建筑用高强钢筋的生产工艺与性能研究_申喆

建筑用高强钢筋的生产工艺与性能研究_申喆

铸造技术

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DOI:10.16410/j.issn1000-8365.2015.05.016

FOUNDRYTECHNOLOGY

Vol.36No.5

May.2015

建筑用高强钢筋的生产工艺与性能研究

申

摘

喆，薛素玲

(焦作大学土木建筑工程学院，河南焦作454000)

要：阐述了高强钢筋的VN微合金化和控轧控冷生产工艺，并对不同工艺生产的高强钢筋的力学性能、焊接性

能和疲劳性能进行研究。结果表明，两种工艺生产的高强钢筋均能满足国家标准要求，控制控冷工艺更具成本优势。

关键词：高强钢筋；力学性能；焊接性能；疲劳性能中图分类号：TG113

文献标识码：A

文章编号：1000-8365(2015)05-1136-03

StudyonProductionTechnologyandPropertiesofConstructionalHigh

StrengthSteel

SHENZhe,XUESuling

(SchoolofCivilandArchitecturalEngineering,JiaozuoUniversity,Jiaozuo454000,China)

Abstract：Themechanicalproperties,weldingpropertiesandfatiguepropertiesofhighstrengthsteelbars,whichwerepreparedbyVNmicro-alloyingandcontrolledrollingandcoolingprocess,werestudied.Theresultsshowthatbothofthesteelbarscanmeetthenationalstandards,butthecontrolledrollingandcoolingprocessshowsmorecostadvantages.Keywords：high-strengthsteel;mechanicalproperties;weldingproperties;fatigueproperties

随着我国工业化和城镇化的快速发展，建筑行业发展迅速，带动了对建筑钢筋的需求。目前建筑钢筋的年需求量已超过1亿t，但低强度的

轧控冷等几种技术，不同生产工艺所用到的强化机理也不尽相同。余热处理工艺主要是利用钢筋轧后余热对钢筋进行处理，使得钢筋表层形成回火马氏体组织，从而提高钢筋的强度[3]，这种方式简单易行。但是该工艺生产出来的钢筋，存在一定时效，放置一段时间后强度会降低。另外，建筑用钢筋经常会用到焊接连接，其在焊接时组织会发生变化，性能也随之改变。所以，当前生产HRB400级钢筋的主要工艺是微合金化和控轧控冷技术。

HRB335钢筋仍占较大比重，这与发达国家还有很

大的差距，发达国家500MPa级的钢筋已经大规模的使用[1]。为获得较高的建筑结构安全度，只能靠加大低强度钢筋的用量来实现，这不仅增加施工的难度和强度，还造成资源、能源的过多消耗，引发一系列的资源和环境问题[2]。近年来，HRB400级及以上的高强钢筋发展较快。相比于普通钢筋，高强钢筋具有用量省、强度高、综合性能好、使用寿命长等优势，是今后建筑用钢筋的重要发展方向，2011年发布的《钢铁工业"十二五"规划》中指出，到"十二五"末高强钢筋的使用比例要占到80%以上。本文对

1.1微合金化

微合金化是利用晶粒细化与沉淀强化方式来提高钢筋的强度。在钢中加入微量的Nb、V、Ti等碳氮化物形成元素，可以降低含碳量，改善钢筋的焊接性能，可以获得强度高、韧性好的高强钢筋。微合金化在HRB400级热轧钢筋生产中广泛应用，但微合金元素价格较贵且波动比较大。如何在不影响钢筋质量的前提下，减少贵重合金的使用量，是研究重点与热点[5]。相比添加铌铁，采用VN微合金技术生产成本更低。

VN微合金化和控轧控冷工艺所生产高强钢筋的力

学性能、焊接性能和疲劳性能进行研究。

1高强钢筋的生产工艺

钢材的强化机理主要有固溶强化、位错强化、沉

淀强化、晶界强化、相变强化、形变强化等。目前，生产高强钢筋的主要工艺有余热处理、微合金化和控

1.2控轧控冷(TMCP)

控轧控冷是控制轧制和控制冷却相结合的技术。控制轧制是在调整钢材化学成本的基础上，通过控制轧制和加热、变形制度等参数，来改善棒材的组织形态，达到细化晶粒、提高钢筋性能的目的。轧制后再进行控制冷却，以避免冷却不均使得棒材出现

收稿日期:2014-10-04作者简介:申

喆(1980-)，女，河南焦作人，讲师.

