钢材的冷加工强化与时效处理

第四节　钢材的冷加工强化与时效处理

一、钢材冷加工强化与时效处理的概念

将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使之产生一定的塑性变形，强度明显提高，塑性和韧性有所降低，这个过程称为钢材的冷加工强化。

工程中常对钢筋进行冷拉或冷拔加工，以期达到提高钢材强度和节约钢材的目的。钢筋冷拉是在常温下将其拉至应力超过屈服点，但远小于抗拉强度时即卸荷。冷拔是将直径6～8 mm的光圆钢筋，通过一钨合金拔丝模孔而被强力拉拔，使其径向挤压缩小而纵向伸长。

将经过冷拉的钢筋，于常温下存放15～20 d，或加热到100～200℃并保持2～3 h后，其屈服点、抗拉强度和硬度将进一步提高，这个过程称为时效处理，前者称自然时效，后者称人工时效。通常对强度较低的钢筋可采用自然时效，强度较高的钢筋则需采用人工时效。

二、钢材冷加工强化与时效的机理

图2－13　钢筋冷拉时效后应力－应变图的变化

钢筋经冷拉、时效后的力学性能变化规律，可明显地从其拉伸试验的应力－应变图得到反映，如图2－13所示。

将试件拉至应力超过屈服点B后的K点，然后卸去荷载。由于拉伸时试件已产生塑性变形，故卸荷时曲线沿KO′下降，KO′大致与BO平行。若此时将试件立即重新拉伸，则新的屈服点将升高至K点，以后的应力－应变关系将与原来曲线KCD相似。这表明钢筋经冷拉后，屈服强度得到提高。若在点K卸荷后不立即重新拉伸，而将试件进行自然时效或人工时效，然后再拉伸，则其屈服点又进一步升高至K₁点，继续拉伸时曲线沿K 1C₁D₁发展。这表明钢筋经冷拉及时效以后，屈服强度得到进一步提高，且抗拉强度亦有所提高，塑性和韧性则要相应降低。

一般认为，钢材经冷加工产生塑性变形后，塑性变形区域内的晶粒产生相对滑移，导致滑移面下的晶粒破碎，晶格歪扭畸变，滑移面变得凹凸不平，对晶粒进一步滑移起阻碍作用，亦即提高了抵抗外力的能力，故屈服强度得以提高。同时，冷加工强化后的钢材，由于塑性变形后滑移面减少，从而使其塑性降低，脆性增大，且变形中产生的内应力，使钢的弹性模量降低。

经过时效处理，过饱和固溶体中析出细小的沉淀物（一般是金属化合物或溶质原子聚集），溶于α－Fe中的碳、氮原子，向晶格缺陷处移动和集中的速度大为加快，这将使滑移面缺陷处碳、氮原子富集，使晶格畸变加剧，造成其滑移、变形更为困难，因而强度进一步提高，塑性和韧性则进一步降低，而弹性模量则基本恢复。

三、钢材冷加工和时效在工程中的应用与效果

对建筑钢筋，往往同时采用冷加工和时效。实际施工时，应通过试验确定冷拉控制参数和时效方式。一般钢筋冷拉仅控制冷拉率即可，称为单控，对用作预应力的钢筋，需采取冷拉应力和冷拉率双控，当拉至控制应力时可以未达控制冷拉率，反之，当达到控制的冷拉率而未达到控制应力，则钢筋应降级使用。

钢筋采用冷加工处理具有明显的经济效益。钢筋经冷拉后，长度可伸长2%～8%，屈服点可提高20%～25%，冷拔钢丝屈服点可提高40%～90%，由此即可适当减小钢筋混凝土结构设计截面，或减少混凝土中配筋数量，从而达到节约钢材的目的（15%～30%）。钢筋冷拉还有利于简化施工工序，如盘条钢筋可省去开盘和调直工序，冷拉直条钢筋时，则可与矫直、除锈等工艺一并完成。