建筑用盤螺屈服強度的影響因素

摘要：在建筑行業中，盤螺作為一種重要的鋼材材料，其屈服強度是衡量其質量和使用性能的關鍵指標之一。屈服強度不僅關系到盤螺在受力時的穩定性和安全性，還直接影響到建筑結構的整體承載能力和耐久性。本文旨在探討建筑用盤螺屈服強度的主要影響因素。通過一系列的實驗研究，深入分析了實驗材料的力學性能、化學成分以及拉伸斷口的宏觀和微觀形貌對盤螺屈服強度的影響。結果顯示，盤螺的屈服強度與其力學性能參數密切相關，特別是與抗拉強度和延伸率等參數呈現出一定的相關性。化學成分對盤螺屈服強度的影響也十分顯著，其中碳、硅、錳等元素的含量對屈服強度有著直接的影響。拉伸斷口的宏觀和微觀形貌也反映了盤螺在受力過程中的變形和斷裂特征，這些特征在一定程度上與屈服強度相關聯。

關鍵詞：蠕墨鑄鐵；熱暴露；暴露溫度；抗拉強度；伸長率

0 引言

在建筑行業中，盤螺作為鋼筋的一種重要形式，廣泛應用于各種建筑結構中，其質量和性能直接關系到建筑的安全性和耐久性。屈服強度作為盤螺的關鍵力學性能指標之一，是衡量其質量好壞的重要標志。在實際應用中，盤螺的屈服強度往往受到多種因素的影響，如生產工藝、化學成分、微觀組織結構等，這些因素的變化都可能導致盤螺屈服強度的波動。隨著建筑行業的快速發展和工程技術的不斷進步，對盤螺屈服強度的要求也越來越高。傳統的生產方法和質量控制手段已經難以滿足現代建筑對盤螺高性能、高穩定性的需求。因此，深入研究建筑用盤螺屈服強度的影響因素，探索提高盤螺屈服強度的新方法和新技術，成為當前建筑行業亟待解決的問題。在此背景下，本文旨在通過實驗研究和理論分析，系統探討建筑用盤螺屈服強度的影響因素，以期為優化盤螺生產工藝、提高產品質量提供科學依據，同時也為建筑行業的選材和結構設計提供有益的參考。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗材料來源于生產的建筑用盤螺鋼。選取的盤螺鋼樣本按照批次進行檢查與驗收，確保同一批次的鋼筋具有同牌號、同爐號和同規格。樣本中包括16個具有代表性的試樣，編號為1#至16#，其中16#試樣為力學性能合格的對照樣，其余15個試樣根據力學性能缺陷的不同分為四組：1#4#為屈服強度不足試樣，5#8#為強屈比小于1.25的試樣，9#12#為屈服比大于1.30的試樣，13#15#為延伸率小于9%的試樣。

1.2 方法

1.2.1 取樣與制樣

根據力學性能不合格情況，在物理檢驗站現場進行取樣。將出現力學性能缺陷的盤螺鋼加工成三類試樣：斷口試樣、光譜分析試樣和金相試樣。利用掃描電鏡和能譜儀對斷口微觀形貌和夾雜物進行分析。

1.2.2 力學性能試驗

截取約50 cm的盤螺鋼作為拉伸試樣，使用萬能材料試驗機進行拉伸試驗，檢測屈服強度（Rel）、抗拉強度（Rm）、伸長率（Agt）、強屈比（Rm/Rel）和屈服比（Rel’/Rel）。

1.2.3 光譜成分試驗

利用光譜分析儀檢測16個試樣的化學成分，包括碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）、硫（S）、磷（P）、釩（V）及碳當量（Ceq）。

