3.3 建筑鋼材的冷加工性能和熱處理性能

3.3.1 鋼材的冷加工性能

在常溫下對鋼材進行冷拉、冷拔或冷軋，使其產生塑性變形，從而提高屈服點，但鋼材的塑性、韌性及彈性模量降低，這個過程稱為冷加工強化處理。產生冷加工強化的原因是鋼材在塑性變形中晶格的缺陷增多，而缺陷的晶格嚴重畸變，對晶格進一步滑移將起到阻礙作用，所以鋼材的屈服點可以得到提高。鋼材冷加工最常用的方法是冷拉和冷拔。

1．冷拉

冷拉是將熱軋鋼筋用冷拉設備施加強力進行張拉，使鋼筋按要求進行伸長。經過冷拉后的鋼筋，屈服點可提高17%～27%，長度增加可節約鋼材10%～20%，鋼材的極限抗拉強度基本不變，而塑性和韌性有所下降。由于塑性變形中產生的內應力短時間難以消除，所以彈性模量有所降低。

2．冷拔

冷拔是將光面圓鋼筋通過硬質合金拔絲模孔強力進行拉拔，并且通過多次強力拉拔制成直徑為3～5mm的鋼絲。鋼筋在冷拔的過程中，不僅受拉伸作用，而且還受到擠壓作用，因而冷拔的作用比冷拉作用更加強烈。經過一次或多次冷拔的鋼筋，表面光潔度很高，屈服強度提高40%～60%，但其塑性大大降低，具有硬質鋼材的性質。

3.3.2 鋼筋冷拉時效

經過冷拉后的鋼筋，在常溫下存放15～20d，或者加熱到100～200℃并保持20min～2h的試件，這個過程稱為時效處理，前者為自然時效，后者為人工時效。經冷拉以后再經時效處理的鋼筋，其屈服點進一步提高，抗拉強度有所增長，塑性和韌性進一步下移。由于時效過程中內應力的削減，故彈性模量可基本恢復到冷拉前的數值。經冷拉時效后鋼筋的應力應變變化關系如圖3.4所示。

在圖3.4中，OBCD為未經冷拉和時效鋼材試件的受拉應力-應變曲線。將試件拉至超過屈服點的任意一點K，然后卸去全部荷載，在卸除荷載的過程中，由于試件已產生塑性變形，故曲線沿KO′下降，恢復部分彈性變形，保留的塑性變形為OO′。如立即重新收拉，鋼筋的應力與應變沿OK發展，屈服點提高到K′點，以后的應力-應變與原來的曲線KCD相似。這表明，鋼筋經冷拉后，屈服點將提高，如在K點卸除荷載后，不立即拉伸，將試件進行自然時效或人工時效，然后再拉伸，則其屈服點升高至K1點，抗拉強度升高至C1點，曲線將沿K1C1D1發展，鋼材的屈服點和抗拉伸強度都有顯著提高，但塑性和韌性則相應降低。

產生冷加工強化的原因在于，當受力達到塑性變形階段后，晶粒便沿著結合力最差的晶界產生較大滑移，滑移面上晶粒破碎，晶界面增加；同時晶格產生扭曲，晶格缺陷增多，缺陷處的晶格嚴重畸變而阻礙晶格的進一步滑移，故鋼材屈服點提高，塑性和韌性降低。

時效強化的原因在于，溶于鐵素體（α Fe）中的碳、氮、氧原子，有向晶格缺陷處移動、富集，甚至呈碳化物或氧化物洗出的傾向。當鋼材在冷加工產生塑性變形以后，或在使用中受到反復振動以后，這些原子的移動、集中（富集）加快，使缺陷處的晶格畸變加劇，受力時晶粒間的滑移阻力進一步增大，因而強度增大。

冷拉的控制方法有單控（只控制冷拉率）和雙控（同時控制冷拉應力和冷拉率）兩種。一般冷拉率大，強度增長也大。若冷拉率過大，使其韌性降低過多會呈脆性斷裂。冷拉及冷拔還兼有調直和除銹作用。

時效處理措施應選擇適當。在通常情況下，Ⅰ級鋼筋采取自然時效處理，效果較好。對Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級鋼筋常用人工時效處理，自然時效的效果不大。

冷拉和時效處理后的鋼筋，在冷拉的同時還被調直和除銹，從而簡化了施工工序。但對于受動荷載或經常處于低溫（負溫）條件下工作的鋼結構，如橋梁、吊車梁、鋼軌等結構用鋼，應避免過大的脆性，防止出現突然斷裂，應采用時效敏感性小的鋼材。