带肋钢筋的升级换代及相关的资源问题.doc

1、导读：从资源友好出发分析了现有带肋钢筋 Q235Mn 型和 Q235MnMA 型强韧化技术的不足，强调焊接连接不利于资源的有效利用；宜开展对用于机械连接的 Q235C型强韧化技术的探讨，以获得更加资源友好的效果，给出了初步的实验室研究结果。 中国是带肋钢筋大国，近 3 年的产量见表 1，都在 1 亿吨上下。对钢筋产量的预测都无一例外地表明：近几年钢筋的产量都将维持在比较高的水平，继续保持了钢筋大国的地位。表 1 近几年中国带肋钢筋产量年 份 2008 2009 2010钢筋产量/万吨 9708.97 12150.55 13096.4占钢材产量/% 16.7 17.55 16.44带肋钢筋产量的

2、长期走向如何，这将涉及对此类量大面广产品研发的战略思考。作为参考，日本在钢产量达到峰值且广泛采用钢结构建筑以后，已经普及了 490MPa 级钢筋。即使如此，在随后的 19962005 的 10 年间，钢筋的产量仍然一直维持在钢铁总产量的 10%左右。由此推断，中国带肋钢筋的产量将在相当长的期间内保持较高的水平。在中国经济建设快速发展的同时，随着钢筋服役条件日趋复杂多样、苛刻，对钢筋使用性能的要求也出现了多元化的趋势。对钢筋的抗震、耐蚀、低温、耐火等性能的研究日益受到了重视，取得了不少成果。它们将势必进入钢筋升级换代的行列之中。另一个不容忽视、甚至是对带肋钢筋今后技术发展取向起决定性影响的因素就

3、是资源问题。钢铁产业发展自身就受到资源与环境 2 个瓶颈日益严重的制约，基于中国能源结构的特点，就钢铁生产而言，这两种制约基本上是正相关的，这也是本文以资源为线索做以下探讨的原因。一般而言，上述制约必然涉及到全部钢铁产品的生产和应用，但就带肋钢筋而言，由于它在钢铁总产量中所占据的重要位置，所受到的资源制约就更为突出了。综上所述，庞大而持久的产量基数，对性能升级换代要求的迫切性和严峻的资源制约，都不得不促使对带肋钢筋现有的生产技术和应用做细致的分析，进行更为长远的思考。1 带肋钢筋升级换代中的多元化内涵及相关资源问题的分析近些年来，在高级别带肋钢筋的研发、生产和应用方面取得了可喜的成绩。采用 4

4、00 和 500MPa，甚至 600MPa 高级别带肋钢筋取代 335MPa 级已经成为钢筋生产和应用部门的共识，其巨大的经济和社会效益早已不容置疑。屈强比 Rp0.2/Rm 和均匀延伸纳入标准、对耐蚀和耐火钢筋的研发等，是对钢筋性能多元化要求的标志。然而，在考虑带肋钢筋减量化技术时，却往往更多地关注钢筋标准中规定的静态力学行为的指标。这虽然是升级换代最原始的出发点，但并不全面。以下的分析是在保证标准中所规定性能的前提下，探讨钢筋性能的多元化及相关的资源友好问题。1.1 基于地震区划图抗震设防水平的抗震性能中国是世界上地震多发的国家，早在 3800 年前就有了关于地震的记录。据统计，中国历史上

5、有记载的地震多达 8000 多次，其中 1000 多次的震级可能达到 6 级以上，这是由于中国位于地中海-喜马拉雅山脉地震带和大陆断裂地震带上之故。近年来的灾难性强震，如 1976 年 7 月发生的唐山 7.8 级地震和 2008 年 5 月发生的四川汶川 8.0 级地震，都发生于上述 2 个地震带上。中国有 1/3 地区位于中强地震活动区，地震损失风险大。尤其是中国有 74%的省会城市以及 62%的地级以上城市位于地震烈度 7 度以上危险地区，70%以上的大城市、半数以上的人口、75%以上的工农业产值地位于灾害频发区，也即中国地震高发区和人口密集区及经济发达区三者重叠。加之近年来随着城市建设

