含铌HRB400E钢筋无屈服强度的原因分析及对策

狄明军

（新疆八一钢铁股份有限公司制造管理部）

1 问题的提出

多年来八钢主要以钒氮合金生产HRB400E热轧带肋钢筋，由于钒氮合金价格变化巨大，为降低成本，研究探索采用铌微合金化替代钒氮合金的工艺生产热轧带肋钢筋。但在试验中发现部分试样出现无屈服现象,同时个别还出现延伸率偏低的情况。按照GB/T 1499.2-2018钢筋混凝土用钢-热轧带肋钢筋的要求,当钢筋没有屈服强度时，可以用塑性延伸强度Rp0.2代替，但用户由于检验方法以及使用习惯等原因，对无屈服点的钢筋不易接受，造成产品销售困难。八钢采用含钒合金生产的热轧带肋钢筋很少出现力学性能无屈服现象，为此，八钢公司成立了攻关团队，对含铌HRB400E钢筋出现无屈服现象进行了分析。

2 HRB400E生产工艺简述

生产HRB400E的工艺流程：40t转炉→钢包底吹氩→方坯连铸机→棒材机组→检验→标识→入库。

3 检测分析

对无屈服钢筋与性能正常的含钒钢筋进行化学成分、性能对比分析，对屈服钢筋与性能正常的含钒钢筋取样进行金相组织对比分析。

3.1 力学性能的比较

对含铌钢无屈服的试样与性能正常的含钒钢试样进行比较，见表1。由表1清楚地看到,含铌钢无屈服的的试样大多具有较高的抗拉强度Rm,其值在639～730MPa,平均值约为671MPa；而性能正常含钒钢筋的抗拉强度在569～715MPa，平均值635MPa。说明抗拉强度大的试样出现无屈服的可能性增大。

3.2 化学成分的比较

对含铌钢无屈服试样与性能正常的含钒钢钢筋进行C、Si、Mn、V、Nb含量的比较分析和统计，见表1。C、Si、Mn化学含量接近，不同的是微合金化元素V和Nb。说明含铌钢筋容易出现无屈服的情况。

表1 无屈服的试样与性能正常的试样成分和性能对比

3.3 显微组织的比较

取无屈服钢筋与性能正常的含钒钢钢筋做金相组织分析。试样的化学成分见表2，金相分析结果见表3和图1、图2。图1为性能正常试样的显微组织照片，图2为无屈服试样的显微组织照片。可以看出,两试样的晶粒度差异不明显，性能正常的批号1809-0106金相组织铁素体+珠光体，无贝氏体；无屈服的1811-0577除了铁素体+珠光体外还含有大量贝氏体，心部的偏析程度更为严重，几乎为贝氏体。

表2 无屈服试样与性能正常试样的化学成分

表3 无屈服与性能正常含钒钢试样的金相组织

图1 性能正常1809-0106试样的显微组织

图2 无屈服1811-0577试样的显微组织

4 原因分析

国标钢筋混凝土用钢-热轧带肋钢筋GB/T 1499.2-2018的要求规定：热轧带肋钢筋的金相组织应主要是铁素体加珠光体，基圆上不应出现回火马氏体组织，正常抽查的热轧带肋钢筋金相组织也是这种情况。根据以上分析，无屈服试样的金相组织有大量贝氏体组织应该是组织异常。

钢在热加工状态下的组织通常为奥氏体，在轧制、冷却过程中由于温度变化的不同，会转变为不同的组织，因此，当轧制温度、冷却速度不同，会得到不同的钢材组织，也会得到不同的力学工艺性能。在不同的轧制温度和冷却速度下，可能得到铁素体a、珠光体P、贝氏体B，如果冷却速度过快，还会得到马氏体组织。

贝氏体是由铁素体和碳化物组成的机械混合物，钢中的贝氏体提高钢筋的抗拉强度，但也增加钢的脆性，钢中贝氏体含量较多是造成钢筋无屈服强度的主要原因。

4.1 炼钢工艺方面

铌（Nb）元素的强化机制主要是细化晶粒和沉淀强化，可提高钢的强度，铌含量小于0.03%，钢中的细化晶粒是主要的强化机理，铌含量大于0.03%，钢中钢的沉淀强化是主要的强化机理[1]。

