摘要：文章通过化学成分分析、金相组织观察及扫描电镜（SEM）分析手段，针对热轧带肋钢筋冷弯后顶端开裂问题展开系统研究。聚焦Φ18~20mm螺纹钢横肋处沿轧制方向的纵裂纹特征，研究表明，冶炼过程中钢水温度过高、连铸阶段二冷水冷却不均匀是导致铸坯产生角裂和缩孔等缺陷的主要原因。此类铸坯原始缺陷与大尺寸非金属夹杂物在轧制过程中发生协同作用，最终诱发螺纹钢横肋处萌生并拓展纵裂纹。本研究结果可为优化热轧带肋钢筋生产工艺、防控冷弯开裂缺陷提供理论支撑。

　　关键词：螺纹钢；顶端开裂；夹杂物；连铸；二冷水

　　某棒材厂在生产HRB400E、HRB500EΦ18~20mm两切分螺纹钢过程中发现成品钢筋表面出现非连续性黑线，随后取样做冷弯试验在黑线处横肋顶部开裂。根据最新实施的《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》GB 1499.2—2024标准，钢筋表面应无有害表面缺陷且在受弯曲变形部位不得产生裂纹。实验数据显示，缺陷试样的裂纹深度为0.1~0.2mm，宽度0.06~0.12mm，经180°冷弯试验后未出现扩展，试样力学性能合格。为杜绝此类质量问题，必须深入探究横肋裂纹的形成机理并制定改进措施。

　　1生产工艺

　　棒材生产线Φ18~20mm规格的钢筋坯料由150吨转炉制造，钢坯尺寸为165mm×165mm×12mm。炼钢流程采用转炉炼钢后接连铸工艺。轧钢环节配备18台轧机，采用平立交替布局；针对Φ18~20mm螺纹钢的生产，使用其中16台轧机，第9和第10台轧机空置，第18台轧机产出成品，其生产工艺流程如图1所示。

　　2Φ18~20mm螺纹钢筋横向肋裂纹的形态与特性

　　如图2所示，Φ18~20mm螺纹钢经轧制后基体及横肋处观察到沿轧制方向连续存在的黑线，黑线位置位于横肋顶端中心至1/3处，沿钢筋轧制方向有1条以上的平行且断续规则的黑线，黑线长度间1~5个横肋、宽度为0.06~0.12mm。

　　弯曲性能作为螺纹钢质量的核心评估指标[1-2]，对“黑线”缺陷位置进行取样并进行冷弯试验，试样横肋顶端出现开裂现象，开裂宽度达1mm，裂隙深度分布在0.1~2.0mm区间，如图3所示，冷弯实验后开裂区域局限在横肋范围，未向钢筋基圆表面延伸。该现象表明横肋处的开裂对材料整体力学性能未产生明显影响。

　　3螺纹钢横肋顶端裂纹的成因分析

　　3.1铸坯低倍检验

　　通过对Φ18~20mm螺纹钢所用铸坯进行取样，对铸坯芯部质量进行铣削、酸洗检测，检验结果如图4所示。

　　低倍结果表明，铸坯断面存在典型铸造缺陷，主要包括缩孔、中间裂纹、角部裂纹及皮下气泡等特征。经低倍组织检测，试样中心疏松程度达到0.5级，符合相关标准规定的合格范围。

　　3.2螺纹钢横肋开裂金相检测

　　在垂直裂纹方向制取试样，磨制后进行观测发现横肋顶端裂纹1深约0.21mm，检验结果如图5所示，其内有氧化铁，附近未观察到明显的氧化圆点，组织与正常位置相比稍显脱碳；裂纹2深约0.21mm，两侧未观察到氧化圆点，组织未脱碳，检验结果如图6所示。

　　3.3微观组织分析

　　通过扫描电镜以及EDS能谱对冷弯开裂裂纹尖端缺陷处进行分析，冷弯裂口截面形貌如图7所示，通过形貌观察可发现裂口深度1.9~2.0mm之间。图7左图中裂纹经观察裂纹周围无明显夹杂物，裂纹尖端存在缺陷及大尺寸夹杂物，推测为内部缺陷诱发开裂。

　　如图8所示，裂纹尖端进行观测发现裂口尖端存在大面积微小内裂纹及夹杂物，通过面扫描及夹杂物位置成分确定，在裂纹边部主要为Mn、Si、O、Al元素，夹杂物主要为硅酸盐、硅锰酸盐及少量铝硅酸盐，夹杂物分布于内裂纹及空洞的两侧[3-4]，因此推断非金属夹杂物及内裂纹为该处冷弯断裂的产生原因。

　　3.4综合分析

　　通过实验结果表明，硅酸盐类脆性夹杂物是导致冷弯裂纹萌生的主要诱因[5]。此类脆性第二相在钢材变形过程中因与基体存在显著的热膨胀系数差异(Δα≈12×10-6/K），导致界面区域形成0.5~1.2GPa的镶嵌应力，成为裂纹优先形核的薄弱区域。

　　值得注意的是，复合的铝硅酸盐夹杂物体系中，基体相与析出相（刚玉、尖晶石等）存在明显的相变差异性，当塑性基体在热加工中协调变形，铝硅酸盐脆性析出相维持原形貌，造成析出相与基体的变形量差值，进而诱发裂纹的产生，这种复相结构显著降低材料断裂韧性达15%~30%[6]。

　　基于位错塞积理论分析，冷弯变形过程中位错受外应力作用运动在晶界处产生堆积，密度可达1014~1015m-2。夹杂物的存在破坏了晶粒间的协调性，当夹杂物/基体界面阻碍位错运动时，将形成局部应力集中区域，诱发微裂纹的产生受外应力作用沿最大剪应力方向发生扩展[7]。随着螺纹钢变形程度的增加，微裂纹进一步延伸、扩展直到形成裂缝[8]。

　　通过铸坯缺陷溯源分析表明，铸坯内部缺陷对最终性能具有显著遗传效应。缩孔（直径>50μm）和枝晶偏析（溶质富集系数＞1.5）在轧制过程中形成沿轧向延伸的链状夹杂物分布，而角部裂纹在轧制延伸率>75%时难以完全焊合，形成表面应力集中源。统计数据显示，当夹杂物面积分数超过0.03%时，钢材冲击韧性下降幅度可达40%以上[9-10]。

　　4改进措施

　　通过实验研究表明，螺纹钢横肋处“黑线”缺陷及冷弯开裂为铸坯缺陷（缩孔、角裂等）遗传和大尺寸非金属夹杂物造成。通过对现场实际进行生产工艺优化调整，具体措施如下：（1）延长炉后大包吹气时间，尤其是确保补料后的吹气时间，确保夹杂物充分上浮，提高钢水纯净度。（2）控制钢水温度避免过高，通过优化连铸二冷水的工艺参数并调整喷淋管角度，实现铸坯均匀冷却，确保坯壳具备良好的延展性，从而有效预防铸坯内部缩孔及角部裂纹的产生。（3）降低连铸机拉坯速度，延长钢液在中间包的停留时间，确保夹杂物有充分的时间碰撞、长大、上浮到渣中，降低钢中夹杂物的含量。

 参考文献

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　　［9］仝丽珍，刘靖，蒋海涛.英标460钢筋弯曲断裂分析与改进［J］.物理测试，2008（3）：49-52.

　　［10］王子亮.螺纹钢生产工艺与技术［M］.北京：冶金工业出版社，2008.