PSB830、PSB930系列高強度精軋螺紋鋼筋是常用的預應力混凝土用螺紋鋼筋，具有強度高、精度好等特點，被廣泛用于高速公路、高速鐵路的大型橋梁工程中。對經(jīng)過控軋、控冷后的精軋螺紋鋼筋進行拉伸試驗，結(jié)果顯示大多數(shù)鋼筋的斷后伸長率不大于3%。一般需要經(jīng)過45~60d的自然時效或200℃，1~2h的人工時效后，鋼筋的斷后伸長率才能合格。許多專家學者對時效后鋼筋斷后伸長率的變化情況進行了研究，曹重等發(fā)現(xiàn)在自然時效后，HRB400E鋼筋試樣的斷后伸長率提高，主要原因是去氫作用；劉宏玉等發(fā)現(xiàn)自然時效對英標余熱處理鋼筋的斷后伸長率影響不大；李雪峰發(fā)現(xiàn)21d自然時效后，PSB830鋼筋斷后伸長率不合格的主要原因是回火不充分。預應力鋼筋與普通螺紋鋼、英標鋼筋的化學成分和性能均有較大差異，研究人員采用力學性能測試、宏觀觀察、掃描電鏡(SEM)及能譜分析等方法，研究了自然時效對PSB830鋼筋力學性能的影響。
1、試驗材料
選擇日常生產(chǎn)的直徑為32mm的 PSB830精軋螺紋鋼筋，鋼筋的軋制過程選用180mm×180mm(長度×寬度)的熱送連鑄小方坯,采用超快冷方式冷卻，使鋼筋表層組織為馬氏體，心部組織為鐵素體+珠光體；在進一步的冷卻過程中，內(nèi)部的溫度較高，表層組織由馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，心部組織為呈網(wǎng)狀分布的塊狀鐵素體+珠光體(見圖1)。
2、試驗方法及結(jié)果
2.1 力學性能測試
圖2為5組典型試樣力學性能隨時效天數(shù)的變化情況，每組2個試樣，試驗結(jié)果取平均值。從圖2可以看出：試樣的屈服強度隨著時效時間的延長呈先降低后升高的趨勢，最終回復到初始值附近，時效天數(shù)為60d時，平均值增加了2.7%；試樣的抗拉強度前期上升明顯,后期基本穩(wěn)定，時效天數(shù)為60d時，平均值增加了12%；斷后伸長率和抗拉強度的變化規(guī)律基本一致，均有大幅度的提升，斷后伸長率在后期的增長幅度更大，時效天數(shù)為60d時，平均值從3.0%提高到了9.6%，增幅達2倍以上。
2.2 宏觀觀察
對時效前拉伸試樣的斷口進行宏觀觀察，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出：斷口整體呈脆性斷裂特征，剪切唇很少，斷口上有明顯的放射條紋，條紋收斂處為斷裂源，斷裂源位于斷口的邊緣或內(nèi)部，部分斷口表現(xiàn)為黑心白點宏觀形貌。
2.3 SEM及能譜分析
2.3.1 時效前
對時效前拉伸試樣斷口1~4進行SEM 分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：斷口1呈邊緣起裂特征，試樣邊緣有呈橢圓形的平整斷裂平臺，中心為夾雜物脫落的孔洞，孔洞的底部有裂紋，該區(qū)域以外為放射條紋；夾雜物周圍的斷口呈準解理+少量解理特征，且伴隨有二次裂紋，放射區(qū)域呈解理特征；斷口2的裂紋源同樣位于斷口的邊緣，但沒有明顯的斷裂平臺，夾雜物周圍呈沿晶斷裂特征；斷口3中心有黑心白點，斷裂源為夾雜物，其周圍基體呈準解理斷裂特征，含有二次裂紋；斷口4的中心有一個超大尺寸夾雜物，夾雜物周圍呈準解理斷裂特征。采用能譜儀對斷口4中心的夾雜物進行分析，發(fā)現(xiàn)其主要含有Ca、Al、Si、Mg、O等元素。
2.3.2 時效后