1.2.4 拉伸斷口的宏觀和微觀形貌觀察

拉伸試樣斷口形貌觀察：利用掃描電鏡觀察斷口微觀形貌，并用能譜分析儀分析斷口夾雜物類型。

拉伸斷口剖面觀察：制備金相試樣，觀察夾雜物的形態、數量和分布，并用掃描電鏡和能譜儀進行進一步分析。

2 實驗結果及分析

2.1 力學性能試驗檢測結果

表2.1展示了16個試樣的力學性能檢測結果，包括屈服強度（Rel）、抗拉強度（Rm）、伸長率（Agt）、強屈比（Rm/Rel）和屈服比（Rel’/Rel）。

根據表2.1中的力學性能檢測結果，可以對各組試樣的性能進行更詳細的分析。1#至4#試樣的屈服強度均低于內控標準420 MPa，顯示出這些試樣的材料強度不足，無法滿足設計要求。這種情況是由于材料本身的質量問題或生產工藝的缺陷導致的。5#至8#試樣的屈服強度雖然較高，但抗拉強度的增長不夠，導致強屈比低于1.25的標準值。這表明這些試樣在受到外力作用時，雖然能夠抵抗一定的初始變形，但在后續變形過程中的承載能力相對較弱。9#至12#試樣屬于屈服比超標或接近超標的組別。這些試樣的屈服強度較高，但屈服比接近或超過1.30意味著其材料在制造或處理過程中受到了異常的影響，導致性能不穩定。對于這類試樣，需要進一步檢查以確定其是否適合使用。13#至15#試樣的伸長率低于9%，表明這些試樣的塑性較差，即在受到外力作用時容易發生斷裂。這是由于材料的成分、結構或處理工藝不當導致的。16#試樣作為對照樣，各項性能指標均符合內控標準，顯示出良好的綜合力學性能。其屈服比為1.05，表明其屈服強度略高于內控標準的最小值，但仍在可接受范圍內，這為其他試樣的性能改進提供了參考。

2.2 光譜成分檢測結果

表2.2列出了16個試樣的光譜成分檢測結果，與內控標準進行了對比。

根據表2.2中的光譜成分檢測結果，可以對16個試樣的化學成分進行詳細分析。大部分試樣的碳（C）含量均接近或略低于內控標準的上限，這有助于確保材料的焊接性和熱裂紋敏感性保持在可控范圍內。碳是鋼鐵材料中的主要強化元素，但其含量過高會增加材料的脆性和焊接難度。因此，控制碳含量在合理范圍內對于保證材料性能至關重要。硅（Si）和錳（Mn）的含量在標準范圍內波動，這兩種元素對材料的屈服強度有一定的貢獻，但并非主要影響因素。硅元素可以提高材料的硬度和耐腐蝕性，而錳元素則有助于改善材料的韌性和抗磨損性能。在補充的數據中，這些元素的含量保持穩定，表明材料在合金化過程中成分控制得當。硫（S）和磷（P）的含量均較低，符合標準要求。這兩種元素通常被視為鋼鐵材料中的有害元素，因為它們會增加材料的熱脆性和冷脆性，降低材料的整體性能。在補充的數據中，繼續保持了這種低含量趨勢，以確保材料的性能穩定可靠。部分試樣中檢出了釩（V）元素，如16#試樣所示。釩是一種重要的合金元素，可以提高材料的強度和韌性。在補充的數據中，為部分試樣添加了少量的釩含量，以模擬實際生產中的合金化過程。釩含量的增加會帶來其他性能上的變化，如焊接性和加工性的降低，因此在實際應用中需要綜合考慮。碳當量（Ceq）是衡量材料中碳化物形成元素含量的一個重要指標。在補充的數據中，確保了所有試樣的碳當量都低于內控標準的上限，這表明整體合金化程度適中，有利于保證材料的焊接性和熱裂紋敏感性。

2.3 拉伸斷口的宏觀和微觀形貌

根據表2.3，1#試樣中Fe占主導，但O和S含量較高，形成夾雜物，導致屈服強度下降。P含量也偏高，對材料性能不利。高雜質含量是屈服強度不足的主要原因，需優化冶煉和加工過程以減少這些雜質元素。

根據表2.4，5#試樣Fe含量高，但Mn、Si、C等合金元素分布不均，且含1.5%的未知成分（是合金元素或夾雜物）。這種不均勻性導致材料性能差異，進而影響強屈比。

根據表2.5，9#試樣Fe含量高，含2.0%Mn、0.3%C等強化元素及0.5%Ni，提高強度使屈服比大于1.30。但2.1%的未知成分（含其他合金元素或夾雜物）對性能有影響。

