冷拔钢筋预加应力与强度的关系研究

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摘 要：目前建筑用钢筋大部分会采用冷拔工艺处理，以增加钢筋的弹性极限，极限强度和屈服强度，而且经过多次冷拉和热处理之后会从普通有明显屈服点钢材变为无明显屈服点钢材。本文旨在研究单次冷拔中所施加的强度与钢筋机械性能的关系，通过分析实验数据可知其随着施加的强度的上升，钢筋的抗拉强度出现上升而后下降的趋势。此结论可为随后的冷拔钢筋生产提供相应的借鉴。

关键词：冷拔工艺；钢筋；抗拉强度

中图分类号：TV331 文献标识码：A

目前低碳钢钢筋多用于建筑行业，如何保证其质量不变的情况下对其进行强化有很大的经济意义。钢筋中的强化是多是以特定的处理方式增加相应的抗塑性变形及抗断裂的能力，与之对应的评价指标较多，在室温准静态拉伸试验中评价指标多为屈服强度、流变强度、抗拉强度、断裂强度等；在室温准静态压缩试验中评价指标多为中的抗压强度；弯曲试验中可取抗弯强度为指标，疲劳试验中可取疲劳强度为指标，高温条件静态拉伸中可取持久强度为指标。抗拉强度与抗压强度在工程中使用最为广泛，也是最具代表性的力学性能指标。

钢筋的强化的方式视材料的不同而不同，强度在不同工况下的表示千差万别。在某些强度指标上其中一种手段对提高某一强度指标是非常有效的，但其对其他指标未必会有良好的效果。最重要的是材料本身的成分、表面状态和组织结构都是影响效果评价提升的重要因素；受力状态、应力加载速度、应力加载方式、反复受力或是简单拉伸，都会表现出不同的强度提升效果；此外，相应的决定性因素还包括试验介质，几何尺寸及应力分布状况，如超高强度钢的氢脆现象，在氢气氛中的拉伸强度可能成倍地下降。对于建筑施工中常用的钢筋，这些因素都会有极大的影响。

目前在工业及民居建筑中越来越多地使用钢筋混凝土结构，钢筋一般是指钢筋混凝土用和预应力钢筋混凝土用钢材，其横截面为圆形，有时为带有圆角的方形。包括光圆钢筋、带肋钢筋、扭转钢筋。钢筋混凝土用钢筋是指钢筋混凝土配筋用的直条或盘条状钢材，其外形分为光圆钢筋和变形钢筋两种，交货状态为直条和盘圆两种。本文试验对象为直径为8mm的HPB500钢筋，所用的模具为钨合金拔丝模孔，使钢筋产生塑性变形后评价其抗拉强度。以抗拉强度指标评价其力学性能。

1.试验过程

1.1 本实验选用的钢筋样品为8mm的HPB500钢筋，最终处理状态为热轧状态。将其截至等截面积等长的试验样品。

1.2 准备冷拔模具，冷拔模具结构如图1所示，将钢筋置于其中一端受力至其变形，其初始直径为φ8mm，经拉拔处理后直径为φ6mm。其变形量为25%，因试样的钢种为低碳钢，其延伸率完全满足实验条件。

1.3 HPB500钢筋标号含义为其抗拉强度≥500MPa，为了准确比较，所需的抗拉强度还需精确测量。本实验将选择20kN、25kN、30kN、35kN、40kN的力进行拉拔试验并进行编号，后比较抗拉强度的变化，编号见表1，其中0#为未经拉拔处理的原始样品。

1.4 以抗拉强度σb为基本指标，以上述样品的σb的大小变化评价力学性能的变化趋势，并加以分析。

2.试验结果及分析（表2）

试验结果表明：

（1）通过0#样品与其他样品的区别可以看出，冷拔工艺的确可以提升材料的抗拉强度。

（2）由1#至4#样品实验数据可以看出，在35kN以下随着拉拔工艺拉拔力的作用力不断增加，其抗拉强度提升较为明显。

（3）由5#样品实验数据表明，随着作用力进一步加大，其提升作用呈现增加后下降的趋势，证明拉拔提升抗拉强度并非无限制增加。具体的趋势图参照图2。

原因分析：一般对于正常塑性材料情况的拉伸强度试验包含如图3所示：其中a'点是比例极限点，oa'段是直线（a点是弹性极限点）；a'a是曲线但是仍然是弹性段；b点是上屈服点；c点是下屈服点；bcd段是屈服平台，一般以下屈服点作为屈服强度fy；de段是强化段；e点是极限强度fu，抗拉强度就是这个点，ef段是断裂阶段。

经冷拔工艺后，其形变量与抗拉强度的关系呈现图4中所示的关系，其屈服平台并未显现出来，若取卸载后残余应变为0.2%对应点的强度作为屈服强度fy，其相应的抗拉强度σb可用fu来表示。金属材料的强化途径思路如下，第一类思路为合金的原子间结合力继而提高其理论强度，所得到的为完美无瑕的晶体，目前所制得的产品为晶须。已知铁元素的晶须为例其强度接近理论值，其原理可认为无完美晶体无位错，并在形变的过程中位错并不能增殖，如果发生增殖必然会导致强度大幅下降。另一种思路假设位错在原材料中已经存在，切变的运动既是位错的运动且滑移的运动也是通过位错的运动来表征，并以列的原子为单位进行大规模迁徙与滑移。而对于接近完美的类完整晶体，切变时滑移面上的所有原子将同时滑移，这时需克服的滑移面上下原子之间的键合力无疑要大得多。金属的理论强度与实际强度之间的巨大差别，为金属的强化提供了可能性和必要性。可以认为实测的纯金属单晶体在退火状态下的临界分切应力表示了金属的基础强度，是材料强度的下限值；而估算的金属的理论强度是经过强化之后所能期望达到的强度的上限。本文中强化机理与之前的两种强化机理相比较，其表征更满足第二种关系。因此推测其为位错增值强化机理强化。

试验结论

（1）低碳钢钢筋的冷拔工艺可以显著增加钢筋的抗拉强度，本次试验中未进行冷拔工艺与进行了冷拔工艺的试样进行对比，其强度增加了约30%～50%。

（2）低碳钢钢筋的冷拔受力的大小增加钢筋的抗拉强度关系并非线性关系，其有上限值。在超越其上限值之后随着冷拔受力的增加钢筋的抗拉强度有下降趋势。

（3）较之于两种材料强化原理，冷拔钢筋受力增加抗拉强度的表现更偏重于位错增值强化机理强化方式。

参考文献

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