經(jīng)過60d自然時效后，試樣的斷后伸長率達到標準要求，典型斷口的SEM形貌如圖5所示。由圖5可知：斷裂源位于試樣的邊緣，深度約為0.96mm，裂紋源處呈與放射條紋垂直的海灘狀花紋，斷口呈韌性斷裂特征；斷口未觀察到夾雜物。
3、綜合分析
由SEM分析結(jié)果可知：時效前PSB830鋼筋斷裂源處含有夾雜物，其周圍為準解理形貌或沿晶斷裂形貌，符合“魚眼”特征。說明鋼中含有一定量的氫，在受到拉應力時，夾雜物周圍產(chǎn)生了氫脆，鋼中的氫含量和所受應力大小不同等因素導致斷口形貌產(chǎn)生差異。軋制后，在冷卻過程中，材料內(nèi)部的氫重新分布，部分氫向內(nèi)部未轉(zhuǎn)變的高溫區(qū)遷移。隨著溫度的下降，氫的溶解度及擴散系數(shù)大幅度降低，內(nèi)部過飽和的氫向夾雜物、晶界面、顯微空隙等缺陷處富集，導致局部區(qū)域的氫含量較高。
室溫下，PSB830鋼筋的外層組織為回火索氏體，內(nèi)層組織為碎塊狀鐵素體+珠光體。鋼筋內(nèi)層和外層的組織不同，以及軋制應力的殘余造成試樣中存在較大的殘余應力，加劇了氫向夾雜物等缺陷處的聚集程度。隨著塑性變形增加，在拉應力和殘余應力的疊加作用下，位錯攜帶的氫被內(nèi)部夾雜物周圍的應力場捕獲，導致其周圍基體原子間的鍵合力降低，呈現(xiàn)出氫脆準解理特征或沿晶斷裂特征。缺陷處的裂紋會造成鋼筋在未達到最大拉力前發(fā)生斷裂，使其抗拉強度降低。
經(jīng)過60d自然時效后，裂紋源區(qū)未觀察到夾雜物，斷裂源主要出現(xiàn)在回火索氏體所在的區(qū)域。在時效過程中，應力狀態(tài)和析出相均會影響氫的擴散和溶解，且可擴散的氫比捕獲的氫對材料力學性能的影響更大。在時效前，鋼中的氫主要以可擴散的方式存在，在內(nèi)應力的疊加作用下，氫可以快速擴散、聚集到缺陷區(qū)域。在時效過程中，內(nèi)應力逐漸釋放，畸變程度降低，使得屈服強度降低；氫的聚集程度降低，使得斷后伸長率明顯升高。鋼中含有一定量的V元素，在時效過程中，V元素以VN或V(CN)顆粒形式緩慢析出，減少了C、N等元素在晶界和位錯處的偏聚，且析出相為氫的強陷阱，其與氫的結(jié)合能較大，屬于不可逆氫陷阱。析出相對氫的捕獲，以及析出相數(shù)量的增加，降低了氫的擴散速率，減輕了氫的聚集程度，進而降低了鋼筋的氫脆敏感性，使夾雜物等缺陷附近的氫含量低于形成裂紋的臨界氫濃度。
綜上所述，在時效時間較短的情況下，內(nèi)應力釋放導致的氫聚集程度降低占主導地位。內(nèi)應力的釋放使應力誘導作用減弱，氫聚集程度降低，從而導致斷后伸長率升高。內(nèi)應力的釋放還導致畸變程度降低，從而使鋼筋的屈服強度降低。隨著時效時間的延長，析出相的陷阱作用占主導地位。在受到拉應力時，析出相的氫陷阱作用降低了氫的聚集程度，從而導致斷后伸長率大幅度升高。析出相對位錯產(chǎn)生釘扎作用，增加了抗塑性變形能力，導致屈服強度略有提高。
4、結(jié)論及建議
(1)在自然時效過程中，精軋螺紋鋼筋的屈服強度先下降后提高到初始值附近，抗拉強度先升高后趨于穩(wěn)定，斷后伸長率大幅度提高，平均增幅達200%以上。
(2)精軋螺紋鋼斷后伸長率偏低主要是因為氫元素在夾雜物附近聚集。在時效過程中，鋼筋的力學性能影響因素有內(nèi)應力、析出相以及氫的擴散等。斷后伸長率的升高主要與內(nèi)應力的釋放、析出相的氫陷阱作用有關(guān)，兩者均會導致氫的聚集程度降低。建議在軋制前增加一道連鑄坯緩冷環(huán)節(jié)，以加快鋼中氫的擴散，縮短后續(xù)的時效時間。
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