冷拔鋼筋預(yù)加應(yīng)力與強(qiáng)度的關(guān)系研究

盧文東

摘 要：目前建筑用鋼筋大部分會(huì)采用冷拔工藝處理，以增加鋼筋的彈性極限，極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，而且經(jīng)過(guò)多次冷拉和熱處理之后會(huì)從普通有明顯屈服點(diǎn)鋼材變?yōu)闊o(wú)明顯屈服點(diǎn)鋼材。本文旨在研究單次冷拔中所施加的強(qiáng)度與鋼筋機(jī)械性能的關(guān)系，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知其隨著施加的強(qiáng)度的上升，鋼筋的抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)上升而后下降的趨勢(shì)。此結(jié)論可為隨后的冷拔鋼筋生產(chǎn)提供相應(yīng)的借鑒。

關(guān)鍵詞：冷拔工藝；鋼筋；抗拉強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TV331 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

目前低碳鋼鋼筋多用于建筑行業(yè)，如何保證其質(zhì)量不變的情況下對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化有很大的經(jīng)濟(jì)意義。鋼筋中的強(qiáng)化是多是以特定的處理方式增加相應(yīng)的抗塑性變形及抗斷裂的能力，與之對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)較多，在室溫準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)中評(píng)價(jià)指標(biāo)多為屈服強(qiáng)度、流變強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度等；在室溫準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)中評(píng)價(jià)指標(biāo)多為中的抗壓強(qiáng)度；彎曲試驗(yàn)中可取抗彎強(qiáng)度為指標(biāo)，疲勞試驗(yàn)中可取疲勞強(qiáng)度為指標(biāo)，高溫條件靜態(tài)拉伸中可取持久強(qiáng)度為指標(biāo)?？估瓘?qiáng)度與抗壓強(qiáng)度在工程中使用最為廣泛，也是最具代表性的力學(xué)性能指標(biāo)。

鋼筋的強(qiáng)化的方式視材料的不同而不同，強(qiáng)度在不同工況下的表示千差萬(wàn)別。在某些強(qiáng)度指標(biāo)上其中一種手段對(duì)提高某一強(qiáng)度指標(biāo)是非常有效的，但其對(duì)其他指標(biāo)未必會(huì)有良好的效果。最重要的是材料本身的成分、表面狀態(tài)和組織結(jié)構(gòu)都是影響效果評(píng)價(jià)提升的重要因素；受力狀態(tài)、應(yīng)力加載速度、應(yīng)力加載方式、反復(fù)受力或是簡(jiǎn)單拉伸，都會(huì)表現(xiàn)出不同的強(qiáng)度提升效果；此外，相應(yīng)的決定性因素還包括試驗(yàn)介質(zhì)，幾何尺寸及應(yīng)力分布狀況，如超高強(qiáng)度鋼的氫脆現(xiàn)象，在氫氣氛中的拉伸強(qiáng)度可能成倍地下降。對(duì)于建筑施工中常用的鋼筋，這些因素都會(huì)有極大的影響。

目前在工業(yè)及民居建筑中越來(lái)越多地使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋一般是指鋼筋混凝土用和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土用鋼材，其橫截面為圓形，有時(shí)為帶有圓角的方形。包括光圓鋼筋、帶肋鋼筋、扭轉(zhuǎn)鋼筋。鋼筋混凝土用鋼筋是指鋼筋混凝土配筋用的直條或盤條狀鋼材，其外形分為光圓鋼筋和變形鋼筋兩種，交貨狀態(tài)為直條和盤圓兩種。本文試驗(yàn)對(duì)象為直徑為8mm的HPB500鋼筋，所用的模具為鎢合金拔絲?？?，使鋼筋產(chǎn)生塑性變形后評(píng)價(jià)其抗拉強(qiáng)度。以抗拉強(qiáng)度指標(biāo)評(píng)價(jià)其力學(xué)性能。

1.試驗(yàn)過(guò)程

1.1 本實(shí)驗(yàn)選用的鋼筋樣品為8mm的HPB500鋼筋，最終處理狀態(tài)為熱軋狀態(tài)。將其截至等截面積等長(zhǎng)的試驗(yàn)樣品。

1.2 準(zhǔn)備冷拔模具，冷拔模具結(jié)構(gòu)如圖1所示，將鋼筋置于其中一端受力至其變形，其初始直徑為φ8mm，經(jīng)拉拔處理后直徑為φ6mm。其變形量為25%，因試樣的鋼種為低碳鋼，其延伸率完全滿足實(shí)驗(yàn)條件。

1.3 HPB500鋼筋標(biāo)號(hào)含義為其抗拉強(qiáng)度≥500MPa，為了準(zhǔn)確比較，所需的抗拉強(qiáng)度還需精確測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)將選擇20kN、25kN、30kN、35kN、40kN的力進(jìn)行拉拔試驗(yàn)并進(jìn)行編號(hào)，后比較抗拉強(qiáng)度的變化，編號(hào)見(jiàn)表1，其中0#為未經(jīng)拉拔處理的原始樣品。

1.4 以抗拉強(qiáng)度σb為基本指標(biāo)，以上述樣品的σb的大小變化評(píng)價(jià)力學(xué)性能的變化趨勢(shì)，并加以分析。

