CN112858623A - 判断带肋钢筋外形是否合理和加强带肋钢筋强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种判断带肋钢筋外形是否合理的方法以及加强带肋钢筋强度的方法。所述判断带肋钢筋外形是否合理的方法包括：获取钢筋外形对强度影响的量化指标W；样品分为2组，两组样品经加工、检测及试验的结果分别为δ1及δ0，对两数值进行比较，得到钢筋外形对强度影响的量化指标W。加强带肋钢筋强度的方法，包括以下步骤：步骤A：获取钢筋外形对强度影响的量化指标W；步骤B：根据所述量化指标W判断带肋钢筋外形是否合理；步骤C：当W≤‑3％时，更改成品轧辊孔型，将成品轧辊孔型的横肋底与基圆交汇处采用圆弧过渡。本发明能够确定外形对钢筋强度是否有影响或影响的大小。

Description

判断带肋钢筋外形是否合理和加强带肋钢筋强度的方法
技术领域
本发明涉及冶金领域，具体涉及一种判断带肋钢筋外形是否合理的方法以及加强带肋钢筋强度的方法，适用于采用微合金化工艺、符合GB/T1499.2标准的带肋钢筋。
背景技术
钢筋是国内钢材产品中占比最大的单一品种，产量比例达20％，带肋钢筋是钢筋产品的主体。钢筋与其它钢材产品如板、管、圆棒一样，其强度性能主要取决于其成分、工艺相结合得到的组织，或者说是各种强化方式(固溶、析出、相变等)综合叠加的结果。
钢材产品的强度一般通过拉伸试验检出，从检测标准可以发现，与其它钢材产品不同的是，钢筋的拉伸试验采用的试样是未经加工的原始钢筋，所得的极限应力值除以钢筋各规格固定的公称截面积得到强度值，但钢筋的极限应力值与钢筋实际截面积成正相关，因此钢筋的强度也与钢筋的(每延米的)重量偏差有关，概括来说，钢筋的强度指标值既取决于材质，也与重量偏差有关，这是目前业界内的公知常识。
钢筋的外形如何影响钢筋的强度，相关研究目前业界内尚未见披露或公开，但实际生产中，外形影响钢筋强度的问题是存在的，但由于是批量性、连续性的，所以相对隐蔽，没有引起人们的重视，这种问题就是：不良的钢筋外形，引起钢筋强度的总体下降。如不同钢厂钢筋作强度检测分析中发现，即使成分、组织、重量偏差基本相同，钢筋的强度有时也有明显的不同，差别达到20～30MPa。
综上所述，现有技术中存在以下问题：在成分、组织、重量偏差基本相同时，钢筋的强度有时也有明显的不同。
发明内容
本发明提供一种判断带肋钢筋外形是否合理的方法，以解决钢筋在成分、组织、重量偏差基本相同时，钢筋的强度差别较大的问题。
为此，本发明提出一种判断带肋钢筋外形是否合理的方法，所述判断带肋钢筋外形是否合理的方法包括：步骤A：获取钢筋外形对强度影响的量化指标W；步骤A具体包括：
取样：样品分为2组，从所生产的成品钢筋中切取多支长500mm样品，样品切取采用剪切或锯切方法取样，多支所述样品须在同一支成品钢筋上连续切取；
第一组样品的加工、检测及试验：端头锯平，切除剪切变形部位，按GB/T1499.2标准的方法测量并记录重量偏差，经人工时效后进行拉伸试验，计算屈服强度均值，单位MPa，然后用重量偏差归零法进行强度换算，抵减重量偏差影响，得到换算强度δ1，单位MPa；
第二组样品的加工、检测及试验：沿钢筋轴线加工成圆柱形试样，车削掉纵肋和横肋至钢筋基圆表面，经与第一组样品相同的人工时效后进行拉伸试验，强度计算采用极限应力值除以圆柱部位的实际截面积之结果，计算各支试样的屈服强度均值δ0，单位MPa；
两组样品经加工、检测及试验的结果分别为δ1及δ0，对两数值进行比较，得到钢筋外形对强度影响的量化指标W，单位为百分比，即：W＝(δ1-δ0)/δ0。
进一步地，所述判断带肋钢筋外形是否合理的方法还包括：步骤B：根据所述量化指标W判断带肋钢筋外形是否合理；
步骤B具体包括步骤B1：当W为正值时，表示钢筋外形有益于钢筋强度。
