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2011年全国高强度钢筋开发与应用推广技术交流会1500MPa高强度钢筋伸长率偏低原因分析及控制严锡九，陈伟，赵宇，张卫强，汪涛，庾郁梅(武钢集团昆明钢铁股份有限公司,云南昆明650302)摘要：对国内某钢厂采用微合金化控冷工艺试制500MPa高强度钢筋出现的伸长率偏低情况，取样进行了金相显微组织、断口形貌、夹杂物及化学成分分析研究。结果表明：500MPa钢筋伸长率偏低的主要原因为钢筋心部显微组织异常，贝氏体含量高(50%)且形态差(大块状)，原始奥氏体晶粒粗大(70～80um)；显微组织异常的主要原因为轧钢加热温度高(1260℃)、控冷终止温度偏低(720℃)。针对上述情况，炼钢采取出钢渣洗工艺、延长吹氩时间(大于200秒)、严格控制中包浇铸液面(大于650mm)，轧钢采取降低加热温度(均热段温度小于1200℃)、提高控冷终止温度(大于740℃)，500MPa钢筋伸长率偏低情况得到了消除。关键词：500MPa高强度钢筋，伸长率，贝氏体，加热温度，控冷终止温度Thereasonanalysisandcontroloflowerelongationfor500MPahigh-strengthsteelbarsCHENWei,ZHANGWei-qiang,WANG-Tao,YUYu-mei(WuKunSteelCo.,Ltd.,Kunming650302,China)Abstract:Inviewoflowerelongationof500MPahigh-strengthsteelbarswithmicroalloyingandcontrolledcoolingtechnologyindomesticsteelplant,microstructure,morphologyoffracture,inclusions,chemicalcompositionbysamplingwereanalyzedandresearched.Theresultsshowthatmainreasonoflowerelongationof500MPasteelbarsisemergenceofabnormalcentermicrostructureforrebars,appearanceofhighcontent(50%)andbadmorphology(bigblock)ofbainite,theoriginalaustenitegrainiscoarse(70～80um);themainreasonofabnormalmicrostructureforsteelbarsisthatsteel-rollingheatingtemperatureishigher(1260℃),terminationtemperatureaftercontrolledcoolingislower(720℃).Inviewofabovedreasons,slagrinsingprocess,extendingthetimeofblowingargon(longerthan200sec),strictcontrolofcastingliquidlevelhight(higherthan650mm)werecarriedoutinsteel-making,meanwhile,reducingheatingtemperature,increasingterminationtemperatureaftercontrolledcoolingwerecarriedoutinsteel-rolling,thelowerelongationof500MPahigh-strengthsteelbarswaseliminated.Keywords:500MPahigh-strengthsteelbars,elongation,bainite,heatingtemperature,terminationtemperatureaftercontrolledcooling随着建筑业的快速发展，为提高大型建筑物的安全性，开发高强度、综合性能好的高级别钢筋已是钢铁行业提升技术水平和产品结构调整的重要任务之一。500MPa高强抗震钢筋具有强度高、综合性能好、节约钢材等优点，更适用于高层、大跨度和抗震建筑结构，是一种更节约、更高效的新型建筑材料。近年来，中国积极倡导创建节约型社会，十分重视高强度抗震钢筋的研制和应用推广[1-2]。2009年3月，国务院办公厅公布的《钢铁产业调整和振兴规划》中明确提出，修改相关设计规范，淘汰强度335MPa及以下级别热轧带肋钢筋，加快推广使用强度400MPa及以上钢筋，促进建筑钢材的升级换代。2011年7月实施的《混凝土结构设计规范》新国家标准(GB50010-2010)增加了500MPa级带肋钢筋。为降低500MPa高强度钢筋生产成本，近年来国内开始研究采用微合金化结合轧后控冷技术生产该产品，充分利用和发挥微合金碳氮化物沉淀析出强化和控冷晶粒细化强化作用，进一步提高钢的强度，改善其塑韧性。2011年，国内某钢厂采用了铌微合金化和控冷工艺试制500MPa高强度钢筋，出现少量钢筋伸长率偏低情况。针对上述情况，取样进行了金相显微组织、断口形貌、夹杂物及化学成分分析，找出了钢筋伸长率偏低的原因，提出了预防控制措施，取得了较好的效果。2011年全国高强度钢筋开发与应用推广技术交流会21试验材料与试验方法试验材料为国内某钢厂采用铌微合金化和控冷工艺生产的公称直径22mm500MPa高强度钢筋，伸长率偏低试样为1#，伸长率较好试样为2#。试样化学成份及力学性能检验结果见表1所示，图1为为1#、2#试样拉伸断口形貌。1#试样断口缩径不明显，断裂源位于心部1/3半径外弧面，由此外弧面向外扩展呈现脆性断裂特征，整个断口表观为脆性、韧性复合变形特征；2#试样有明显断口缩径现象，断口呈现明显的塑性变性特征，表观为韧性断裂。