PSB830、PSB930系列高强度精轧螺纹钢筋是常用的预应力混凝土用螺纹钢筋，具有强度高、精度好等特点，被广泛用于高速公路、高速铁路的大型桥梁工程中。对经过控轧、控冷后的精轧螺纹钢筋进行拉伸试验，结果显示大多数钢筋的断后伸长率不大于3%。一般需要经过45~60d的自然时效或200℃，1~2h的人工时效后，钢筋的断后伸长率才能合格。许多专家学者对时效后钢筋断后伸长率的变化情况进行了研究，曹重等发现在自然时效后，HRB400E钢筋试样的断后伸长率提高，主要原因是去氢作用；刘宏玉等发现自然时效对英标余热处理钢筋的断后伸长率影响不大；李雪峰发现21d自然时效后，PSB830钢筋断后伸长率不合格的主要原因是回火不充分。预应力钢筋与普通螺纹钢、英标钢筋的化学成分和性能均有较大差异，研究人员采用力学性能测试、宏观观察、扫描电镜(SEM)及能谱分析等方法，研究了自然时效对PSB830钢筋力学性能的影响。
1、试验材料
选择日常生产的直径为32mm的 PSB830精轧螺纹钢筋，钢筋的轧制过程选用180mm×180mm(长度×宽度)的热送连铸小方坯,采用超快冷方式冷却，使钢筋表层组织为马氏体，心部组织为铁素体+珠光体；在进一步的冷却过程中，内部的温度较高，表层组织由马氏体转变为回火索氏体，心部组织为呈网状分布的块状铁素体+珠光体(见图1)。
2、试验方法及结果
2.1 力学性能测试
图2为5组典型试样力学性能随时效天数的变化情况，每组2个试样，试验结果取平均值。从图2可以看出：试样的屈服强度随着时效时间的延长呈先降低后升高的趋势，最终回复到初始值附近，时效天数为60d时，平均值增加了2.7%；试样的抗拉强度前期上升明显,后期基本稳定，时效天数为60d时，平均值增加了12%；断后伸长率和抗拉强度的变化规律基本一致，均有大幅度的提升，断后伸长率在后期的增长幅度更大，时效天数为60d时，平均值从3.0%提高到了9.6%，增幅达2倍以上。
2.2 宏观观察
对时效前拉伸试样的断口进行宏观观察，结果如图3所示。从图3可以看出：断口整体呈脆性断裂特征，剪切唇很少，断口上有明显的放射条纹，条纹收敛处为断裂源，断裂源位于断口的边缘或内部，部分断口表现为黑心白点宏观形貌。
2.3 SEM及能谱分析
2.3.1 时效前
对时效前拉伸试样断口1~4进行SEM 分析，结果如图4所示。由图4可知：断口1呈边缘起裂特征，试样边缘有呈椭圆形的平整断裂平台，中心为夹杂物脱落的孔洞，孔洞的底部有裂纹，该区域以外为放射条纹；夹杂物周围的断口呈准解理+少量解理特征，且伴随有二次裂纹，放射区域呈解理特征；断口2的裂纹源同样位于断口的边缘，但没有明显的断裂平台，夹杂物周围呈沿晶断裂特征；断口3中心有黑心白点，断裂源为夹杂物，其周围基体呈准解理断裂特征，含有二次裂纹；断口4的中心有一个超大尺寸夹杂物，夹杂物周围呈准解理断裂特征。采用能谱仪对断口4中心的夹杂物进行分析，发现其主要含有Ca、Al、Si、Mg、O等元素。
2.3.2 时效后
经过60d自然时效后，试样的断后伸长率达到标准要求，典型断口的SEM形貌如图5所示。由图5可知：断裂源位于试样的边缘，深度约为0.96mm，裂纹源处呈与放射条纹垂直的海滩状花纹，断口呈韧性断裂特征；断口未观察到夹杂物。
3、综合分析
由SEM分析结果可知：时效前PSB830钢筋断裂源处含有夹杂物，其周围为准解理形貌或沿晶断裂形貌，符合“鱼眼”特征。说明钢中含有一定量的氢，在受到拉应力时，夹杂物周围产生了氢脆，钢中的氢含量和所受应力大小不同等因素导致断口形貌产生差异。轧制后，在冷却过程中，材料内部的氢重新分布，部分氢向内部未转变的高温区迁移。随着温度的下降，氢的溶解度及扩散系数大幅度降低，内部过饱和的氢向夹杂物、晶界面、显微空隙等缺陷处富集，导致局部区域的氢含量较高。
室温下，PSB830钢筋的外层组织为回火索氏体，内层组织为碎块状铁素体+珠光体。钢筋内层和外层的组织不同，以及轧制应力的残余造成试样中存在较大的残余应力，加剧了氢向夹杂物等缺陷处的聚集程度。随着塑性变形增加，在拉应力和残余应力的叠加作用下，位错携带的氢被内部夹杂物周围的应力场捕获，导致其周围基体原子间的键合力降低，呈现出氢脆准解理特征或沿晶断裂特征。缺陷处的裂纹会造成钢筋在未达到最大拉力前发生断裂，使其抗拉强度降低。
经过60d自然时效后，裂纹源区未观察到夹杂物，断裂源主要出现在回火索氏体所在的区域。在时效过程中，应力状态和析出相均会影响氢的扩散和溶解，且可扩散的氢比捕获的氢对材料力学性能的影响更大。在时效前，钢中的氢主要以可扩散的方式存在，在内应力的叠加作用下，氢可以快速扩散、聚集到缺陷区域。在时效过程中，内应力逐渐释放，畸变程度降低，使得屈服强度降低；氢的聚集程度降低，使得断后伸长率明显升高。钢中含有一定量的V元素，在时效过程中，V元素以VN或V(CN)颗粒形式缓慢析出，减少了C、N等元素在晶界和位错处的偏聚，且析出相为氢的强陷阱，其与氢的结合能较大，属于不可逆氢陷阱。析出相对氢的捕获，以及析出相数量的增加，降低了氢的扩散速率，减轻了氢的聚集程度，进而降低了钢筋的氢脆敏感性，使夹杂物等缺陷附近的氢含量低于形成裂纹的临界氢浓度。
综上所述，在时效时间较短的情况下，内应力释放导致的氢聚集程度降低占主导地位。内应力的释放使应力诱导作用减弱，氢聚集程度降低，从而导致断后伸长率升高。内应力的释放还导致畸变程度降低，从而使钢筋的屈服强度降低。随着时效时间的延长，析出相的陷阱作用占主导地位。在受到拉应力时，析出相的氢陷阱作用降低了氢的聚集程度，从而导致断后伸长率大幅度升高。析出相对位错产生钉扎作用，增加了抗塑性变形能力，导致屈服强度略有提高。
4、结论及建议
(1)在自然时效过程中，精轧螺纹钢筋的屈服强度先下降后提高到初始值附近，抗拉强度先升高后趋于稳定，断后伸长率大幅度提高，平均增幅达200%以上。
(2)精轧螺纹钢断后伸长率偏低主要是因为氢元素在夹杂物附近聚集。在时效过程中，钢筋的力学性能影响因素有内应力、析出相以及氢的扩散等。断后伸长率的升高主要与内应力的释放、析出相的氢陷阱作用有关，两者均会导致氢的聚集程度降低。建议在轧制前增加一道连铸坯缓冷环节，以加快钢中氢的扩散，缩短后续的时效时间。
