人工时效对HRB500钢筋强度的影响研究

张朝辉

（福建省产品质量检验研究院，福建 福州350002）

在热轧带肋钢筋的质量监督过程中，常常发现经企业自检合格的钢筋在质量抽查中发现屈服强度降低的现象，有时甚至低于标准的要求，出现不合格。有研究报导称盘卷钢筋自然时效后屈服强度呈下降趋势，降幅可达30MPa，其自然时效一段时间后拉伸性能趋于稳定，时效周期长达180天[1,2]。而钢筋出厂日期距生产日期的跨度只有15天至20天左右，大多未过时效期，即屈服强度值尚未达到稳定值，将进一步下降。监管部门对其实施质量监管过程中存在监管风险，也将给社会建筑工程造成安全隐患。

造成钢筋强度降低的原因是钢筋在放置过程中内应力发生了释放、游离氮在自然待置阶段泄出导致力学性能变化[1,2,3]。因此，有必要对热轧带肋钢筋时效后的性能变化规律及机理开展系统的研究。

为保障钢筋的使用安全，排除自然时效对屈服强度降低的质量隐患，文中结合自然时效机理，从时效温度、保温时间和冷却方式等方面出发，研究与自然时效等效的人工时效工艺。

1 试验方案

材料选用现工程中分别常用的HRB400和HRB500牌号，以及φ10mm和φ12mm规格的热轧带肋钢筋。

自然时效时间节点为当天生产检验、3天、7天、14天、20天、30天、60天、90天，每个节点取5根长350mm的平行样品进行拉伸试验。人工时效采用10mm、12mm两规格钢筋进行研究，在生产当日分别取5根温度（100℃、200℃、300℃和400℃），并分别保温（0.5h、1h和2h）人工时效，人工时效冷却方式采用空冷，人工时效后进行拉伸试验。

拉伸试验方法参照按GB/T 228.1-2010进行，拉伸速率全程20mm/min，试验结束后记录抗拉强度和屈服强度。试验过程应确保在同一台设备、同一人操作，避免人为和设备影响。

每个节点取力学试样的同时，截取相应金相试样进行金相试验，并计算晶粒度和珠光体含量。

2 试验结果

拉伸性能试验采用新三思微机控制万能材料试验机，金相试验采用蔡司金相显微镜，化学成分采用牛津直读光谱分析仪。

样品拉伸性能结果存在一定偏差波动，分析认为盘卷钢筋生产工艺造成通条性能降低，同时钢材性能的决定因素是钢筋的组织结构，而钢筋的组织又主要取决于炼钢的化学成分和轧制生产工艺过程，由于钢的成分存在着波动，及钢组织结构的差异，导致同一轧制批号的钢筋性能存在着轻微的波动。

不同牌号钢筋在不同自然时效周期后，拉伸试验抗拉强度和屈服强度试验结果如图1、图2所示。从图1和图2可以看出，随着自然时效周期的增长，钢筋抗拉强度Rm未出现明显变化，但屈服强度Rel出现不程度的下降，其中Φ12mm HRB400的钢筋下降幅度高达10MPa。

图1 HRB400钢筋自然时效后抗拉强度和屈服强度

图2 HRB500钢筋自然时效后抗拉强度Rm和屈服强度Rel

表1 钢筋化学成分 单位：%

3 结果分析

钢筋生产工艺采用热轧方式，热轧实际为热变性的过程。金属在热变形以后，由于有一定的温度和一定的持续时间，会产生软化过程。金属原子依靠变形金属具有的热量作为动能恢复到稳定位置上去，部分恢复了热变形所改变的力学性能，减弱或者消除了残余应力。正是由于静态恢复机制的作用，使得钢筋时效前与时效后的力学性能指标值，呈现强度指标Rel下降的变化[4]。

3.1 时效对钢筋屈服强度的影响

从表2中可以看出，屈服强度对时效过程最为敏感，即时效对屈服强度影响较大，其敏感因子均为负值，即屈服强度均出现下降。钢筋的屈服现象，Cottrell首先用间隙型的溶质原子碳和位错的交互作用，形成“柯氏气团”来解释[6]。拉伸试验实际就是位错滑移的过程，由刃型位错的应力场可知，在滑移面以上，位错中心区域为压应力，滑移面以下为拉应力。若有间隙原子C、N存在，就会与位错交互作用偏聚于刃型位错的下方，以抵消部分的应力，从而使位错的应变能降低，位错趋向稳定不易运动，即对位错移动有着“钉扎作用”。位错用运动，必须在更大的应力作用下才能挣脱Cottrell气团的钉扎而移动，这就形成了上屈服点，一旦挣脱之后位错的运动就比较容易，因此有应力降落，出现下屈服点和水平台。