电话：15321324651,E-mail：shenzhe707@163.com

《铸造技术》05/2015申喆，等:建筑用高强钢筋的生产工艺与性能研究

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不均匀变形。这种技术称为是控制轧制和控制冷却技术，该技术能发挥控轧和控冷两方面的优势，综合利用结晶强化、相变强化、形变强化和沉淀强化等多种强化机理，能够在提高钢材性能的同时，可以有效降低生产成本[6]。

VN钢筋的平均值为1.09，TMCP钢筋为1.18。

TMCP工艺对钢筋的强化主要通过控制奥氏体

组织的变化规律，使奥氏体中形成大量铁素体相交的晶格异质，并且能控制相变产物的组织形态，从而能够细化钢筋的晶粒，达到提高强度和韧性的目的，具有较高的抗拉强度和屈服强度。在众多强化机理中，细晶强化在提高钢筋强度的同时，也能够提高钢筋的韧性和塑性。但细晶强化对抗拉强度和屈服强度的提高率并不一样，对屈服强度的提高更为明显，这就造成强屈比降低。我国建筑钢筋对强屈比的要求为≥1.25，上述结果能够满足国家标准，但相比

2不同生产工艺高强钢筋的性能研究

2.1试验材料

VN微合金化和控轧控冷两种工艺的强化机理

不相同，生产成本也不相同，本节研究二者在力学性能和疲劳性能的差异。在国内市场上选择VN微合金化和控轧控冷两种工艺生产的400MPa级的高强钢筋，直径均为16mm，对其进行性能研究。表1为两种钢筋的化学成分。

表1试验钢筋的化学成分w(%)

VN微合金化钢筋要低。

VN微合金化钢筋主要通过沉淀强化机理来提

高性能，VN也有细晶强化机理，其能够细化钢筋组织，但细化效果不明显。VN微合金化钢筋中，在铁素体的基体中VN呈弥散分布，成为阻碍位错运动的障碍物，这样可以有效提高塑性变形的抗力。一般情况，V含量越高，第二相分布越弥散，沉淀析出量越大，强化效果就越好。

Tab.1Chemicalcompositionoftheexperimentalsteel

C

VNTMCP

0.220.22

Si0.520.43

Mn1.451.39

P0.0240.023

S0.0250.022

V0.0260.013-

GB1499.2-2007≤0.25≤0.80≤1.60≤0.045≤0.045

2.3焊接性能研究

钢筋的可焊性通常是由钢筋中碳和各种合金元素的含量决定，一般以碳当量Ceq=C+1/6Mn+1/5

2.2力学性能研究

对于高强钢筋的力学性能的评价，根据

GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》的要

求，室温和普通气压条件下，使用万能试验机，以5

(Cr+V+Mo)+1/15(Cu+Ni)来表达。两种钢筋的Ceq均

小于0.55%，具有可焊性。

对其焊接性能的考察是采用多层多道焊接方式，再对焊后钢筋进行力学性能试验。焊接时，主要金属对焊缝合金元素有稀释作用，为降低这种作用，采用V型坡口对接的焊接试板。先将坡口处的杂质清理干净，采用自动埋弧焊的方式焊接。焊后经无损探伤合格后，再进行力学性能测试。按照

mm/min的位移控制速率，对钢筋进行拉伸试验，得

到材料的强度和塑性指标。

表2为钢筋的力学性能测试结果。编号为1~5号钢筋为VN微合金化工艺生产，6~10号钢筋为

TMCP工艺生产。可以看出，两种钢筋在各个力学指标

上都能满足国家标准的要求。TMCP工艺钢筋的屈服强度和抗拉强度高于VN微合金化工艺。但是，VN钢筋的平均强屈比(Rm/Rel)为1.39，高于TMCP钢筋的

YB(T)10-81和GB/T228-2002标准，在万能试验机

上对焊后钢筋进行拉伸试验，结果列于表3。可以看出，断裂部位是母材，两种钢筋的焊接接头强度和塑性都能够满足实际需要。按照GB/T232-1999，使用导向弯曲试验机，对两种钢筋进行弯曲试验，结果显

1.30。对于实测屈服值与标准特征值的比(Rel/400)，

表2钢筋的力学性能

Tab.2Mechanicalpropertiesofthesteel

钢筋编号

Rel/MPa435435435430435475470475470470

Rm/MPa605600610605605605605625610605

Az(%)25242425242525252626

Rm/Re1.391.381.401.411.391.291.291.321.301.29

Re/4001.091.091.091.081.091.191.171.191.171.17

示所测钢筋未见缺陷，这表明两种钢筋在焊接接头的全厚度方向上，都具有较好的弯曲塑性变形性能。

表3焊后接头的力学性能

12345678910

Tab.3Mechanicalpropertiesoftheweldedjoints

生产工艺

Rel/MPa440480

Rm/MPa615630

Az(%)2425

断裂部位母材母材

弯曲合格合格

VNTMCP

2.4疲劳性能研究

使用100kN电液伺服疲劳试验机(PLS)进行疲劳试验。钢筋的公称面积为201.06mm2，根据英标

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BS4449疲劳试验的要求，应力比为0.2，准16mm钢

筋的最小应力为50MPa，最大应力为250MPa，可以计算出对于准16mm的钢筋所使用的最小力为

以有效降低生产成本。参考文献：

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10.055kN，最大力为50.275kN。试样钢筋在轴向拉

伸力的作用下，用锥形夹具和一定的夹持介质下进行。试验循环至2×106次时，两种钢筋均未断裂，表明所用高强钢筋的疲劳性能均满足国家标准规定值，具有较好疲劳性能。

3结论

（1）TMCP钢筋的抗拉强度和屈服强度比VN

(11)：1-11．

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马占福．控制轧制和轧后控冷对钢材组织及性能影响的研究

钢筋高，而VN钢筋的强屈比更高，抗震性能更好，两种钢筋的强度和塑性指标均满足国家标准。

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