回火对冷轧带肋钢筋抗拉性能影响分析

  摘要：通过对冷轧带肋钢筋出现的延伸率低问题的分析，提出以回火热处理来提高冷轧带肋钢筋的延性，强度仍满足要求。进行了不同温度的回火试验，找出了最佳的回火温度，解决了冷轧带肋钢筋延性不足的问题。
  建筑用钢未来的发展趋势对钢材性能有着更高的要求。高强度、高韧性、高抗震等性能已经成为衡量现代建筑用钢基本性能的主要指标。
冷轧带肋钢筋是一种新型高强钢筋，是利用冷轧工艺生产的一种三面或者两面带有月牙横肋的小直径的钢筋。该钢筋经冷加工强化，使强度大幅度提高且延性满足一定要求。目前，冷轧带肋钢筋已在工业和民用房屋、高速公路、飞机跑道、隧洞等工程中得到广泛应用。但目前各生产厂家由厂的冷轧带肋钢筋虽然强度基本上能达到要求，但在延伸指标和冷弯性能方面经常出现不合格的情况，通过回火试验找出最佳的回火温度和保温时间，以期在抗拉强度小幅度降低的前提下，有效提高钢材的塑性。
   1 研究现状
   新疆钢铁研究所陈勇等通过对八钢冷轧带肋钢筋出现的延伸率低和冷弯裂纹问题的分析，提出以回火处理的方法来提高冷轧带肋钢筋的塑性及韧性，并进行了200~600℃共9个不同温度的回火试验，发现由于冷变形而发生的形变有效作用，在350℃以下回火，强度少量增加,而塑性变化不大；450℃以回火时，随温度的提高，塑性指标明显提高，强度指标呈下降趋势；在恒定的加热温度，回复停止后，加长保温时间对强度、塑性的变化影响不大。
   马钢技术中心谢世红等通过根据检测分析应变时效产生的原因，提出了可采用
   1）控制轧制细化晶粒，同时往钢中添加矢量钒、铌等强碳氮化物形成元素；
   2）使用卡电式回火装置，在略降低强度的情况下，显著提高延伸率；
   3）使用无纵肋热轧带肋钢筋代替冷轧带肋钢筋；
   这3种方法有效解决应变时效问题，并通过回火试验说明经300~500℃回火，抗拉强度略有降低，延伸率显著提高，可消除应变时效。
   安阳市合力高速冷轧有限公司翟文等通过回火控温技术，大幅度提高产品的伸长率，获得良好的力学性能，克服了冷轧带肋钢筋延性偏低的行业问题。拉断后伸长率与标准规定相比可提高40%~70%。反映钢筋延性的最重要标准——最大力总生产率提高了2倍以上。钢筋经回火处理后虽然强度大约降低10%左右，但实际强度值仍高于标准规定的550N/㎡。但文献中对于一类热处理和二类处理的具体操作内容并为详细说明。
   2 试验概况
   国家标准GB 13788-2008《冷轧带肋钢筋》和JGJ 95-2003《冷轧带肋钢筋混凝土技术规程》要求的冷轧带肋钢筋性能指标见表1。    试验采用钢筋经重庆大学土木工程学院结构工程实验室LNSTRON万能试验机（图1a）上进行，通过引伸计（图1b）直接测得钢筋的应力应变曲线，引伸计标距为50mm。回火试验在厢式退火炉（图1c）中进行。共设定7个温度段，即400,500,550,570,585,600,650℃，拉伸试验严格按照GB/T228-2002《金属材料温室拉伸试验方法》进行。   3 试验结果分析
   3.1 未回火材料性能
   在进行回火前，先对直径为5mm和7mm的冷轧带肋钢筋进行了原材料的拉伸试验，试验结果见图2。由试验结果可见，钢筋的抗拉强度比较稳定，知识拉断后总伸长率相差较大，但是最大力总伸长率相差不大。直径为7mm的冷轧带肋钢筋抗拉强度平均为606Mpa，屈服强度（或非比例延伸强度）平均值为550Mpa，最大力总伸长率平均值为4.4%。直径为5mm的冷轧带肋钢筋抗拉强度平均值为671Mpa，屈服强度（或非比例延伸强度）平均值为618Mpa，最大总伸长率平均值为1.65%。可见，钢筋强度均比规范要求指标高，但是伸长率指标都未达到规范要求。
  3.2 低温和高温回火材料性能曲线的对比
   直径7mm和直径5mm的冷轧带肋钢筋低温和高温回火后材料性能曲线如图3所示。由图3可见，随着回火后温度的增加，钢筋的屈服强度和抗拉强度都在逐渐降低，同时钢筋的伸长率明显增加，钢筋延性显著提高。同时，与0℃（未回火）相比，钢筋应力应变曲线的屈服平台随着回火温度达到650℃时，直径7mm和直径5mm的冷轧带肋钢筋的应力应变曲线基本一致。    3.3 回火温度和强度、伸长率的关系曲线
   各温度回火后抗拉强度与回火温度的关系，屈服强度（或非比例延伸强度）与回火温度的关系及最大力总伸长率和回火温度质检的关系见图4。    由图4a，图4b可见，随着回火温度的增加，钢筋的屈服强度和抗拉强度的变化规律基本相同，都在逐渐降低，但直径不同，初始强度不同，当温度超过650℃时，强度基本一致，表明随着回火温度增加强度降低的速度也不同，但均表现为开始降低较慢，在550~600℃降低较快，随后又逐渐减慢。根据规范要求，冷轧带肋钢筋的抗拉强度要达到550Mpa，这时对于直径7mm的钢筋，回火温度应控制在550℃，而对于直径5mm的钢筋，回火温度可以控制在575℃。同样，针对屈服强度500Mpa的要求，这时对于直径7mm的钢筋，回火温度应控制在510℃，而对于直径5mm的钢筋，回火温度可以控制在560℃。
    同时，由图4c可见，随着回火温度的增加，钢筋的伸长率逐渐增加，600℃时偏离趋势较大，可能是试验误差造成的，分析原因可能是回火温度没有达到600℃，对比强度和伸长率曲线分析，回火温度可能仅有570℃左右。曲线同样表现为550℃以下温度时伸长率增长较慢，在550~600℃伸长率增长较快，600℃以上生产率增长又逐渐减慢。
   4 结论
   1）回火温度对冷轧带肋钢筋的抗拉强度，屈服强度和伸长率都影响很大。随着回火温度增加，强度逐渐降低，延性逐渐提高，屈服平台越加明显，强屈比增大。
   2）回火温度在550℃以下时强度下降和伸长率增长都较慢，在550~600℃之间时，强度下降和伸长率增长都较快，600℃以上强度下降和伸长率增长又逐渐减慢。
   3)直径不同的冷轧带肋钢筋的强度，伸长率与回火温度的关系曲线不同，因袭达到规范要求的指标的回火温度不同。