熱軋帶肋鋼筋(簡稱螺紋鋼)是鋼鐵行業(yè)重要的組成部分，主要應(yīng)用于民用建筑、工業(yè)建筑、水利工程、交通設(shè)施（橋梁、鐵路）、港口等諸多領(lǐng)域。彎曲性能作為物理性能檢驗項目之一，更是螺紋鋼的重要的質(zhì)量指標。鋼筋在建筑施工過程中通常會彎折90°錨固使用，一旦斷裂將給建筑物帶來嚴重安全隱患。

近期對某工地反饋使用32 mm螺紋鋼HRB400E 進行90°折彎時部分鋼筋斷裂，為查清斷裂原因，對工地提供的試樣進行了化學成分分析、物理性能實驗、斷口分析及金相組織分析。找到了該批次螺紋鋼引起折彎斷裂的原因[1-4]。

1.   宏觀形貌

斷裂試樣的整體形貌、鋼筋彎曲內(nèi)側(cè)形貌見圖1和圖2，圖2標記3處為斷裂部位，其相鄰橫肋根部兩側(cè)均存在肉眼可見裂紋。

2.   生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)HRB400E的工藝流程為：高爐鐵水→（鐵水預處理）→轉(zhuǎn)爐→鋼包底吹氬→連鑄→棒材生產(chǎn)線→加熱爐加熱→軋制→冷床冷卻→定尺剪切→取樣檢驗→打捆→吊運入庫。經(jīng)追溯生產(chǎn)工藝，該批次的冶煉、連鑄、軋鋼工藝均未發(fā)現(xiàn)異常。

3.   理化分析

3.1   化學成分分析

對斷裂試樣取樣進行化學成分分析，結(jié)果見表1。斷裂試樣的成分符合GB/T1499.2—2018鋼筋混凝土用鋼第2部分熱軋帶肋鋼筋中的要求。

3.2   力學性能

對斷裂試樣進行力學性能檢驗，結(jié)果見表2。斷裂試樣的各項物理性能均符合GB/T1499.2—2018鋼筋混凝土用鋼第2部分熱軋帶肋鋼筋中的要求。取斷裂試樣進行了正彎實驗及反彎實驗，彎曲部位的內(nèi)外側(cè)均未見裂紋。圖3為正彎180°實驗，圖4為先正彎90°再反彎20°實驗。

3.3   氣體檢驗

對斷裂試樣進行O和N含量檢驗，O質(zhì)量分數(shù)為0.0068%，N質(zhì)量分數(shù)為0.0092%。檢驗結(jié)果與正常批次試樣相差不大，無異常偏高。

3.4   斷口電鏡掃描

靠近斷口的裂紋和斷口形貌見圖5和圖6。斷裂試樣經(jīng)超聲波酒精清洗后在掃描電鏡下進行斷口觀察分析。

圖5斷口呈平直狀，無明顯縮頸過程，是典型的脆性斷裂。圖6標記1區(qū)域為彎曲部位外側(cè)，為解理斷裂特征；標記3區(qū)域為彎曲部位內(nèi)側(cè)，為韌窩特征；裂紋均發(fā)生在橫肋根部；標記為2、3區(qū)域存在肉眼可見的銹蝕情況。對圖6標記為1、2、3的部位進行電鏡掃描，結(jié)果見圖7。

通過能譜分析結(jié)果，可見標記2、3區(qū)域存在大量以O(shè)、Si、Ca等元素為主的非金屬物質(zhì)。這些非金屬夾雜物往往會破壞鋼體的連續(xù)性，降低鋼筋的塑性[5-7]。同時橫肋根部存在應(yīng)力集中，是鋼筋最脆弱的部位，一旦基體內(nèi)部非金屬夾雜物含量過高，極易在該部位發(fā)生彎曲斷裂。