铌元素虽然具有显著的强化效果，但它同时又是增加淬透性的元素，钢中由于铌的加入,增大了过冷奥氏体的稳定性,使C曲线右移,增强了钢的淬透性,因而在相变时铁素体的形成被抑制,有利于细化铁素体,同时也促进了贝氏体的形成。因此,铌微合金钢筋中存在贝氏体是由铌在钢中的作用机理所决定的。

国内其它钢厂在生产含铌热轧带肋钢筋时也出现此类问题,例如宣钢（Nb0.03%～0.040%），与正常的钢筋比,无屈服钢筋组织中的贝氏体所占的比例很高,宣钢认为贝氏体含量超过10%时,钢筋很容易出现无屈服现象。昆钢认为贝氏体含量大于15%时,钢筋很容易出现无屈服现象[2]。

唐钢（Nb0.023%～0.04%）认为贝氏体含量大于12%时,极易造成钢筋无屈服情况，与宣钢接近[3]。

各厂的生产条件不尽相同，检测的数据也不尽相同，但从八钢的检验结果（定性检测）来看：与正常的钢筋比,无屈服钢筋组织中的贝氏体所占的比例较高,这与以上厂家的观点基本是一致的。

4.2 轧制工艺方面

贝氏体组织的出现与热加工过程息息相关,不合适的终轧温度,会使原始晶粒粗大,增加过冷奥氏体的稳定性,轧后冷却速度过快,使钢产生贝氏体组织,导致出现无屈服强度现象。

八钢轧制工艺比较适合轧制含钒钢筋，由于钢中加入铌,使C曲线右移,如果仍然保持原有的轧制冷却速度或较快的冷却速度，轧制含铌钢筋，就会有更多的贝氏体的形成。

从容易出现力学性能无屈服强度现象来看，采用含钒轧制工艺参数轧制含铌钢，轧制冷却速度过快，是不合适的。

另外,也发现含铌HRN400E钢筋出现无屈服现象大多集中在环境温度开始降低的11月份。在化学成分相同、加热温度一定的情况下,环境温度越低,轧后冷却速度越大，产生异常贝氏体组织的可能性就越大。

5 对策及效果

根据以上分析，热轧带肋钢筋无屈服强度的主要原因是钢的组织中贝氏体含量较多造成的。

所以消除钢筋无屈服强度缺陷,应同时考虑成分、热加工温度和冷却速度三个方面的因素。

表4 加铌铁合金HRB400EN的性能

为减少钢中贝氏体采取了以下措施：炼钢方面降低钢中Nb含量；在轧钢工序，与轧制含钒钢相比，降低了轧制的终轧速度，在原有的终轧速度的基础上各种规格均降低1m/s，适当提高上冷床温度，确保冷却速度控制在3℃/s以下。在冬季时间11月至次年的4月间，将冷床进行封闭，减弱冷床上钢筋的冷却速度。

通过采取以上控制措施，HRB400E钢筋无屈服强度的现象得到有效控制。抽查取样做有关分析，化学成分及性能见表4，金相分析结果见表5。

表5 第三次试验材样金相分析

以上分析可知：HRB400E钢材无屈服强度的原因是轧材组织存在大量贝氏体。力学性能满足要求的钢材组织中出现少量的贝氏体，即组织是铁素体＋珠光体＋少量的贝氏体。

图3 1812-4208试样的显微组织

图4 1812-4335试样的显微组织

抽查性能正常的钢筋做金相组织分析，钢材组织中出现少量贝氏体的情况较为普遍。因此认为钢筋组织中有少量贝氏体，不会出现无屈服现象。

钢筋微观组织中贝氏体含量的变化是影响性能波动的主要因素，比如会出现钢筋无屈服现象。由于钢中铌的存在，使轧钢过程中轧制条件（轧制温度、冷却条件）和钢筋化学成分的波动变化直接影响钢筋的微观组织中贝氏体含量,并且变得十分敏感，所以实际生产中应对窄成分控制和轧制条件的稳定予以重视。

6 结论

(1)HRB400E热轧带肋钢筋出现无屈服现象的主要原因是其金相组织存在大量贝氏体,贝氏体的形成与钢中铌含量和轧制冷却制度有关，较高的铌含量和较快轧后的冷却速度，能促进贝氏体的形成。

(2)采取降低钢中铌含量和轧后冷却速度的措施,对减少贝氏体含量是有效的。

(3)HRB400E热轧带肋钢筋组织中存在少量贝氏体，能提高钢的强度，不会出现无屈服现象。