6、的加快，高层、超高层、高耸、大跨度建筑物的出现，不仅增加潜在的地震灾害损失，还使抗风的问题日渐突出。这二者对带肋钢筋力学性能的要求似是同向的。因此，建筑物的抗震设防以及相关的带肋钢筋的抗震性能必须列入刚性要求之列，不得丝毫宽容。作为参照，欧洲不在地震多发区。难怪德国地理经济和矿产局在其官方网页“Seismologie”上表示：“德国迄今为止从未发生过灾难性地震。根据地质构造，今后的可能性也十分小。”不过，随后仍然强调“尽管如此，德国毕竟出现过破坏性地震。所以，我们仍然需要在人口与工业密集区对地震进行持续的监测。”因此，无论从抵抗灾难性地震，还是减少破坏性地震的人员和经济损失出发，必保抗震性能是

7、中国建筑钢筋研发导向的特点。即使对用于地震带以外地区的钢筋，也是如此。由于地震危险性时空分布的非均匀特点，地震频发的各国都分别建立了各自的地震区划图，据此强制性地规定了各区域建筑物的抗震设防水平。中国也在第 4 代的基础上着手编制第 5 代地震区划图，其中一个重要趋势是进一步提高抗震设防水平。必须指出，随着对抗震性能的日益重视和抗震设防水平的提高，对钢筋力学性能的要求即设计导向也产生了几乎是革命性的变化：从静载荷的应力基准设计演变为更加充分考虑抗震行为的动载荷的交变应变基准设计。在保持静载力学性能的基础上，后者更加强调地震动载荷作用下钢筋的大应变低周疲劳寿命和低温韧性问题。对低级别钢筋而言，在

8、保证其静载力学性能的同时，其动载的性能基本上市自然地以“同步而隐含”的“默认”方式得到保证的，故不太受到关注。但对高级别钢筋而言，伴随静载荷力学性能，如屈服强度和抗拉强度的提高，其动载性能和低温韧性并不一定能满足要求。例如 20MnSi 室温 Akv141.4J，而韧脆性转变温度（DBTT）仅为-1，显然是太高了。对钢筋大应变低周疲劳行为的研究，不仅涉及通常的疲劳寿命，还必须考虑包括包申格效应在内的疲劳软化和硬化问题的研究，因为这些现象直接影响到钢筋在多次重发地震时的行为，值得深入探讨。不难看出，钢筋从应力基准演变为交变应变基准设计，恰与管线钢设计思路的演变不谋而合，其中的共性因素就是必须面对

9、频发的地质和地震灾害。显然，对动态力学行为即全面抗震性能的要求应列为钢筋使用性能多元化的首位。必须指出，当深入考察钢筋动态力学行为时，除需要增加钢筋诸如大应变低周疲劳寿命的考核外，还需要改变某些基于静态载荷的习以为常的思考。例如，在地震时要防止因钢筋的局部变形导致相应部位混凝土的过早开裂。因此，要求钢筋的塑性变形（延伸）沿其全长尽可能均匀分布。出于这种考虑，就应避免使用带有显著的非均匀塑性变形特点的、具有屈服延伸的钢筋。可惜，目前却往往与之相悖，为的是检验时方便地确定其屈服强度。此外，企业已证实，钢筋横肋的非对称分布有利于延伸的均匀分布，对抗震性能有利。钢筋抗震性要满足以建筑物抗倒塌为目标的抗

10、震设防要求，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。既然中国不同区域的抗震设防水平有所差异，对用于不同地域钢筋的抗震性做细分也是顺理成章的。因此，既需要进一步提高高设防地区（如北京目前是 8 度设防，可能还会再次提高）钢筋的抗震性，也理应避免在全国范围内部使用相同的、最高级别抗震性能的钢筋。钢筋的强度级别高，保证其抗震性能的技术含量也越高。如果对高强度级别钢筋的抗震性再实现细分，则无疑需要将钢筋生产整体的工艺技术水平提升到更高的高度，这对充分发挥资源的利用率和借调整生产工艺提高产品性能的潜力都是有利的。1.2 与地域相关的韧脆性转变温度中国幅员辽阔，跨纬度较广，加之地势高低不同，地形类型及山脉走向