图1500MPa钢筋拉伸断口形貌(a-1#试样;b-2#试样)Fig.1Fracturemacrographoftensilesamplefor500MPasteelbars(a-No.1sample;b-No.2sample)表11#、2#试样化学成分及力学性能Table1ChemicalcompositionandmechanicalpropertyofNo.1,2sample根据国家标准GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》从钢筋上截取400mm～450mm试样，采用SHT5306万能拉力试验机进行拉抻试验；试样经研磨抛光、4%硝酸酒精溶液进行腐蚀后，采用Leica5000型金相显微镜观测其显微组织，用截线法测试平均晶粒尺寸，根据国家标准GB/T6394《金属平均晶粒度测定法》进行晶粒度评级；采用JSM-5610LV扫描电镜、牛津INCA能谱仪观测试样拉伸断口形貌及夹杂物；采用HR-150A型洛氏硬度计测量断口不同部位洛氏硬度。2试验结果与分析2.1断口形貌、显微组织及成分分析采用扫描电镜对伸长率偏低1#试样拉伸断口进行了显微形貌观察(见图1所示)。从中可以看出，断面中心部位为韧窝断口，韧窝带较浅呈等轴状；断面1/3半径处出现韧窝和解理的混合断口；1/3半径向外扩展区断口中的韧窝基本消失，断口形貌呈一定面积的河流花纹，为准解理及解理断口，断裂由韧性断裂转变为脆性断裂。从断口显微组织可以看出，心部组织为B+(F+P)，存在大量粒状贝氏体，贝氏体形态为在铁素体基体上的岛状物呈不规则的大块状分布，含量约50%；1/2半径处组织为F+P(30%)+B，存在编号化学成份ωt/%力学性能CSiMnSPNbReL/MPaRm/MPaA/%Agt/%1#0.230.521.490.0290.0320.04655274515.010.52#0.230.511.510.0270.0300.04455073523.015.52011年全国高强度钢筋开发与应用推广技术交流会3少量粒状贝氏体，贝氏体呈小块状分布，含量约15～17%；金相显微组织检验结果表明，两处组织差异较大。断口不同部位化学成份及硬度测量值见表2所示。从中可以看出，心部和和1/2半径处化学成分基本相同，不存在成份偏析对断口不同部位组织的影响；从硬度测量情况看，中心部位硬度为91.0HRB，1/2半径处硬度为95.5HRB，两处硬度值相差4.5，导致抗拉强度相差近50MPa，说明该试样在受到纵向拉伸力时，所承受的拉力有较大差异，变形极不均匀。图21#试样拉伸断口显微形貌及组织Fig.2MorphologyandmicrostructureoftensilefractureforNo.1sample表21#试样拉伸断口不同部位化学成份及硬度值Table2ChemicalcompositionandhardnessvalueofdifferentpartsofNo.1sample相关研究表明[3]，钢中大量粒状贝氏体的形成和提高会促进钢筋脆性增加、伸长率降低而发生脆性断裂。上述检验结果表明，1#试样拉伸断口心部出现大量粒状贝氏体且形态较差是导致钢筋脆性增加、伸长率降低的主要诱因；断口不同部位显微组织、硬度差异大，说明试样材料内部存在较大的内应力，其应力大部份集中在外围处形成“空管”；当受到纵向拉伸力时，由于不同部位承受的拉力差异大，产生受力、变形极不均匀，导致位错的增殖，产生应力集中，从而使钢筋塑韧性、伸长率急剧下降。取样位置化学成分ωt/%硬度/HRBCSiMnSPNiCrCuVNb心部0.230.511.500.0280.0330.0280.0880.0670.0040.04691.01/2半径处0.230.511.510.0270.0330.0260.0870.0680.0040.04595.5a)心部显微组织b)1/2半径处显微组织c)心部断口显微形貌d)1/2半径处断口显微形貌2011年全国高强度钢筋开发与应用推广技术交流会42.2试样显微组织分析对伸长率偏低1#试样和伸长率较好2#试样金相显微组织进行了检验（见图3、图4所示）。从中可以看出，1#和2#试样金相显微组织最大差别在于中心部位组织。1#试样心部组织为B粒+(F+P)，B呈大块状分布，含量约50%；P含量约20%，形态为细片状；F形态为准多边形块状，晶粒度为10.5级；1#试样心部组织中的B中的岛状物主要是由富碳残余奥氏体组成，原始奥氏体晶粒尺寸为70um；2#试样心部组织为F+P+B，组织分布较为均匀，B以小块状形态分布，含量为5～10%左右；P含量约35%，形态为细片状；F形态为准多边形块状和少量的针状，晶粒度为10.5级，原始奥氏体晶粒尺寸为40um。图3伸长率偏低1#试样显微组织(a-中心部位;b-外层)Fig.3MicrostructureoflowerelongationforNo.1sample(a-center;b-outer)图4伸长率较好2#试样显微组织(a-中心部位;b-外层)Fig.4MicrostructureofbetterelongationforNo.2sample(a-center;b-outer)相关文献报道[4]，采用控冷控轧工艺生产含铌微合金钢时，钢中贝氏体含量随着冷却强度的增加而逐渐增加，同时其形貌也会发生变化；冷却速度快，控冷后终止温度低，过冷度大，容易形成粒状贝氏体组织；加热温度高时促进固溶铌含量增加，大量固溶铌存在奥氏体中，增加奥氏体稳定性，容易促进贝氏体组织生成；此外，轧制过程加热温度高能促进原始奥氏体晶粒粗大化。试验过程中对控轧控冷工艺生产含铌高强度钢筋轧制加热温度对奥氏体晶粒尺寸的影响进行了统计分析（见图5所示），从中可以看出，加热温度大于1200℃时，奥氏体晶粒尺寸随温度升高而迅速长大，奥氏体粗大化使钢筋塑韧性变差，伸长率降低。通过对生产工艺调查发现，1#试样轧制过程加热炉均热段温度为1260℃，出钢温度1200℃，控冷后终止温度为720℃；2#试样轧制过程加热炉均热段温度为119