2.試驗(yàn)結(jié)果及分析（表2）

試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）通過(guò)0#樣品與其他樣品的區(qū)別可以看出，冷拔工藝的確可以提升材料的抗拉強(qiáng)度。

（2）由1#至4#樣品實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在35kN以下隨著拉拔工藝?yán)瘟Φ淖饔昧Σ粩嘣黾?，其抗拉?qiáng)度提升較為明顯。

（3）由5#樣品實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著作用力進(jìn)一步加大，其提升作用呈現(xiàn)增加后下降的趨勢(shì)，證明拉拔提升抗拉強(qiáng)度并非無(wú)限制增加。具體的趨勢(shì)圖參照?qǐng)D2。

原因分析：一般對(duì)于正常塑性材料情況的拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)包含如圖3所示：其中a'點(diǎn)是比例極限點(diǎn)，oa'段是直線（a點(diǎn)是彈性極限點(diǎn)）；a'a是曲線但是仍然是彈性段；b點(diǎn)是上屈服點(diǎn)；c點(diǎn)是下屈服點(diǎn)；bcd段是屈服平臺(tái)，一般以下屈服點(diǎn)作為屈服強(qiáng)度f(wàn)y；de段是強(qiáng)化段；e點(diǎn)是極限強(qiáng)度f(wàn)u，抗拉強(qiáng)度就是這個(gè)點(diǎn)，ef段是斷裂階段。

經(jīng)冷拔工藝后，其形變量與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系呈現(xiàn)圖4中所示的關(guān)系，其屈服平臺(tái)并未顯現(xiàn)出來(lái)，若取卸載后殘余應(yīng)變?yōu)?.2%對(duì)應(yīng)點(diǎn)的強(qiáng)度作為屈服強(qiáng)度f(wàn)y，其相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度σb可用fu來(lái)表示。金屬材料的強(qiáng)化途徑思路如下，第一類思路為合金的原子間結(jié)合力繼而提高其理論強(qiáng)度，所得到的為完美無(wú)瑕的晶體，目前所制得的產(chǎn)品為晶須。已知鐵元素的晶須為例其強(qiáng)度接近理論值，其原理可認(rèn)為無(wú)完美晶體無(wú)位錯(cuò)，并在形變的過(guò)程中位錯(cuò)并不能增殖，如果發(fā)生增殖必然會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度大幅下降。另一種思路假設(shè)位錯(cuò)在原材料中已經(jīng)存在，切變的運(yùn)動(dòng)既是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)且滑移的運(yùn)動(dòng)也是通過(guò)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來(lái)表征，并以列的原子為單位進(jìn)行大規(guī)模遷徙與滑移。而對(duì)于接近完美的類完整晶體，切變時(shí)滑移面上的所有原子將同時(shí)滑移，這時(shí)需克服的滑移面上下原子之間的鍵合力無(wú)疑要大得多。金屬的理論強(qiáng)度與實(shí)際強(qiáng)度之間的巨大差別，為金屬的強(qiáng)化提供了可能性和必要性。可以認(rèn)為實(shí)測(cè)的純金屬單晶體在退火狀態(tài)下的臨界分切應(yīng)力表示了金屬的基礎(chǔ)強(qiáng)度，是材料強(qiáng)度的下限值；而估算的金屬的理論強(qiáng)度是經(jīng)過(guò)強(qiáng)化之后所能期望達(dá)到的強(qiáng)度的上限。本文中強(qiáng)化機(jī)理與之前的兩種強(qiáng)化機(jī)理相比較，其表征更滿足第二種關(guān)系。因此推測(cè)其為位錯(cuò)增值強(qiáng)化機(jī)理強(qiáng)化。

試驗(yàn)結(jié)論

（1）低碳鋼鋼筋的冷拔工藝可以顯著增加鋼筋的抗拉強(qiáng)度，本次試驗(yàn)中未進(jìn)行冷拔工藝與進(jìn)行了冷拔工藝的試樣進(jìn)行對(duì)比，其強(qiáng)度增加了約30%～50%。

（2）低碳鋼鋼筋的冷拔受力的大小增加鋼筋的抗拉強(qiáng)度關(guān)系并非線性關(guān)系，其有上限值。在超越其上限值之后隨著冷拔受力的增加鋼筋的抗拉強(qiáng)度有下降趨勢(shì)。

（3）較之于兩種材料強(qiáng)化原理，冷拔鋼筋受力增加抗拉強(qiáng)度的表現(xiàn)更偏重于位錯(cuò)增值強(qiáng)化機(jī)理強(qiáng)化方式。

參考文獻(xiàn)

[1]戴起勛.金屬材料學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：16-18.

[2]潘金生，田民波，仝健民.材料科學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011：168.

[3]焦俊婷，葉英華.鋼筋混凝土矩形截面受扭最小配筋率構(gòu)件的鋼筋受力分析[J].西安：建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，20（1）：1-3.

[4]吳衛(wèi)華，趙軍.鋼筋混凝土單筋矩形截面梁中構(gòu)造鋼筋受力分析[J].鄭州：中州建設(shè)，2008（8）：82-82.