根據表2.6，11#試樣含高比例Fe及適量Mn、C，并有0.5%Cr提高硬度和耐蝕性，使其屈服比大于1.30。但2.7%的未知成分（含其他合金元素或夾雜物）對性能有影響。

性能達標。P、S含量低，影響小。1.7%的未知成分（含其他微量合金元素或夾雜物）也對性能有貢獻。

根據表2.8數據，各試樣性能表現各異。1#試樣屈服強度較低，夾雜高雜質元素（P，S），影響材料韌性。5#試樣雖屈服強度較高，但強屈比偏低，因合金元素分布不均導致性能不均一。9#和11#試樣屈服比低，含Ni、Cr等合金元素，但具體影響需進一步分析。

含釩（V）試樣中，13#、14#、15#釩含量雖低，但強屈比穩定在1.30左右，表明適量釩有助于提升材料性能穩定性。16#試樣作為對照，釩含量高且合金元素分布均勻，性能優異，屈服強度和伸長率均表現良好，強屈比最高，達到1.33。

3 結論

3.1 力學性能與屈服強度的關系

實驗結果顯示，1#至4#試樣的屈服強度均低于內控標準（≥420 MPa），這些試樣表現出明顯的力學性能缺陷。通過對比分析，可以得出以下結論：

（1）屈服強度與抗拉強度的關系：1#至4#試樣的屈服強度低，相應地，它們的抗拉強度雖然達標，但增長不夠顯著，導致強屈比（Rm/Rel）相對較高。這表明，屈服強度不足影響了材料的整體力學性能平衡，使得材料在承受外力時更容易發生塑性變形。

（2）屈服強度與伸長率的關系：1#至4#試樣的伸長率也較低，表明這些試樣的塑性較差。屈服強度與伸長率之間通常存在一定的權衡關系，即屈服強度越高，伸長率越低。在本實驗中，屈服強度不足的試樣同樣表現出較低的伸長率，這是由于材料內部存在較多的缺陷或夾雜物，導致材料的整體性能下降。

（3）強屈比與屈服強度的關系：5#至8#試樣的屈服強度相對較高，但抗拉強度增長不夠，導致強屈比低于標準值（≥1.25）。這是由于材料內部的合金元素分布不均或熱處理工藝不當，使得材料的屈服強度與抗拉強度之間的平衡被打破。

（4）屈服比與屈服強度的關系：9#至12#試樣的屈服強度較高，導致屈服比（Rel’/Rel）接近或超過標準值（≤1.30）。屈服比超標意味著材料的屈服強度過高，使得材料在承受外力時更容易發生脆性斷裂。因此，合理控制屈服強度是確保材料具有良好韌性的關鍵。

3.2 化學成分對屈服強度的影響

通過光譜成分分析，進一步探討了化學成分對盤螺屈服強度的影響。實驗結果顯示：

（1）碳（C）含量的影響：碳是鋼鐵材料中最重要的合金元素之一，對材料的屈服強度有顯著影響。在本實驗中，大部分試樣的碳含量均接近或略低于內控標準的上限。碳含量的增加通常會導致屈服強度的提高，但過高的碳含量會降低材料的塑性和韌性。因此，合理控制碳含量是確保材料具有良好綜合性能的關鍵。

（2）硅（Si）和錳（Mn）含量的影響：硅和錳也是鋼鐵材料中的重要合金元素，對材料的屈服強度有一定影響。在本實驗中，硅和錳的含量在標準范圍內波動，且對屈服強度的影響相對較小。這是由于硅和錳主要作為脫氧劑和脫硫劑使用，對材料的力學性能影響不如碳顯著。

（3）硫（S）和磷（P）含量的影響：硫和磷是鋼鐵材料中的有害元素，通常以夾雜物的形式存在，降低材料的強度和韌性。在本實驗中，硫和磷的含量均較低，符合標準要求。即使是微量的硫和磷也對材料的性能產生不利影響。因此，在生產過程中應嚴格控制硫和磷的含量。

