楊曉燕，衛(wèi)社彥，許艷妮，李君榮，楊 鳳

（陜西龍門鋼鐵有限責(zé)任公司能源檢計(jì)量中心質(zhì)檢作業(yè)區(qū)，陜西 韓城 715405）

21世紀(jì)以來，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、人民對高水平生活意識的提高，我國建筑業(yè)及鋼鐵產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展使得人們對其各方面性能的要求也越來越高。HRB400E熱軋肋鋼筋是建筑業(yè)及國民經(jīng)濟(jì)中的重要支柱[1-2]，是國內(nèi)很多鋼廠的主導(dǎo)產(chǎn)品之一。金相顯微鏡、掃描電鏡（SEM）及其配套X射線能譜（EDS）作為電子顯微分析技術(shù)中應(yīng)用極為廣泛的儀器，能在對各種材料的組織、微觀形貌觀察的同時(shí)對成分進(jìn)行微區(qū)分析、線分析及面分析。鋼鐵材料主要用來進(jìn)行斷裂失效分析、產(chǎn)品缺陷分析等。HRB400E熱軋肋鋼筋是本單位的主要產(chǎn)品之一，其中某一批進(jìn)行力學(xué)性能的彎曲試驗(yàn)過程出現(xiàn)脆性斷裂，產(chǎn)品的質(zhì)量直接不合格，造成資源與成本的嚴(yán)重浪費(fèi)。本文針對某一批HRB400E熱軋肋鋼筋在彎曲試驗(yàn)過程中產(chǎn)生脆性斷裂的這一現(xiàn)象，利用光譜儀、金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜對斷裂樣品的成分及組織、形貌進(jìn)行分析，探究廢鋼的加入對HRB400E熱軋肋鋼筋組織結(jié)構(gòu)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文所分析鋼筋材料為西北某大型鋼企所生產(chǎn)的HRB400E熱軋肋鋼筋，鋼筋完成軋制后，在鋼筋在進(jìn)行屈服試驗(yàn)的過程中，彎曲90°時(shí)出現(xiàn)脆性斷裂現(xiàn)象。如圖1所示，為斷裂后的樣品。取樣方法如下：采用切割機(jī)分別在兩端距離斷口處5 cm處切割制取兩個(gè)試樣。

圖1 彎斷樣品的外觀圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 金相分析

采用公司的型金相顯微鏡對樣品進(jìn)行測試。首先，利用固化劑將切割機(jī)所切取的樣品在磨具中冷卻成模，在磨樣機(jī)上對樣品分別進(jìn)行磨制和拋光。磨制過程中轉(zhuǎn)速為600 r/min，試樣尺寸為磨面面積小于400 mm2，高度15～20 mm。拋光速度為600 r/min，所用拋光劑為金剛石。最后用4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行浸蝕。

1.2.2 電鏡分析

首先，將切割制取的樣品底面進(jìn)行磨制至光滑平整，隨后在超聲清洗儀中用無水乙醇清洗樣品，清洗方案為清洗5次，每次3 min。采用德國蔡司公司VEO18掃描電鏡觀察其微觀形貌，并利用附帶的M40能量色散X射線光譜檢測器分析其表面元素組成。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 成分結(jié)果

采用熒光光譜儀對樣品斷口處進(jìn)行成分分析，其主要合金元素含量如表l所示?？煽闯?，鋼材主要合金元素基本在國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)[3]。由此可見，該種鋼材的成分控制不存在問題。冶金質(zhì)量符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