11、多样，因而气温降水的组合多种多样，形成了多种多样的气候。南方温暖，北方寒冷，南北气温差别大是中国冬季气温分布的主要特征。中国 1 月平均气温最高为 20（海南岛）；平均最低为-30.9（黑龙江与内蒙古北部），极端低温为黑龙江漠河镇的-52.3。与之相应，中国年最大冻土深度的分布也极端不均，从 0500cm 不等，它在一定程度上反映了中国最低气温的分布，还可作为建筑物基础所处温度环境的参考。不同地域如此巨大的冬季温差，要求带肋钢筋具有相应不同的 DBTT：在中国热带、亚热带和暖温带使用钢筋的 DBTT 可高于寒温带的，其差值可以达到 4050之多。对于寒冷而地震多发区的抗震钢筋而言，除要求低的

12、DBTT 之外，低温大应变低周疲劳性能也是必须考虑的。1995 年 1 月 17 日日本阪神地震时，兵库县南部发现钢结构建筑箱形柱体脆性断裂，未见明显的塑性变形痕迹，断裂不仅发生在焊缝，还发生在远离焊接区，此时气温较低，可判定为低温脆性断裂。因此，低温韧性与抗震性能是相关的。此外，时效会提高钢筋的 DBTT：20MnSiV HRB400级钢筋时效后，按照 Akv-T 关系曲线判断的 DBTT 从热轧态的-10升高到约 0；若按照标准规定，以 Akv27J 为判据，则分别为-40和约-23。不言而喻的是，钢筋的低温脆性与其成分控制，尤其是洁净度相关。兼顾强度与韧性一直是钢铁材料研发所追求的目标之

13、一。事实证明，为保证低温韧性往往需要付出资源方面的代价，即进行必要的合金化，对高级别钢筋更是如此。如果能够按照使用地域的气候特点对高强度带肋钢筋的韧性和 DBTT 做不同的要求，则更能发挥资源（成分）及工艺设计的潜力。1.3 与地域相关的腐蚀性中国已成为仅次于欧洲、北美的世界第 3 个主要酸雨区。酸雨是导致混凝土中钢筋腐蚀的重要因素。酸雨在中国的时空分布呈现极不均匀的态势。在南方，大气中的酸性颗粒物含量高，土壤中钙与钠的含量也高，主要以低 PH 值的酸性土壤为主等因素均易于形成酸雨。因此，中国南方酸雨出现的频度显著高于北方。同时，中国空气湿度的分布与酸雨的分布类似，也是南方潮湿，西北方干燥，二

14、者大气湿度的分布相差 3（7 月）至 6（1 月）倍之巨。在南方，酸雨和潮湿气候二者叠加将进一步促使酸雨对该区域钢筋的腐蚀。CL- 的渗入和酸雨是中国沿海地区钢筋腐蚀的主要原因，目前已经开展了 CL- 对钢筋腐蚀的研究。此外，在沿海和内陆的工业和经济发达地区，出现了以大工业城市为核心的多中心的酸雨分布。中国以煤为主要能源而且煤的硫含量高，有时高达 2%5%。煤在燃烧前洗选加工落后、直接燃烧以及烟气脱硫不足进一步增加了煤烟型酸雨的酸性。这些地区的酸雨组成还随着经济的进一步发展和汽车保有量的增加，逐渐由硫酸（煤烟）型转化为硫酸和硝酸混合型，在酸雨中 90%为硫酸和硝酸，其中硝酸含量不到硫酸的10%

15、。因此，沿海地区钢筋的腐蚀实际上是涉及到 CL- 和煤烟型酸雨等多种腐蚀源的复合性腐蚀问题。与之相应，硫酸根对混凝土中钢筋的腐蚀作用已经日益引起重视。此外，近年来也开始关注应力对混凝土中钢筋腐蚀的影响。因此，考虑多因素的综合作用将成为中国混凝土中钢筋腐蚀行为和提高耐蚀性对策研发的新趋势。混凝土中钢筋的耐蚀性受混凝土性状，如 PH 值、CL - 含量、CO 2的渗入速度等因素的影响。减少钢筋的腐蚀还应考虑从多方面入手，例如添加阻蚀剂等，借此，在减少资源负荷及成本两方面获得综合最佳。酸雨、大气湿度和腐蚀源在中国显著非均匀分布的特点，决定了在不同地域采取差异化的钢筋耐蚀措施的必要性。事实表明，即使对

