钢材强化方法-建筑材料与检测

1.钢材的冷加工及时效

测试题

(1)钢材的冷加工。将钢材在常温下进行冷加工(如冷拉、冷拔或冷轧),使其产生塑性变形,从而提高屈服强度和硬度,降低塑性和韧性的过程,称为钢材的冷加工。

冷加工的主要目的是提高屈服强度,节约钢材,但冷加工往往导致塑性、韧性及弹性模量的降低。工程中常用的冷加工形式有冷拉、冷拔和冷轧。其中以冷拉和冷拔应用最为广泛。

1)冷拉:以超过钢筋屈服强度的应力拉伸钢筋,使之伸长,然后缓慢卸去荷载,而当再度加载时,其屈服极限将有所提高,而其塑性变形能力有所降低的冷加工强化方式。钢筋经冷拉后,其屈服强度可提高20%～30%,节约钢10%～20%。

2)冷拔:将低碳钢丝从孔径略小于被拔钢丝直径的硬质拔丝模中强行拔出,使断面减小、长度伸长的工艺过程。冷拔后的钢筋,表面光洁度高,屈服强度可提高40%～60%。

3)冷轧:将低碳钢丝通过轧机,在钢丝表面轧制出呈一定规律分布的轧痕,形成断面形状规则的钢筋的工艺过程。冷轧后的钢筋可以提高其强度及与混凝土的黏结力。

(2)时效。钢材随时间的延长,强度、硬度进一步提高,而塑性、韧性下降的现象称为时效。钢材的时效处理有自然时效和人工时效两种。

钢材经冷加工后,在常温下存放15～20d,其屈服强度、抗拉强度及硬度会进一步提高,而塑性、韧性继续降低,这种现象称为自然时效。钢材加热至100 ℃～200 ℃,保持2h左右,其屈服强度、抗拉强度及硬度会进一步提高,而塑性及韧性继续降低,这种现象称为人工时效。通常对强度较低的钢筋宜采用自然时效,对强度较高的钢筋则应采用人工时效。建筑工程中对大量使用的钢筋,往往同时采用冷加工和时效,以提高钢材强度,节省钢材。

钢材经冷加工及时效处理后,其应力—应变关系变化的规律,可明显地在应力—应变图上得到反映,如图6-11所示。图中,OABCD 为未经冷拉和时效试件的应力—应变曲线。当试件冷拉至超过屈服强度的任意一点K,卸去荷载,此时,由于试件已产生塑性变形,则曲线沿KO′下降,KO′大致与AO 平行。如立即再拉伸,则应力—应变曲线将成为O′KCD(虚线)曲线,屈服强度由B 点提高到K 点。但如在K 点卸荷后进行时效处理,然后再拉伸,则应力—应变曲线将成为O′K1C1D1曲线,这表明冷拉时效后,钢材提高了屈服强度和抗拉强度,但塑性和韧性却相应降低。

因时效而导致钢材性能改变的程度称为时效敏感性。对时效敏感性大的钢材,经时效后,其冲击韧性、塑性会降低,所以,对于承受振动、冲击荷载作用的重要钢结构,应选用时效敏感性小的钢材。(www.xing528.com)

图6-11　钢筋冷拉时效后应力—应变的变化

2.钢材的热处理

热处理是指将钢材在固态范围内按一定的温度条件,进行加热、保温和冷却处理,使钢材内部的组织结构发生改变,得到所需要的性能的一种工艺。热处理有退火、正火、淬火、回火四种基本形式,如图6-12所示。

图6-12　热处理工艺示意

(1)退火。退火是将钢加热到上临界温度(相变温度)以上30℃～50℃,保温一定时间,然后极缓慢地冷却(随炉冷却),以获得接近平衡状态组织的一种热处理工艺。退火可降低钢的硬度,提高塑性和韧性,并能消除冷、热加工或热处理所形成的缺陷和内应力。

(2)正火。正火是将钢加热到上临界温度以上30 ℃～50 ℃,保温一定时间,然后在空气中冷却的一种热处理工艺。正火主要用于提高钢的塑性和韧性,以获得强度、塑性和韧性三者之间的良好配合。

(3)淬火。淬火是将钢加热到上临界温度以上30 ℃～50 ℃,保持一定时间,然后将它放到适当的介质(水或油)中进行急速冷却的一种热处理工艺。淬火能显著提高钢的硬度和耐磨性,但塑性和韧性却显著降低,且有很大的内应力,脆性很高。可在淬火后进行回火处理,以消除部分脆性。

(4)回火。回火是将钢加热到下临界温度某一适当的温度,保持一定时间,然后在空气中冷却的一种热处理工艺。根据加热温度的高低,可分为低温(150 ℃～250 ℃)、中温(350 ℃～500 ℃)和高温(500 ℃～650 ℃)三种回火制度。回火主要是为了消除淬火后钢体的内应力和脆性,可根据不同要求选择加热温度。一般来说,要求保持高强度和高硬度时,采用低温回火;要求保持高弹性极限和屈服强度时,采用中温回火;要求既有一定强度和硬度,又有适量塑性和韧性时,采用高温回火。

淬火和高温回火的联合处理称为调质。调质的目的主要是获得良好的综合技术性质,使钢材既有较高的强度,又有良好的塑性和韧性。经调质处理过的钢称为调质钢,它是目前用来强化钢材的有效措施,建筑上用的某些高强度低合金钢及某些热处理钢筋等都是经过调质处理得到的。