影响HRB600螺纹钢筋强屈比的因素

岑 风 张 珂 褚 峰

(江苏省沙钢钢铁研究院，江苏 张家港 215625)

众所周知，螺纹钢筋的抗震性能是混凝土建筑抵御地震的重要指标，所以迫切需要研发强度高、抗震性能好的螺纹钢筋[1- 4]。600 MPa级螺纹钢筋具有强度高、安全性好、钢材用量少等优点，对提高我国钢筋混凝土结构的综合性能，推动重大工程的技术进步，提高建筑结构的安全性，促进钢铁产业的结构调整和节能减排等，都具有十分重要的意义。即将实施的产品标准GB/T 1499.2—2018钢筋混凝土用钢 第2部分：热轧带肋钢筋[5]中，也增加了600 MPa级的HRB600高强钢筋，参照现行标准中的延性要求，该钢筋的屈服强度测定值与标准值之比不大于1.3、强屈比不小于1.25[6]，因此对检测结果的准确性提出了更高的要求。现有文献主要研究了微观组织、合金元素、热处理制度、负差率等因素对400、500 MPa级钢筋强屈比的影响[7- 8]。本文以HRB600螺纹钢筋为研究对象，发现用同一炉钢制作的HRB600螺纹钢筋的强屈比存在较大差异[9- 10]。通过大量的对比试验，对影响钢筋强屈比的自然时效时间、数据采样频率、拉伸速率等因素进行了分析，最终弄清了产生强屈比差异的主要原因，这有助于螺纹钢筋类产品的性能检测。

1 试验材料与方案

试验用HRB600螺纹钢筋的直径为25 mm，试样取自同一炉同一批次产品，根据自然时效时间等试验参数，将试样分别编号为1、2、3、4、5和6号，每个编号6个试样。采用SHIMADZU公司PDA7000型直读光谱仪分析试验材料的化学成分，结果如表1所示。采用ZEISS公司Axio Imager Z1m型金相显微镜观察试样显微组织，结果如图1所示，为铁素体和珠光体，晶粒度8级。

表1 HRB600螺纹钢筋的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the HRB600 reinforced bar (mass fraction) %

图1 HRB600螺纹钢筋的显微组织Fig.1 Microstructure of the HRB600 reinforced bar

拉伸试样长度为500 mm，设备为INSTRON公司1200 kN液压万能试验机，通过了计量检定，精度为0.5级，额定载荷±1 200 kN。1、2号试样的拉伸速率弹性段和屈服段为10 mm/min，塑性段为50 mm/min，数据采样频率为10 s-1；3、4号试样拉伸速率弹性段和屈服段为10 mm/min，塑性段为50 mm/min，数据采样频率分别为10和30 s-1；5、6号试样拉伸速率弹性段和屈服段分别为15和20 mm/min，塑性段分别为75和100 mm/min，数据采样频率为30 s-1。

2 试验结果与分析

2.1 自然时效时间对拉伸性能的影响

1、2号试样的自然时效时间分别为12和48 h，拉伸试验结果列于表2。

表2 自然时效时间对HRB600螺纹钢筋拉伸性能的影响Table 2 Effect of natural aging time on tensile properties of the HRB600 reinforced bar

由表2数据可知，自然时效12 h的1号试样的强屈比小于自然时效48 h的2号试样，强屈比平均值的差值为0.015；1号试样的下屈服点均高于2号试样，下屈服点的最大差值为9.3 MPa；1号试样的抗拉强度低于2号试样，最大差值为7.9 MPa。这些结果表明，时效时间相同的试样的强度值相差均小于5 MPa，也即检测结果比较稳定，试样的均匀性较好。试验结果还表明，试样的下屈服点随自然时效时间的延长而下降。

2.2 采样频率和拉伸速率对钢筋拉伸性能的影响

按照GB/T 228.1—2010数据采样频率计算公式A.2计算的最小数据采样频率约为10 s-1，试样为3、4、5和6号。此次试验时间与产品的生产日期间隔96 h。3、4号试样设置的试验机数据采样频率分别为10和30 s-1，拉伸速率弹性段和屈服段为10 mm/min，屈服后50 mm/min[11]，检测结果如表3所示。5、6号试样设置的试验机数据采样频率均为30 s-1，5号试样弹性段和屈服段拉伸速率为15 mm/min，屈服后75 mm/min。6号试样弹性段和屈服段拉伸速率为20 mm/min，屈服后100 mm/min，检测结果见表4。

由表3可见，3号试样的强屈比低于4号试样，二者强屈比平均值的差值为0.008，高于1、2号试样的强屈比。3、4号试样下屈服点的最大差值为9.7 MPa，而抗拉强度的最大差值为4.6 MPa。表3、表4中的检测结果表明，随着拉伸速率的增大，钢筋的下屈点升高，但抗拉强度的变化不明显。

表3 数据采样频率对HRB600螺纹钢筋拉伸性能的影响Table 3 Effect of frequency of data sampling on tensile properties of the HRB600 reinforced bar

表4 拉伸速率对HRB600螺纹钢筋拉伸性能的影响Table 4 Effect of tensile rate on tensile properties of the HRB600 reinforced bar