16、耐大气腐蚀的耐候钢，也要添加一定的合金元素，对服役条件更为复杂的钢筋而言，为提高其自身的耐蚀性就更需要对之进行必要的合金化了。因此，从充分利用资源的角度出发，针对不同地域的腐蚀源采取差异性的钢筋耐蚀对策，也应作为高级别带肋钢筋的研发任务之一。1.4 目标多元化和地域相关的制备技术将成为今后带肋钢筋升级换代的新特点综上所述，经济的发展、对建筑物安全性意识的提升使带肋钢筋的服役条件趋于复杂多样且更加苛刻，越发暴露了仅关注钢筋静态载荷下力学行为的不足。业已证实，钢筋在静态与以抗震性能为标志的动态交变载荷作用下的力学性能指标并不完全相容，不可相互取代，这与对其他钢铁材料的研发结果类似。此外，地震时钢筋

17、承受的动态交变载荷又有其自身的特点，是出现塑性变形的大应变低周循环载荷。从抗震设防要求出发，钢筋的升级换代还必须增加这方面的内容，开展交变应变基准设计的研发已经不可避免地提到日程上来了。防止低温脆断和在建筑物使用时间内不出现过度腐蚀的问题，也必须受到重视。否则，很可能使单一提高钢筋屈服强度的升级换代的努力前功尽弃。而且，这两方面性能与抗震性能的密切相关进一步凸显了它们在升级换代中得到同步提升的必要性。因此，客观的需要已经使带肋钢筋的升级换代进入了目标多元化的新阶段。与以往仅提高静态力学性能的升级换代理念不同，新阶段需要强调以资源友好和满足多元性能要求为导向的钢筋成分和工艺的优化设计。另一方面，

18、中国幅员辽阔，地质条件、自然条件的多样化和经济发展进程的差异，使得钢筋的使用“环境”和因之对其实际性能的要求千差万别。据此，钢筋销售半径有限所独有的特点，恰恰可以在广袤的国土上按使用地域确定相应的性能指标并纳入标准与规范，即实现对产品性能的细分。这与现有“全覆盖”、“就高不就低”的“统一“性能要求相比，可以最充分地发挥资源利用效果。钢筋性能按地域细分首要的前提之一是有足够的技术实力将性能波动控制在合理的范围内，即提高性能的一致性和再现性。这些也成为带肋钢筋升级换代所追求的目标。显然，钢筋的升级换代还需要混凝土的生产和建筑规范的全盘协同。如是，意味着带肋钢筋的生产与应用水平的全面提升，带肋钢筋也

19、逐步迈入精品的行列。2 从资源负荷分析现有带肋钢筋的升级换代技术一般认为，将 335MPa 级钢筋升级至 400 和 500MPa 级至少可分别减少约 10%和 19%的用量。以 1 亿吨的 335MPa 级钢筋的初始总量计，需要升级的钢筋，即作为梁、柱和杆承载主筋的约有 7000 万吨。以此为基数，则升级后每年将分别减量约 700 万和 1330 万吨，相当于 12 个大型钢铁企业的产量，效果突出且能维持相当长的时间。这正是业界内外对钢筋减量化十分重视的原因。如此显著的升级效果，完全得益于前述巨大的产量基数，对于其他国家是根本不能想象的事。但是，巨大的产量基数对应着巨大的资源消耗，现有带肋钢

20、筋升级技术的减量化效果究竟如何？钢铁产量面临的资源瓶颈对此真的没有制约吗？兹以 500MPa 级承载主筋（例如，直径大于等于 20mm）为例做以下简单的分析。2.1 对现有带肋钢筋升级换代技术的剖析现以 Q235 为基，试对从 235 级带肋钢筋升级至 335、400 和 500MPa 级的主流技术进行分析。2.1.1 合金化技术首先是在 Q235 级的成分（质量分数）、即 C 0.2%、Si 0.4%和 Mn 上限为 0.6%的基础上，将 Mn 的质量分数增加至 1.2%1.6%，成为 335MPa 级的 20MnSi。此合金化方法可简称为 Q235Mn，它也奠定了随后 400 和 500M

