HRB400热轧钢筋剪切开裂原因分析

张盛华， 李 翔， 彭 磊

(中天钢铁集团有限公司， 江苏 常州 213011)

引 言

建筑及基础设施建设需要大量的建筑钢材，近年来，中国建筑业及钢铁产业飞速发展，随着人民日益增长的物质文化需求，对建筑用钢的各方面性能的要求也越来越高[1-3]。热轧钢筋(即螺纹钢)是建筑行业主要应用的钢材，螺纹钢在实际使用环境中主要是承受拉应力，要求具有一定的综合力学性能、可弯曲变形特性及加工焊接性，并且对表面质量也有明确的规定，要求表面不得有裂缝、结疤和折叠，不得存在使用上的有害缺陷等[4-6]。某批次Φ25 mmHRB400热轧钢筋在剪切时发生开裂现象。本文通过化学成分分析、气体含量分析、金相检验及硬度检验等方法对开裂原因进行分析。

1 理化检验

1.1 HRB400螺纹钢剪切开裂宏观形貌

HRB400钢螺纹钢剪切开裂样宏观形貌如图1所示，试样表面存在大量可能因挤压产生的麻坑状花纹，开裂螺纹钢为Φ25 mm直条螺纹钢，用户在剪切完后发现试样剪切断面上存在开裂现象，其中编号为1#、2#螺纹钢试样为边缘开裂，3#螺纹钢试样未开裂，4#螺纹钢试样为心部开裂，所有试样剪切断面均为银亮色，无发蓝现象，剪切断面上产生的裂纹刚直有力，为典型的应力开裂裂纹，如图2所示。

图1 HRB400螺纹钢剪切开裂试样宏观形貌

图2 HRB400螺纹钢剪切断面边缘裂纹与心部裂纹宏观形貌

1.2 化学成分与气体含量分析

HRB400螺纹钢试样使用德国超谱公司QSN750型直读光谱仪进行化学成分分析，结果如表1所示，可见螺纹钢化学成分符合《GB/T 1499.2-2018 钢筋混凝土用钢 第2部分：热轧带肋钢筋》标准的要求，且未加入Ti、Nb、V细化晶粒的元素。使用ON836型氮氧分析仪进行气体含量分析，结果如表1所示，可见1#、2#与4#螺纹钢N含量相比《GB/T 1499.2-2018 钢筋混凝土用钢 第2部分：热轧带肋钢筋》中的标准值有所偏高。

表1 HRB400螺纹钢试样的化学成分与气体含量分析结果

1.3 金相检验

取1#、2#和4#螺纹钢开裂试样剪切断面进行磨制抛光并腐蚀(如图3所示)后金相检验，1#试样剪切开裂裂纹深约13.72 mm，裂纹刚直有力，裂纹开口处边缘有轻微脱碳现象，裂纹其它部位两侧无脱碳为穿晶开裂，裂纹边缘有明显的组织流变形貌，说明此处受到了较大剪切力产生了组织流变；试样表面还存在其他裂纹缺陷，分别深约1.36 mm和1.74 mm，两条裂纹存在明显的脱碳现象，如图3-6所示。

图3 1#、2#和4#螺纹钢开裂试样(边缘箭头指处存在明显亮环)

图4 1#试样剪切开裂裂纹开口

图5 1#试样剪切开裂裂纹底部

图6 1#试样表面发现的其它裂纹

2#试样剪切开裂裂纹深约12.36 mm，裂纹刚直有力，裂纹开口处边缘有明显的脱碳现象，裂纹其它部位两侧无脱碳为穿晶开裂，裂纹边缘有明显的组织流变形貌，说明此处受到了较大剪切力产生了组织流变；试样表面还存在其他裂纹缺陷，深约1.13 mm，裂纹边缘存在明显的脱碳现象，如图7-9所示。

图7 2#试样剪切开裂裂纹开口

图8 2#试样剪切开裂裂纹底部

图9 2#试样表面发现的其它裂纹

4#试样剪切开裂裂纹存在于剪切断面心部，裂纹截面长约8 mm，裂纹开口较大，且裂纹边缘无脱碳现象，取心部开裂试样的另一端磨制后发现试样心部存在细小裂纹缺陷，裂纹周围无脱碳现象，裂纹为为穿晶开裂，如图10-11所示。

图10 4#试样剪切心部开裂裂纹

图11 4#试样另一端心部裂纹

1.4 硬度检验

取1#试样进行布氏硬度测试发现边缘亮环处布氏硬度为212(HBW 2.5/187.5)，基体布氏硬度为249(HBW 2.5/187.5)。

2 分析与讨论

(1)宏观检验分析表明，开裂螺纹钢为Φ25 mm直条螺纹钢，用户在剪切完后发现试样剪切断面上存在开裂现象，其中编号为1#、2#螺纹钢试样为边缘开裂，3#螺纹钢试样未开裂，4#螺纹钢试样为心部开裂，所有试样剪切断面均为银亮色，无发蓝现象，说明剪切温度较低；剪切断面上产生的裂纹刚直有力，为典型的应力开裂裂纹，说明此处受到较大的剪切应力作用。

(2)成分气体含量分析表明，所取4支HRB400螺纹钢试样成分符合《GB/T 1499.2-2018 钢筋混凝土用钢 第2部分：热轧带肋钢筋》标准的要求，但没有发现含有螺纹钢常见的Ti、Nb、V、Al等细化晶粒元素；气体含量中N元素超过标准上限要求，较高含量的N元素如果能与Ti、Al等元素结合形成氮化物，则能降低形核功，提高形核率，最终起到细化晶粒作用，进而能提高螺纹钢的强度，但所取4支HRB400螺纹钢试样中均不含有Ti、Al等易与N相结合形成氮化物的元素，所以如此高含量的N元素可能是以游离态存在于钢材中，游离态N元素含量过高会导致钢材的冷变形能力降低，脆性增加(即所谓的冷加工脆性)，从而使钢材冷剪切加工时易产生开裂。

(3)金相分析表面，1#和2#试样剪切开裂裂纹边缘有明显的组织流变形貌，说明此处受到了较大剪切力的影响；且裂纹开口处边缘存在脱碳现象，裂纹其它部位两侧无脱碳且为穿晶开裂，裂纹开口处发现明显脱碳现象说明试样表面的裂纹开口处剪切前为一条原始裂纹，且确实在试样其它部位表面发现存在较多明显脱碳的原始裂纹，所以螺纹钢试样剪切时受剪切力的作用以表面原始裂纹为开裂源产生了应力开裂并扩展。4#试样剪切开裂裂纹存在于剪切断面心部，裂纹开口较大，且裂纹边缘无脱碳现象，取心部开裂试样的另一端磨制后发现试样心部存在细小裂纹缺陷，裂纹周围无脱碳现象，裂纹为穿晶开裂，说明4#试样内部本身就存在细小的应力裂纹，在受到剪切力的时候细小裂纹扩展导致心部开裂。

综上所述，造成HRB400螺纹钢剪切开裂的原因可能与游离态N元素含量过高，剪切温度较低、试样剪切前表面及内部存在原始裂纹等因素有关。

3 结论

HRB400螺纹钢剪切开裂的原因可能与游离态N元素含量过高，剪切温度较低、试样剪切前表面及内部存在原始裂纹等因素有关。