3.5   夾雜物及金相組織

對斷裂試樣斷口部位進行縱切后觀察裂紋附近組織及夾雜物，F(xiàn)+P組織為帶狀2.5級，非金屬夾雜物為A2.5，B1.5，C2.5e，D1.0級。

斷裂試樣的夾雜物見圖8，以分布在裂紋附近的硫化物和鋼基體普遍存在的大尺寸硅酸鹽夾雜為主，硅酸鹽夾雜寬度約為60 μm，超過視場長度，夾雜物的總長度為1380 μm。

鋼筋基體中硅酸鹽夾雜的分布呈條帶狀分布，這類硅酸鹽夾雜廣泛存在于裂紋處。鋼中普遍存在的條帶狀硅酸鹽夾雜是引發(fā)冷彎裂的重要裂紋源, 是引起折彎斷裂的重要原因之一。尤其是那些超寬的板條狀硅酸鹽夾雜, 更是會對冷彎性能造成致命影響。非金屬夾雜物迫使應(yīng)力分布產(chǎn)生不均，易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，夾雜物周圍的鋼筋基體應(yīng)力急劇加大，導致非金屬夾雜物破碎而產(chǎn)生空隙，破壞了鋼筋基體的連續(xù)性。斷裂試樣的橫肋根部存在大量的硫化物夾雜，其熱膨脹系數(shù)大于鋼，冷卻時熱膨脹系數(shù)大的夾雜物周圍會產(chǎn)生空洞，此部位會產(chǎn)生應(yīng)力集中。硅酸鹽夾雜的熱膨脹系數(shù)比鋼小，冷卻過程中，在夾雜物周圍的基體會產(chǎn)生拉應(yīng)力。當材料進行塑性加工時，容易變形的金屬在難以變形的非金屬夾雜物周圍流動，產(chǎn)生的張力使金屬-非金屬夾雜物界面斷裂，形成空隙，這種空隙即為裂紋的起源地。

斷裂試樣斷口及心部的顯微組織為鐵素體和珠光體，見圖9。斷裂試樣帶狀組織評級2.5，由于夾雜物含量較多，經(jīng)熱軋加工后使夾雜物呈流線分布，冷卻時先共析鐵素體和珠光體呈帶狀分布，最終形成帶狀組織。導致鋼筋的機械性能呈現(xiàn)方向性，垂直于帶狀組織方向上的強度及塑性低于平行帶狀組織方向。從圖10中標記為a、b、c三處的裂紋部位顯微組織可以看出，橫肋根部的裂紋幾乎是沿著垂直帶狀組織延伸[8-10]。

4.   措施與建議

通過加強煉鋼轉(zhuǎn)爐崗位操作規(guī)范及軋鋼軋輥倒角工作，后續(xù)市場無折彎斷裂反饋發(fā)生：

(1)鋼筋基體中硫化物及硅酸鹽夾雜過多，是導致該批次HRB400E折彎斷裂的主要原因。由于煉鋼終點溫度控制不到位，點吹后鋼水氧含量偏高，脫氧后形成脫氧產(chǎn)物偏多，且吹氬效果不良，鋼水內(nèi)夾雜物無法有效上浮，存于鋼液中。以及澆注過程液面起伏較大，造成大顆粒夾雜卷入。建議煉鋼轉(zhuǎn)爐崗位強化操作，提高一次倒爐率，減少點吹爐次，降低鋼水氧含量，對點吹爐次補加脫氧劑強化脫氧效果，同時保障爐后吹氬時間及吹氬效果，促使夾雜物充分上浮。出鋼過程要把握好擋渣球投入時機，嚴禁出鋼下渣情況發(fā)生，提高鋼水潔凈程度。

(2)橫肋根部沿著軋制方向上往往存在一定的殘余拉應(yīng)力，前滑對橫肋的刮擦力越大，導致應(yīng)力集中加劇。盡管國家標準對彎曲時的彎曲壓頭直徑有明確規(guī)定，32 mm鋼筋的彎曲壓頭直徑為5d，實際建筑工地往往達不到這個要求，更加加劇了折彎斷裂的幾率。建議軋鋼加強軋輥橫肋α夾角的倒角作業(yè)，避免應(yīng)力過于集中導致折彎斷裂的發(fā)生。

文章來源——金屬世界