21、Pa 级钢筋的基础成分，伴随着其他强韧化技术，成功地实现了钢筋的进一步升级换代。以 Q235Mn 的合金化技术进行钢筋的升级，实现了 Fe 的减量化，但是却增加了 Mn 的用量。以 7000 万吨的 Q235 钢筋为基数出发，减量 700 万吨计，可以粗略地认为减少了 700 万吨铁。但余下 6300 万吨的 20MnSi 将使用 63 万吨纯锰（以下 w(Mn)1.0%计），比原有 7000 万吨的 Q235 使用 42 万吨纯锰（以 w(Mn)上限 0.6%计）多 21 万吨。如果生产更高级别的钢筋，降铁增锰将更为显著。增锰的副作用不能忽视。首先，中国锰矿需要进口，2007、2008 和

22、2009 年的进口数量分别为 663.45 万、757.19 万和 961.76 万吨，呈逐年递增之势，必须节约使用；其次，在一些国家锰已经使国家物资储备元素之一，并且着手进行钢铁产业中锰资源的流向和回收的研究。这些都说明在带肋钢筋的升级换代中关注并尽量减少增锰的必要性。2.1.2 微合金化（MA）技术添加微量的 Ti、Nb 和 V，配以质量分数为 1.0%1.6%的 Mn 和相应的热轧及轧后控冷工艺，可借组织细化、析出强化和/或相变强化实现钢筋的升级换代。这也是当前生产 400500MPa 级钢筋所采用的技术，可简称为 Q235MnMA 技术。它首先在中国解决了该级别钢筋的有无问题。显然，该

23、技术存在着降铁增锰和增 MA 元素的问题。随着对上述级别钢筋需求量的增加，首先考虑的应是 MA 技术的资源制约问题，即巨大产量基数和 MA 元素用量的矛盾。试以 w(V)为 0.07%和 w(Nb)为 0.03%计算 6300 万吨的 500MPa 级钢筋用量，它们分别是 4.41 万和 1.89 万吨纯钒与纯铌。这样天文数字的用量是资源条件所不允许的。其次，MA 元素的使用还会产生“废钢污染”问题，不利于钢铁材料的循环利用。因此，尽管 MA 技术在管线钢、船板等产品的生产中发挥了决定性的作用，成为必选的技术，也成功应用于年需求量仅百万吨级的其他国家钢筋生产中，但面对中国带肋钢筋巨大的产量基数

24、，将其作为必选的手段的确是不可持续发展的。2.1.3 余热处理余热处理即泛称的轧后穿水。它在带肋钢筋升级换代的初始阶段曾发挥了重要作用；在进一步性能升级时，可以减少微合金元素和锰的用量。但对于大规格、高级别钢筋的生产而言，似乎越发显得不足。首先是规格，或尺寸效应。对大直径钢筋的强韧化效果一方面受“淬透性”的限制，另一方面受碳当量 Ceq、或保证焊接性的限制，即不可能为增加淬透性进一步提高锰含量。其次是沿径向组织和性能的不均匀特点。笔者曾对比了轧后穿水和冷床空冷钢筋强度沿径向的分布，认为不宜采用此方法生产大规模、高级别钢筋。余热处理钢筋表层的回火马氏体硬度高，还会显著降低为机械连接对钢筋进行机加

25、工工具的使用寿命。近来有关于通过轧后穿水在钢筋表层获得贝氏体组织的报道，可减轻上述不利影响，但为此也要提高锰含量。2.1.4 细晶粒钢筋技术业已证明，通过形变与相变的耦合可获得细小的铁素体和珠光体组织，从而发挥巨大的强韧化效果。细晶粒钢筋即由此而来并纳入国家标准。研发细晶粒钢筋的初衷是非合金化和非微合金化，用碳素钢通过前述机制实现 Q235 的升级。在实践中受装备条件的限制，未能充分发挥形变与相变耦合的作用，为获得细化的组织还是采用了 Q235Mn 或 Q235MnMA 技术。不过，其机制与余热处理的联合应用对降低锰和 MA 元素的消耗仍然有所贡献。细晶粒钢筋的焊接连接一直是业内担忧的问题。2

