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非微合金化HRB400鋼筋焊接性能與抗震性能研究
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司
更新時(shí)間：2013-07-30
非微合金化技術(shù)指的是不添加Nb、V等微合金，通過材料自身的線、面缺陷強(qiáng)化即形變位錯(cuò)強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化來提高材料的性能。采用缺陷強(qiáng)化技術(shù)面臨的難題之一是焊接性能，因?yàn)楹附訒r(shí)，熱影響區(qū)金屬重新加熱到很高的奧氏體溫度區(qū)，焊后該區(qū)晶粒粗化，失去了缺陷強(qiáng)化的作用。難題之二是抗震性能，因?yàn)槊嫒毕輳?qiáng)化對屈服強(qiáng)度的提高遠(yuǎn)大于對抗拉強(qiáng)度的提高，單純依靠面缺陷強(qiáng)化必然會導(dǎo)致強(qiáng)屈比下降。
為了保證非微合金化HRB400鋼筋的焊接性能與抗震性能，進(jìn)行如下研究：①焊接強(qiáng)度與化學(xué)成分、母材強(qiáng)度的關(guān)系研究；②焊接熱影響區(qū)晶粒粗化與原始鐵素體晶粒度的關(guān)系研究；③經(jīng)濟(jì)地獲得面缺陷強(qiáng)化的技術(shù)；④經(jīng)濟(jì)地獲得線缺陷強(qiáng)化的技術(shù)。通過上述試驗(yàn)研究確定了滿足焊接安全和抗震要求的非微合金化HRB400鋼筋化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝。
1焊接強(qiáng)度與化學(xué)成分、母材強(qiáng)度的關(guān)系研究
具有不同化學(xué)成分級的鋼筋焊接強(qiáng)度與母材強(qiáng)度的關(guān)系，以及理想狀態(tài)焊接強(qiáng)度與母材強(qiáng)度的關(guān)系隨著化學(xué)成分及組織形態(tài)改變，母材強(qiáng)度大幅提高，焊接強(qiáng)度也得到一定程度的提高，但是無論母材強(qiáng)度如何增加，焊縫強(qiáng)度始終≤575MPa，導(dǎo)致斷裂發(fā)生在焊縫，不能滿足焊接安全要求。理想狀況HRB400鋼筋平均母材強(qiáng)度應(yīng)略低于焊縫強(qiáng)度，使得斷裂發(fā)生在母材，保證鋼筋焊接性能安全。
2焊接熱影響區(qū)晶粒粗化與原始鐵素體晶粒度的關(guān)系研究
結(jié)合文獻(xiàn)以及焊接熱模擬試驗(yàn)，原始鐵素體的晶粒尺寸越小，所得到的初始奧氏體的尺寸就越小，而其最終熱影響區(qū)粗晶區(qū)奧氏體的晶粒就越大，隨著原始鐵素體晶粒尺寸的不斷減小，快速加熱時(shí)的材料轉(zhuǎn)變溫度不斷降低，奧氏體晶粒長大的粗化溫度下降，粗晶區(qū)(CGHAZ)變寬。上述分析得出的結(jié)論是化學(xué)成分相同，晶粒尺寸越小焊接強(qiáng)度可能越低，分析結(jié)果是一致的，20MnSi材質(zhì)通過超細(xì)晶工藝母材強(qiáng)度達(dá)到715MPa，比常規(guī)工藝母材強(qiáng)度提高100MPa，但是焊接后強(qiáng)度降至570MPa，比常規(guī)工藝軋材焊接強(qiáng)度還要略低。
3經(jīng)濟(jì)地獲得面缺陷強(qiáng)化的技術(shù)
焊接強(qiáng)度確定后，母材強(qiáng)度一方面必須不小于標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)又不得大于焊接強(qiáng)度值。通過計(jì)算，要保證母材強(qiáng)度在標(biāo)準(zhǔn)要求之上，焊接強(qiáng)度值之下，晶粒度需要控制在9.5～1O.5級。而常規(guī)工藝生產(chǎn)HRB335，晶粒度≤8級，需要提高晶粒度1.5級以上。采用超細(xì)晶路線能夠有效獲得面缺陷強(qiáng)化，但是超細(xì)晶工藝生產(chǎn)大規(guī)格鋼筋會帶來如下問題：①邊部晶粒細(xì)，心部晶粒粗，組織不均勻；②焊接后強(qiáng)度下降顯著，不能滿足焊接要求；③屈服強(qiáng)度提高遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度提高，造成強(qiáng)屈比抗震性能不足；④設(shè)備要求高。
4經(jīng)濟(jì)地獲得線缺陷強(qiáng)化的技術(shù)
抗拉強(qiáng)度均得到提高，而且屈服強(qiáng)度的提高幅.從試驗(yàn)結(jié)果看，隨著晶粒細(xì)化，母材屈服強(qiáng)度更和采用20MnSi鋼坯進(jìn)行不同軋制工藝試驗(yàn)，總大，同時(shí)強(qiáng)屈比下降。晶粒度為7.5～8級時(shí)，屈服結(jié)出晶粒度與屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及強(qiáng)屈比的關(guān)強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求；而當(dāng)晶粒度達(dá)到9.5級時(shí)，強(qiáng)度富余量較大，但強(qiáng)屈比已經(jīng)低于第7期周玉麗等：非微合金化HRB400鋼筋生產(chǎn)技術(shù)研究211.25的抗震要求。也就是說，單純采用面缺陷強(qiáng)化難以滿足抗震要求，必須通過線缺陷強(qiáng)化來提高材料的抗拉強(qiáng)度，因?yàn)榫€缺陷強(qiáng)化對材料抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)要大于對屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。
線缺陷主要來源于形變過程，同時(shí)線缺陷在高溫狀態(tài)下消失非常迅速，如何使形變過程中產(chǎn)生的高密度位錯(cuò)在形變后得到保留，從而實(shí)現(xiàn)對材料的強(qiáng)化，通過工藝研究，降低形變溫度、軋后立即冷卻等方式是保留高密度位錯(cuò)較好的途徑。為了定量分析線缺陷獲得情況和強(qiáng)化貢獻(xiàn)大小，取非微合金化HRB400鋼筋和同成分的HRB335試樣，通過透射電鏡進(jìn)行線缺陷密度分析，并采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算線缺陷強(qiáng)化對HRB400鋼筋強(qiáng)度的提高值。
5結(jié)論
(1)通過大量對比分析非微合金化HRB400鋼筋與Nb微合金化HRB400Nb的各項(xiàng)使用性能，包括抗震性能、閃光焊性能、電渣壓力焊性能、強(qiáng)屈比、時(shí)效性能、低溫拉伸性能、低溫沖擊性能，非微合金化HRB400鋼筋使用性能等同于鈮微合金化HRB400Nb。
(2)非微合金化HRB400鋼筋的開發(fā)，不但大幅度地降低了生產(chǎn)成本，而且產(chǎn)品具有優(yōu)良的焊接性能、抗震性能以及低溫性能，有效推動了中國建筑鋼筋的更新?lián)Q代。
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