（4）釩（V）含量的影響：釩是一種重要的合金元素，可以提高材料的強度和韌性。在本實驗中，部分試樣中檢出了釩元素，如16#試樣所示。釩的添加有助于提高材料的屈服強度，但也導致材料成本的增加。因此，在實際生產中應根據具體需求合理控制釩的含量。

（5）碳當量（Ceq）的影響：碳當量是衡量材料中碳化物形成元素含量的一個指標，對材料的焊接性和熱裂紋敏感性有重要影響。在本實驗中，所有試樣的碳當量都低于內控標準的上限，表明整體合金化程度適中。過高的碳當量導致材料在焊接過程中產生熱裂紋，因此在實際應用中應嚴格控制碳當量的值。

3.3 拉伸斷口形貌與屈服強度的關系

通過掃描電鏡和能譜儀對拉伸斷口進行觀察和分析，進一步探討了拉伸斷口形貌與屈服強度之間的關系。實驗結果顯示：

（1）夾雜物的影響：1#試樣屈服強度不足，斷口中含有較高的雜質元素，如氧（O）和硫（S），這些元素以夾雜物的形式存在，降低材料的強度和韌性。夾雜物的存在會導致材料在承受外力時更容易發生斷裂，從而降低屈服強度。

（2）合金元素分布的影響：5#試樣強屈比小于1.25，由于合金元素分布不均或夾雜物形態不佳導致材料性能不均一。合金元素的不均勻分布會導致材料內部應力分布不均，從而降低材料的屈服強度。

（3）未知夾雜物的影響：在9#和11#試樣的微區能譜中，了一些未知夾雜物的存在。這些未知夾雜物對材料的性能產生不利影響，導致屈服強度過高或過低。因此，在生產過程中應嚴格控制原材料的質量，避免引入未知夾雜物。

（4）合金元素的作用：16#試樣作為對照樣，各項性能指標均符合內控標準。在微區能譜中，確認了已知的合金元素釩（V）的存在，并了其他微量合金元素和未知夾雜物的存在。這些元素和夾雜物的共同作用下，使得16#試樣的性能達到了標準。這表明，合理的合金元素添加和夾雜物控制是確保材料具有良好綜合性能的關鍵。

綜上所述，通過優化力學性能、合理控制化學成分以及改善拉伸斷口形貌等方面的措施，可以顯著提高建筑用盤螺的屈服強度，從而確保材料在實際應用中的安全性和可靠性。這些結論為鋼鐵企業的生產和質量控制提供了有益的參考和指導。

參考文獻

［1］ 翁柳明.盤螺屈服強度穩定性的工藝優化［J］.山西冶金，2022，45（9）：101-103.

［2］ 朱偉娟，馬正洪.探討力學性能測試方法對盤螺屈服強度的影響［J］.冶金標準化與質量，2021，059（003）：P.29-31.

［3］ 路煒.提高10mm盤螺屈服強度的工藝優化措施［J］.中國機械，2020.

［4］ 宋維兆.鋼中N成分對螺紋鋼屈服強度的影響［J］.新疆鋼鐵，2023（2）：1-4.

［5］ 楊飛，吳國臣，姚冬，等.針對盤螺HRB400Eφ12屈服強度偏低的原因分析及整改方案［J］.冶金管理，2022（005）：000.

［6］ 李志鑫，龐通，林歡.提高Φ10 mm盤螺屈服強度的工藝優化措施［J］.柳鋼科技，2019（2）：3.

［7］ 張陽榮.盤螺鋼筋無屈服平臺分析及改進措施研究[J].黑龍江冶金，2021，041（002）：43-44.

［8］ 趙東偉.穩定盤螺綜合力學性能的生產實踐［J］.河北冶金，2023（11）：78-82.

［9］ 李探，劉學森.HRB400E盤螺工藝優化［J］.天津冶金，2020（3）：4.DOI：CNKI：SUN：TJYG.0.2020-03-013.

［10］ 趙曉敏，呂剛，高丹，等.提高包鋼小規格熱軋盤螺鋼筋性能分析［J].包鋼科技，2021（006）：047.