表1 鋼材中主要合金元素成分 %

2.2 金相組織

利用金相顯微鏡對所截取的磨面為原構(gòu)件的橫截面的樣品組織及夾雜物進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖所示。根據(jù)國標(biāo)GB 1499.2—2007《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》[4]中關(guān)于組織的要求“普通熱軋帶肋鋼筋不得有影響使用性能的其他組織存在”。如圖2所示，可以看到其組織主要為鐵素體+珠光體+魏氏組織，其晶粒度大小為8.5級[5]；局部出現(xiàn)帶狀組織，即沿軋制方向形成的，鐵素體帶和珠光體帶相互堆疊而成的組織形態(tài)，而鋼中帶狀組織的存在多數(shù)是由成分偏析引起，成分偏析越嚴(yán)重，形成的帶狀組織也越嚴(yán)重[6]。如圖3所示，可以看到其組織中含有大量夾雜物，根據(jù)形態(tài)判斷主要為硫化物夾雜物。

圖2 彎斷樣品的組織照片

圖3 彎斷樣品的夾雜物照片

2.3 電鏡結(jié)果

對樣品斷口進(jìn)行掃描電鏡分析，其結(jié)果如圖4所示。將掃描電鏡（SEM）放大至1 000倍左右，如圖4-1和4-2所示，可以看到其晶界處出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，因此對晶界處進(jìn)行放大觀察[7]。對晶界處放大，可以看到晶界的三叉交點(diǎn)處有明顯開裂。利用能譜對晶面及晶界處的元素進(jìn)行分析，其位置如圖5所示，能譜結(jié)果如表2所示，可以看到，晶面處的元素組成主要為Fe元素，同時(shí)含有少量的Mn、O、C元素，均為為鋼材組成的基本元素。晶、界處的元素組成主要為Fe，同時(shí)含有少量的Mn、O、Si、Sn元素，其中Fe、Mn、O、Si均為鋼材組成的基本元素及生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的夾雜物元素組成，而Sn元素主要集中在晶界處。

表2 彎斷樣品的晶界能譜結(jié)果 %

圖4 彎斷樣品的SEM圖

圖5 彎斷樣品的晶界能譜結(jié)果

3 分析討論

根據(jù)直讀光譜儀的結(jié)果顯示，鋼中的主要元素均在規(guī)格要求范圍內(nèi)，但從組織結(jié)果可以看出，該樣品部分位置存在帶狀組織，而鋼中帶狀組織的出現(xiàn)大多數(shù)是由鋼材的組成成分偏析引起的，成分偏析越嚴(yán)重，形成的帶狀組織也越嚴(yán)密。

元素在鋼中的偏析對鋼的性能有著顯著的影響，不同元素的偏析對性能的影響不同，其偏析的量和偏析的位置都會對鋼的性能產(chǎn)生很大影響[8]。元素在鋼中發(fā)生偏析的位置主要集中在晶界和位錯(cuò)線，當(dāng)其發(fā)生在晶界時(shí)將直接導(dǎo)致晶界的脆化或者細(xì)晶強(qiáng)化效果，并進(jìn)而影響鋼的塑韌性、淬透性和回火脆性等[9-11]?；诖耍脪呙桦婄R對樣品進(jìn)行形貌觀察。結(jié)果證明，其斷口的形貌確實(shí)出現(xiàn)晶界開裂的現(xiàn)象。晶界和晶面的元素能譜結(jié)果證明該樣品確實(shí)存在高含量的金屬錫元素偏析，主要聚集在晶界處，且晶界出現(xiàn)大量沿晶開裂的現(xiàn)象。

最終證明，證明該樣品的斷裂主要是因?yàn)樵跓掍撨^程中加入了超量的錫元素物質(zhì)，導(dǎo)致在冶煉過程中錫元素出現(xiàn)偏析，集中出現(xiàn)在晶界處。

4 結(jié)論

1）對HRB400E熱軋肋鋼筋彎曲斷裂樣品的斷口處有沿晶開裂的現(xiàn)象，并有錫元素的存在且該元素在晶界處的偏析導(dǎo)致晶界脆化，從而造成鋼材內(nèi)部出現(xiàn)大量的沿晶開裂，從而發(fā)生彎曲斷裂。

2）錫元素的存在對其煉鋼的主要元素含量造成的影響不大，但對其組織影響較大。通過金相顯微鏡對其進(jìn)行低倍檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)具有明顯的帶狀組織。