钢筋在轧制、冷却过程中溶质原子C、N过饱和状态，同时塑性变形中形成大量如空位、位错等点阵缺陷，引起大量的点阵畸变，产生残余应力。溶质原子在固溶体中处于过饱和状态，产生压应力为主的残余应力，在塑性变形时形成的高密度位错中能起到钉扎作用，提高钢筋的屈服强度。热轧钢筋残余应力集中表现为压应力，规格越大，其残余应力也越大，时效后残余压应力释放，出现下降。钢筋轧制变形过程中储存的能量绝大部分（80%～90%）用于形成点阵畸变。这部分能力使钢筋处于热力学不稳定的状态，会自发恢复到热力学自由焓最低的稳定状态，即自然时效到一定时间后，钢筋强度基本趋于稳定。从图1和图2可以看出，钢筋在自然时效周期达到20天时，屈服强度不再下降，趋于稳定。

表2 钢筋自然时效前后的强度

3.2 时效对钢筋抗拉强度的影响

从图1和图2中可以看出，钢筋抗拉强度基本保持稳定，不会随着时效周期的变化而变化。根据金属学原理，金属的塑性变形，首先是在哪些方位最适宜滑移的晶粒内部发生，而这些晶粒的滑移由于不同方位的邻近晶粒的阻碍，在晶界处堆积，造成足够大的应力集中，促使邻近晶粒的滑移面上的位错发生变化，因而使那些原来不适于滑移的晶粒发生滑移[6]。金属的塑性变形从某种程度上说就是晶粒渐次滑移的过程。由此可知，在组织一致的情况下，金属的塑性变形的抗力，主要与金属的晶粒大小有关。金属的晶粒度越大，晶粒越细，金属塑性变形抗力越大，也就是抗拉强度越高。

钢筋一经轧制、冷却后，其晶粒度基本上不会随放置时间的变化而变化，因而其抗拉强度基本保持稳定。钢筋时效过程的金相组织试验结果如图3和图4所示，从图中可以看出HRB400和HRB500钢筋时效前后金相组织保持不变，芯部和表面均为铁素体+珠光体。试验发现时效前后钢筋的晶粒度基本稳定，检测结果见表3所示，从检测数据可以看出，晶粒度大小直接反映出抗拉强度的高低，晶粒度大的钢筋其抗拉强度值也较高。同时，钢筋在时效前后晶粒度大小未发生较大变化，抗拉强度率值也基本稳定[7]。

图3 HRB400钢筋时效前后金相组织

图4 HRB500钢筋时效前后金相组织

表3 钢筋自然时效前后的晶粒度

3.3 人工时效对钢筋的影响

人为加热到一定温度加速时效的过程，缩短时效周期，这种人工模拟时效的方法称为人工时效。选用了规格10mm和12mm，高牌号HRB500的钢筋作为研究对象。时效温度分别为100℃、200℃、300℃和400℃，保温时间分别为0.5h、1h和2h。时效保温后采用空冷方式进行。时效后采用与自然时效同样试验设备、试验方法进行拉伸试验，不同温度和规格人工时效后屈服强度结果见表4和表5所示。从表中可以看出，人工时效后出现屈服强度降低。

表4 Φ10mm钢筋人工时效后的屈服强度

表5 Φ12mm钢筋人工时效后的屈服强度

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因为人工时效是在一定温度下进行，所以人工时效能为发生畸变的金属原子提供一定的驱动力，结果是使能恢复到平衡位置金属原子增多，所释放的应力就更大，人工时效消除残余应力比自然时效效率高得多。理论上，100℃时效3小时的人工时效，约相当于15℃时效9个月。从结果可以看出，HRB400规格Φ22mm钢筋经人工后屈服强度均出现下降。不难看出，200℃时效温度保温10h人工时效后屈服强度较自然时效后又进一步下降了9MPa。但在同一温度下，随着时效保温时间的增加，可持续为原子发生长距离扩散提供能量，进一步消除晶格畸变，降低残余应力和位错密度，从而使屈服强度也随着进一步降低[8]。

因此，综合上述研究结果，在产品质量监督过程以及生产企业出厂检验时，可采用200℃时效温度保温1h的人工时效工艺来达到自然时效的效果。降低工厂出厂检验与使用检验或监督检验之间差异。

4 结论

经时效后强度的试验结果和分析，得到以下结论。

（1）热轧带肋钢筋在自然时效20天后强度基本趋于稳定。时效过程组织及晶粒度均未发生变化，强度变化的趋势是屈服强度有不同程度的下降，下降幅度可达10MPa，抗拉强度基本稳定。

（2）人工时效后拉伸性能的变化趋势与自然时效后拉伸性能的变化趋势相同，可在一定温度下的人工时效模拟自然时效过程，有效加快时效进程。

（3）结合自然时效后钢筋的拉伸性能变化，可采用200℃时效温度保温1h的人工时效工艺来以达到自然时效的效果，降低工厂出厂检验与使用检验或监督检验之间差异。