26、.1.5 超快冷技术采用超快冷技术生产 500MPa 级带肋钢筋已有所报道，采用的是 Q235MnMA 成分。此技术的初衷是轧后将仍然保持形变组织的奥氏体超快速地冷却至某一终冷温度，以获得所需细化的相变产物，达到强韧化目的。它已成功应用于板带材生产。该技术应用于带肋钢筋生产仍然面临着与余热处理技术类似的问题。而且，冷速越大，精确控制终冷温度就越难，况且生产条件下带肋钢筋温度的精确测量也比较困难。必须在这方面有所突破，才能在超快冷技术的应用中避免为保证强度而对终冷温度采取“宁低勿高”策略的不利影响。2.2 简单评述不难看出，为生产 400 和 500MPa 级带肋钢筋，无论使用哪种强韧化技术，目

27、前采用的都是基于 Q235MnMA 的合金化与微合金化的成分设计。就资源而论，其减量化效果实质上仅仅是减少了铁资源的用量，反而增加了锰和 MA 资源的用量。因此，宜在钢筋升级换代中避免这种一统模式的成分设计，且依据不同地域对性能差异性要求增添其他模式的合金化方法使减量化效果更为突出。Q235MnMA 的成分设计完全是受碳当量 Ceq 的限制所致，而后者的上限则取决于钢筋焊接连接的要求。因此，如果对 400 和 500MPa 级带肋钢筋继续采用焊接连接，尽管在技术上可行，该连接方法也还是不可取的。因为，锰和 MA 的资源不足以支撑中国巨大的带肋钢筋产量。这正是后者对减量化手段的制约。因此，在进行

28、其他模式成分设计前，首先应分析钢筋的连接方式。3 关于带肋钢筋的焊接连接承载钢筋，即主筋的连接方法可分为焊接连接和机械连接两大类。3.1 对焊接连接接头质量的忧虑关于钢材的可焊性，一般认为：Ceq0.4%，淬硬倾向小，易焊；Ceq0.4%0.6%，淬硬倾向增大，可焊，需采取必要的工艺措施；Ceq0.6%，淬硬倾向更强，难焊，需要较高的预热温度、焊后热处理和严格的工艺措施。为保证焊接性，根据施工条件，GB 1499 中规定 Ceq 不得超过 0.52%0.55%。然而，随着高级别钢筋的应用，不仅对焊接连接质量的要求越来越高，而且，其可靠性却越来越受到质疑。首先，目前在施工中采用手工操作的比例仍然

29、很大，不免会出现偏离规范的情况而影响焊接质量；如若操作者缺乏必要的资质，问题将更为严重。其次，余热处理和细晶粒钢筋接头处的强度可能偏低。而且，焊接热影响区（HAZ）晶粒粗大且往往存在魏氏组织，成为疲劳源，使疲劳强度低于母材。这些因素都难以保证钢筋焊接连接的可靠性，更无论抗震性了。3.2 焊接连接对减量化原则的背离对 Ceq 的规定排除了增加碳含量以提高钢筋强韧性的可能，以致各种减量化手段对钢筋整体只能采用前述的 Q235MnMA 的成分设计。图 1 是焊接连接的示意图。可见，在 9m 定尺的钢筋中，焊接接头和热影响区的长度仅占约 1/100。如果其余部位可以用非 Q235MnMA 的成分满足高

30、级别钢筋的性能要求，则为实现焊接连接所必须的加 Mn 加 MA 的利用率仅约 1/100。严重背离了减量化的初衷。图 1 焊接连接的示意图因此，为避免上述不足，对于高级别钢筋采用机械连接比焊接连接更为合理。前者不仅可以避免 Q235MnMA 的成分限制，可在更宽的范围内进行合金化，为资源友好的成分设计提供了新的可能，而且还更易保证连接的可靠性，值得重视和推广应用。为此目的，钢筋的升级换代首先宜考虑采用增碳（C）并辅以相应的控轧控冷技术生产机械连接用高级别钢筋。即探讨 Q235C 模式的成分设计及相关的工艺。4 对 Q235C 型带肋钢筋的探讨Q235C 模式的成分设计指不受 Ceq 的限制，在

