钢材冷加工处理和时效处理

出处：按学科分类—工业技术 中国建材工业出版社《现代工程材料实用手册》第231页（1549字）

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，这个过程叫作冷加工强化处理。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，故钢材的屈服点提高。

施工工地或预制构件厂常利用这一原理，对钢筋或低碳钢盘条按一定制度进行冷拉，或通过使截面逐渐减小的拔丝模孔拔出(冷拔)。冷轧工艺比较复杂，一般是在工厂进行。

经过冷拉的钢筋，屈服点提高，长度增加，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。

经过冷拉的钢筋，常温下存放15～20d，或加热到100～200℃并保持一定时间，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消减，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8－5所示。

图8－5 钢筋冷拉时效后应力－应变变化

图8－5中，O，B，C，D为未经冷拉和时效试件受拉应力－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，在卸荷过程中，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，保留下塑性变形OO′。如立即重新受拉，钢筋的应力与应变沿OK发展，屈服点提高到K₁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点卸荷后，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强度都有显着提高，但塑性和韧性则相应降低。

产生冷加工强化原因在于，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。

时效强化原因在于，熔于铁素体(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析出的倾向。当钢材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。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。