艺改进[J].热处理,,32(4):40-44.
[4]温娟,来萍,杨荣光,等.20Mn2A圆链钢的鱼眼断裂分析[J].金属热处理,,46(4):-.
[5]路丰,赵喜庆,祖义忠.预应力钢丝用YL82B热轧盘条断裂原因[J].理化检验(物理分册),,58(6):58-62.
[6]钟群鹏,赵子华.断口学[M].北京:高等教育出版社,6.
[7]褚武扬,乔利杰,李金许.氢脆和应力腐蚀-基础部分[M].北京:科学出版社,.
[8]杨吉春,张剑,周莉,等.V含量对高氮20MnSi钢自然时效性能的影响[J].特殊钢,,36(3):43-45.
[9]程四华,周玉丽,邸全康,等.SUFC工艺下MPa级高强精轧螺纹钢组织特征和碳氮化物析出[J].热加工工艺,,40(24):62-65.
[10]钟彬,陈义庆,高鹏,等.微观组织和氢陷阱对抗硫管氢扩散系数的影响[J].钢铁研究学报,,32(1):81-87.
文章来源材料与测试网期刊论文理化检验－物理分册59卷5期(pp:1-4)