钢材的冷加工、时效和焊接
钢材的冷加工、时效和焊接 一、钢材的冷加工 将钢材于常温下进行冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕等，使之产生一定的塑性变形，强度和硬度明显提高，塑性和韧性有所降低，这个过程称为钢材的冷加工（或冷加工强化、冷作强化）。 土木工程中对大量使用的钢筋，往往是冷加工和时效处理同时采用，常用的冷加工方法是冷拉和冷拔。 1．冷拉。将热轧钢筋用拉伸设备在常温下拉长，使之产生一定的塑性变形称为冷拉。冷拉后的钢筋不仅屈服强度提高20%～30%，同时还增加钢筋长度（4%～10%），因此冷拉是节约钢材（一般10%～20%）的一种措施。 钢材经冷拉后屈服阶段缩短，伸长率减小，材质变硬。 实际冷拉时，应通过试验确定冷拉控制参数。冷拉参数的控制，直接关系到冷拉效果和钢材质量。 钢筋的冷拉可采用控制应力或控制冷拉率的方法。当采用控制应力方法时，在控制应力下的最大冷拉率应满足规定要求，当最大冷拉率超过规定要求时，应进行力学性能检验。当采用控制冷拉率方法时，冷拉率必须由试验确定，测定冷拉率时钢筋的冷拉应力应满足规定要求。对不能分清炉罐号的热轧钢筋，不应采取控制冷拉率的方法。 2．冷拔。将光圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔。钢筋在冷拔过程中，不仅受拉，同时还受到挤压作用。经过一次或多次冷拔后，钢筋的屈服强度可提高40%～60%，但塑性大大降低，具有硬钢的性质。 二、钢材的时效处理 将经过冷加工后的钢材，在常温下存放15～20天，或加热至100～200℃并保持2h左右，其屈服强度、抗拉强度及硬度进一步提高，这个过程称为时效处理。前者称为自然时效，后者称为人工时效。 通常对强度较低的钢筋可采用自然时效，强度较高的钢筋则需采用人工时效。 钢材经冷加工和时效处理后，其性能变化规律在应力—应变图上明显地得到反映，如图6-4所示。
图6-4 钢筋冷拉时效后应力—应变曲线的变化
图6-4中OBCD为未经冷拉和时效处理试件的 曲线。当试件冷拉至超过屈服强度的任意一个K点时卸荷载，此时由于试件已产生塑性变形，曲线沿KO'下降，KO'大致与BO平行。如果立即重新拉伸，则新的屈服点将提高至K点，以后的 曲线将与原来曲线KCD相似。如果在K点卸荷载后不立即重新拉伸，而将试件进行自然时效或人工时效，然后再拉伸，则其屈服点又进一步提高至K1点，继续拉伸时曲线沿K1C1D1发展。这表明钢筋经冷拉和时效处理后，屈服强度得到进一步提高，抗拉强度亦有所提高，塑性和韧性则相应降低。 三、钢材的焊接 焊接是各种型钢、钢板、钢筋等钢材的主要连接方式。土木工程的钢结构中，焊接结构要占90%以上。在钢筋混凝土结构中，大量的钢筋接头、钢筋网片、钢筋骨架、预埋铁件及钢筋混凝土预制构件的安装等，都要采用焊接。 （一）钢材焊接的基本方法 钢材的焊接主要采用以下两种基本方法： 1．电弧焊。电弧焊的焊接接头是由基体金属和焊条金属通过电弧高温熔化联接成一体。 2．接触对焊。接触对焊是通过电流把被焊金属接头端面加热到熔融状后，立即将其对接加压而成一体。 焊接过程的特点是：在很短的时间内达到很高的温度；金属熔化的体积很小；由于金属传热快，故冷却的速度很快。因此，在焊件中常发生复杂的、不均匀的反应和变化；存在剧烈的膨胀和收缩。因而易产生变形、内应力和组织的变化。 经常发生的焊接缺陷有以下几种。 焊缝金属缺陷：裂纹（主要是热裂纹）、气孔、夹杂物（脱氧生成物和氮化物）。 基体金属热影响区的缺陷：裂纹（冷裂纹）、晶粒粗大和析出脆化（碳、氮等原子在焊接过程中形成碳化物或氮化物，于缺陷处析出，使晶格畸变加剧所引起的脆化）。 由于焊接件在使用过程中的主要力学性能是强度、塑性、韧性和耐疲劳性，因此，对性能影响最大的焊接缺陷是焊件中的裂纹、缺口和由于硬化而引起的塑性和冲击韧性的降低。 （二）影响钢材焊接质量的主要因素 1．钢材的可焊性。可焊性好的钢材，焊接质量易于保证。含碳量小于0.25%的碳素钢具有良好的可焊性。加入合金元素（如硅、锰、钒、钛等），将增大焊接处的硬脆性，降低可焊性，特别是硫能使焊接产生热裂纹及硬脆性。 2．焊接工艺。钢材的焊接由于局部金属在短时间内达到高温熔融，焊接后又急速冷却，因此必将伴随产生急剧的膨胀、收缩、内应力及组织变化，从而引起钢材性能的改变。所以，必须正确掌握焊接方法，选择适宜的焊接工艺及控制参数。 3．焊条材料。根据不同材质的被焊件，选用适宜的焊条（可查阅有关手册选用）。但焊条的强度必须大于被焊件的强度。 钢材焊接后必须取样进行焊接质量检验，一般包括拉伸试验和冷弯试验，要求试验时试件的断裂不能发生在焊接处。