2.3 结果分析

2.3.1 拉伸曲线下拐点数据

图2表明，拉伸应力- 应变曲线在屈服平台末端均存在下拐点。根据GB/T 228.1—2010中对下屈服点的判定原则，在屈服段不计初始瞬时效应，其后谷值最低应力处对应下屈服点，则图中下拐点为最低应力处试样的下屈服点。因此，对下拐点的准确判定是影响强屈比的关键因素。为查明出现下拐点的原因，采用Origin软件作应力- 应变曲线的散点图，进一步使下拐点区域清晰，以此来鉴别下拐点形成的原因。对图2屈服段作散点图，如图3所示。图3中下拐点处数据点的密集度正常，连续性好，由此可以确定，产生下拐点的原因是材料本身的特性而并非夹具打滑。此外，通过Origin散点图还可以检查拉伸曲线的完整性，也有助于判断试样在试验过程中是否有打滑现象。

图2 2号试样的拉伸应力- 应变曲线Fig.2 Tensile stress- strain curve of the sample No.2

图3 2号试样的拉伸屈服段散点图Fig.3 Scatter plots of yield stage from tensile curve of the sample No.2

2.3.2 产生下屈服点的理论原因

试验用钢筋出现屈服现象，是由于铁素体中的碳原子与位错交互作用，碳原子强烈钉扎位错，位错从柯垂尔气团中挣脱出来时，需克服较大的钉扎阻力。但由于钢筋中加入了钒，形成了大量VC、VN等析出相，致使位错饱和度急剧下降，产生大量可动位错，导致应力下降，从而在惯性作用下出现瞬时应力低点，形成了下屈服点。

2.3.3 强屈比和下屈服强度[12- 13]

3号试样的试验数据采集频率为10 s-1时，拉伸应力- 应变曲线散点图如图4所示，可见下屈服点处的数据点较稀疏，下屈服点峰值至谷值的差值约4 MPa。同样，4号试样的试验数据采集频率为30 s-1时的拉伸应力- 应变散点图如图5所示，下屈服点处的数据点数较密集，下屈服点峰值至谷值的差值约14 MPa。3、4号试样的其他条件相同，仅数据采样频率不同，但下拐点处的应力值差别较大，这说明下拐点与数据采集频率有一定的关系。此外，3号试样的下屈服点明显高于4号试样，其原因就在于3号试样的下屈服点处采集数据点偏少而造成局部数据点缺失，下屈服点失真，导致实测的下屈服点偏高。但抗拉强度受数据采样频率的影响不大，因此，4号试样的强屈比高于3号试样。

图4 3号试样的拉伸应力- 应变曲线散点图Fig.4 Scatter plots of tensile stress- strain curve of the sample No.3

2.3.4 自然时效试验结果

第1次检测时，1号试样的强屈比均小于1.25；第2次检测时，2号试样的屈强比已接近1.25；而第3次检测的3和4号试样的屈强比均超过1.25。这3次检测的试样均取自同一炉冶炼、同批次轧制的钢筋，试样的自然时效时间分别为12、48和96 h。检测结果显示，随着钢筋自然时效时间的延长，下屈服点下降，导致强屈比明显增大。自然时效后下屈服点下降是因为HRB600钢筋的生产工艺为终轧后空冷，存在一定的残余应力，经过自然时效，钢筋中的残余应力得以释放，导致下屈服点下降。根据产品标准GB/T 1499.2—2018的要求，强屈比不得小于1.25，因此，对于本次试验选用的钢筋，自然时效时间应超过96 h。

图5 4号试样的拉伸应力- 应变曲线散点图Fig.5 Scatter plots of tensile stress- strain curve of the sample No.4

上述试验结果表明，数据采样频率对试样下屈服点的判定有一定影响，数据采样频率为10 s-1时的下屈服点要高于数据采样频率为30 s-1时的下屈服点。其原因在于，数据采样频率较低时，下拐点处的数据点较稀疏，仅能采集局部数据，导致下屈服点失真。下屈服点随拉伸速率的增大而升高，而数据采样频率和拉伸速率对抗拉强度的影响不明显。自然时效时间对钢筋的强屈比影响较大，随着自然时效时间的延长，下屈服点下降，导致强屈比增大。

3 结论

(1)HRB600螺纹钢筋的强屈比存在较大差异的主要原因是试样的自然时效时间不同。随着自然时效时间的延长，钢筋的下屈服点下降，强屈比增大。自然时效96 h后，强屈比达到1.25以上，满足产品标准要求。HRB600螺纹钢筋在室温拉伸时，具有自然时效敏感性，对高强度或合金元素含量较高的产品，测试时应考虑自然时效期的影响，以超过96 h为宜。

(2)试验机的数据采样频率对钢筋的下屈服点有一定的影响。数据采样频率为10 s-1时，下拐点处的数据点较稀疏，拐点曲线上的局部数据点未被采集到，导致下屈服点明显升高而失真，但数据采样频率对抗拉强度的影响不明显。对这种有特殊下屈服特征的材料，为减少试验误差，试验机的数据采样频率以不小于30 s-1为宜。

(3)钢筋的下屈服点随拉伸速率的增大而升高，但拉伸速率对抗拉强度的影响不明显。为保证能准确测定钢筋的拉伸性能，根据GB/T 228.1—2010，拉伸速率在弹性段至屈服段应为10～15 mm/min，在塑性段应为75 mm/min。