3.3 建筑钢材的冷加工性能和热处理性能

3.3.1 钢材的冷加工性能

在常温下对钢材进行冷拉、冷拔或冷轧，使其产生塑性变形，从而提高屈服点，但钢材的塑性、韧性及弹性模量降低，这个过程称为冷加工强化处理。产生冷加工强化的原因是钢材在塑性变形中晶格的缺陷增多，而缺陷的晶格严重畸变，对晶格进一步滑移将起到阻碍作用，所以钢材的屈服点可以得到提高。钢材冷加工最常用的方法是冷拉和冷拔。

1．冷拉

冷拉是将热轧钢筋用冷拉设备施加强力进行张拉，使钢筋按要求进行伸长。经过冷拉后的钢筋，屈服点可提高17%～27%，长度增加可节约钢材10%～20%，钢材的极限抗拉强度基本不变，而塑性和韧性有所下降。由于塑性变形中产生的内应力短时间难以消除，所以弹性模量有所降低。

2．冷拔

冷拔是将光面圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强力进行拉拔，并且通过多次强力拉拔制成直径为3～5mm的钢丝。钢筋在冷拔的过程中，不仅受拉伸作用，而且还受到挤压作用，因而冷拔的作用比冷拉作用更加强烈。经过一次或多次冷拔的钢筋，表面光洁度很高，屈服强度提高40%～60%，但其塑性大大降低，具有硬质钢材的性质。

3.3.2 钢筋冷拉时效

经过冷拉后的钢筋，在常温下存放15～20d，或者加热到100～200℃并保持20min～2h的试件，这个过程称为时效处理，前者为自然时效，后者为人工时效。经冷拉以后再经时效处理的钢筋，其屈服点进一步提高，抗拉强度有所增长，塑性和韧性进一步下移。由于时效过程中内应力的削减，故弹性模量可基本恢复到冷拉前的数值。经冷拉时效后钢筋的应力应变变化关系如图3.4所示。

图3.4 钢筋冷拉时效后应力-应变变化关系

在图3.4中，OBCD为未经冷拉和时效钢材试件的受拉应力-应变曲线。将试件拉至超过屈服点的任意一点K，然后卸去全部荷载，在卸除荷载的过程中，由于试件已产生塑性变形，故曲线沿KO′下降，恢复部分弹性变形，保留的塑性变形为OO′。如立即重新收拉，钢筋的应力与应变沿OK发展，屈服点提高到K′点，以后的应力-应变与原来的曲线KCD相似。这表明，钢筋经冷拉后，屈服点将提高，如在K点卸除荷载后，不立即拉伸，将试件进行自然时效或人工时效，然后再拉伸，则其屈服点升高至K1点，抗拉强度升高至C1点，曲线将沿K1C1D1发展，钢材的屈服点和抗拉伸强度都有显著提高，但塑性和韧性则相应降低。

产生冷加工强化的原因在于，当受力达到塑性变形阶段后，晶粒便沿着结合力最差的晶界产生较大滑移，滑移面上晶粒破碎，晶界面增加；同时晶格产生扭曲，晶格缺陷增多，缺陷处的晶格严重畸变而阻碍晶格的进一步滑移，故钢材屈服点提高，塑性和韧性降低。

时效强化的原因在于，溶于铁素体（α Fe）中的碳、氮、氧原子，有向晶格缺陷处移动、富集，甚至呈碳化物或氧化物洗出的倾向。当钢材在冷加工产生塑性变形以后，或在使用中受到反复振动以后，这些原子的移动、集中（富集）加快，使缺陷处的晶格畸变加剧，受力时晶粒间的滑移阻力进一步增大，因而强度增大。

冷拉的控制方法有单控（只控制冷拉率）和双控（同时控制冷拉应力和冷拉率）两种。一般冷拉率大，强度增长也大。若冷拉率过大，使其韧性降低过多会呈脆性断裂。冷拉及冷拔还兼有调直和除锈作用。

时效处理措施应选择适当。在通常情况下，Ⅰ级钢筋采取自然时效处理，效果较好。对Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋常用人工时效处理，自然时效的效果不大。

冷拉和时效处理后的钢筋，在冷拉的同时还被调直和除锈，从而简化了施工工序。但对于受动荷载或经常处于低温（负温）条件下工作的钢结构，如桥梁、吊车梁、钢轨等结构用钢，应避免过大的脆性，防止出现突然断裂，应采用时效敏感性小的钢材。