31、 Q235（w(C)0.2%，w(Mn)0.6%）的基础上，维持锰含量上限不变，不添加微合金元素，通过提高碳含量的成分设计。除增碳强化外，还可借助相应的控轧控冷技术保证钢筋的强韧性、抗震性等。笔者以 35 号钢（w(C)0.35%，w(Mn)0.60%，即 Q235C 模式）和 Q235 为对象做了初步的控轧控冷工艺探索。4.1 低温精轧后控冷工艺此技术思路是针对大规格钢筋的强韧化而提出的。其实质是对过冷奥氏体进行大变形，利用形变诱发铁素体和形变诱发珠光体相变获得细小铁素体晶粒和细小珠光体组织，借助后者抑制前者在控冷过程中的长大倾向，控冷至室温的铁素体晶粒尺寸为 24m，取得组织细化的强韧化效

32、果。与此同时，还获得超平衡数量的铁素体，使其体积分数达到约 75%，借此增加塑性和韧性。图 2 是在 Gleeble 上经热模拟后的金相组织。图 2 35 号钢 690形变 60%后模拟 25mm 圆钢在冷床上冷至室温的组织低温形变后控冷一方面可避免轧后钢筋经穿水冷却时形成的低温相变产物，尤其是表层马氏体会回火马氏体组织；另一方面还可克服穿水冷却的“淬透性”问题。4.2 层状复合组织强韧化技术此技术思路也是针对大规格钢筋的强韧化而提出的。为克服穿水冷却在钢筋表层形成马氏体或回火马氏体组织，试图通过工艺方法在表层形成具有良好塑韧性的铁素体、铁素体珠光体或铁素体马氏体组织，在径向的中间层形成起主要

33、强化作用的马氏体组织，在芯部形成铁素体珠光体组织。除 35 号钢外，笔者还以 Q235 做样品，获得了沿径向的层状复合组织，见图 3。图 3 Q235 圆钢沿径向的层状复合组织图 3 是 25mm 圆钢半径上的组织分布。可见，表层（右方）为细小的铁素体珠光体组织，有利于冷弯和避免出现表面另外裂纹；中间层以马氏体为在主，是主要强化层；芯部（左方）与通长 Q235 穿水组织相当，是铁素体珠光体。该 25mmQ235 圆钢组织对应的力学性能为：Rm540MPa、ReL365MPa、A24.5%。它反映了层状复合组织的强韧化效果。对 35 号钢的实验室研究也收到了类似效果，其 ReL 可达 400MP

34、a。4.3 类纤维强韧化技术 MPa该技术构思源于以下 2 个现象：1）带肋钢筋的主要承载方式为沿轴向（轧向）的拉伸，轴向的强韧化是性能升级换代的关键因素；2）在孔型轧制时的形变特点是轧向延伸径向收缩，因而可获得沿轧向取向分布的纤维组织，这种组织实际上就是在钢筋沿轧向取向分布的纤维组织，这种组织实际上就是在钢筋沿轧向剖面金相组织中常见的所谓“带状组织”。因此，如果上述所谓的“带状组织”由强化相构成，就可获得类似纤维强化的效果。在初步的研究中，采用了奥氏体/铁素体两相区孔型轧制，形成沿轧向呈纤维状分布的双相组织并快冷，通过奥氏体的马氏体相变最终在铁素体基体中获得了类似纤维状的马氏体。后者即是纤维强化中的强化相，见图 4。图 4 （+a）两相区轧制并水淬后圆钢纵向的类纤维组织图 4 是 8.0mm Q235 圆钢的类纤维组织.其中,深色类纤维状的为马氏体，白色铁素体的平均晶粒尺寸约 15m。其应力-应变曲线具有连续屈服特点，Rp0.2 和 Rm 分别为 490 和 595MPa 总伸长率为 36%，且冷弯与反弯满足带肋钢筋标准的要求。以上试验研究的结果给出了一个启示，用 Q235C 作为基础合金化模式有望获得静载荷所需的力学性能，值得根据使用要求进一步优化成分与工艺，使之成为资源更加友好的带肋钢筋生产及应用体系。5 结语