进一步地，步骤B具体包括步骤B2：当W为负值、且W≤-3％时，表示钢筋外形不利于钢筋强度。
进一步地，步骤B具体包括步骤B3：若两种不同外形的钢筋进行W值对比，对强度的贡献而言，W值大的钢筋其外形更优。
一种加强带肋钢筋强度的方法，包括以下步骤：
步骤A：获取钢筋外形对强度影响的量化指标W
步骤B：根据所述量化指标W判断带肋钢筋外形是否合理；
步骤C：当W≤-3％时，更改成品轧辊孔型，将成品轧辊孔型的横肋底与基圆交汇处采用圆弧过渡。
其中，步骤A采用前面所述的判断带肋钢筋外形是否合理的方法。
进一步地，加强带肋钢筋强度的方法还包括：
步骤D：避免成品轧辊孔型的横肋与钢筋轴线的夹角β＝45°，避免横肋走向与拉伸时的切应力线相互贴近或重合。
进一步地，加强带肋钢筋强度的方法还包括：
步骤E：在标准允许的范围内，钢筋中的横肋重量占比控制到最小。
进一步地，步骤E具体为：成品轧辊孔型中，横肋高h和相对肋面积fr取最小值，横肋间距l、横肋与钢筋轴线的夹角β、横肋末端隙fi、以及横肋侧面与钢筋表面的夹角α取最大值。
钢筋的外形如何影响钢筋的强度，相关研究目前业界内尚未见披露或公开。申请人在实际生产中发现：外形影响钢筋强度的问题是存在的，但由于是批量性、连续性的，所以相对隐蔽，没有引起人们的重视，这种问题就是：不良的钢筋外形，引起钢筋强度的总体下降。如不同钢厂钢筋作强度检测分析中发现，即使成分、组织、重量偏差基本相同，钢筋的强度有时也有明显的不同，差别达到20～30MPa；另外，在钢筋生产中有时也会发现，当切换规格生产时，在成分、工艺、组织及重量偏差无变化时，钢筋强度明显下降，检查发现钢筋外形有细微变化，在横肋底部与基圆交叉处存在不易察觉的小凹槽，钢筋拉伸时在凹槽处产生应力集中，从而提前断裂，造成强度下降。
申请人发现：与大多数钢材产品相比，钢筋的外形复杂且不规整(截面并非矩形、圆形或椭圆形的简单拼接或叠加)，按GB/T1499.2标准生产的带肋钢筋，从截面上看，其基圆表面上附着矩形状纵肋和月牙状横肋，通过观察钢筋的拉伸断口可以发现，断口形态及断口位置有多种，表明钢筋的拉伸受力状态比较复杂，至少存在以下待解疑问：1)横肋是否为有效受力截面；2)横肋底部是否存在应力集中；3)横肋夹角、横肋尺寸等在标准中有取值范围，是否存在最佳取值使钢筋获得更高强度；4)在重量偏差一定的情况下，在标准允许的范围内，基圆、纵肋、横肋的大小如何分配更有益于钢筋强度；等问题。申请人在此基础上经分析认为：在成分、组织、重量偏差基本相同时，钢筋的强度有明显的不同很有可能是钢筋的外形对钢筋的强度有直接的影响，且影响因素较多。
本发明通过评价方法进行评价，以确定此种外形对钢筋强度是否有影响或影响的大小。本发明尤其适用于采用微合金化工艺、符合GB/T1499.2标准的带肋钢筋，采用该评价方法所得的试验分析结果可以有效指导钢筋成品孔型设计、轧辊成品孔机加工及钢筋外形轧制控制等过程优化，使钢筋外形在满足标准要求的基础上，通过钢筋外形优化获得更高的强度性能。
本发明在全行业未关注、未意识到钢筋外形对钢筋强度存在影响的情况下，通过钢筋外形优化，提高了钢筋的强度：在成分、工艺及重量偏差未发生变化的情况下，仅通过外形优化，钢筋强度可提高10～25MPa。
附图说明
图1为本发明将带肋钢筋加工成圆柱形拉伸试样的结构示意图；
图2为带肋钢筋的俯视结构示意图；
图3为带肋钢筋的侧视方向的剖视结构示意图；
图4为带肋钢筋的主视结构示意图；
图5为带肋钢筋的横肋与钢筋表面的结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明。
1)本发明的评价方法采用试验分析方法，试验样品取自按GB/T1499.2标准、采用微合金化工艺生产的带肋钢筋。
2)当钢筋外形设计完成、成品孔型定型并应用于生产后，从所生产的成品钢筋中切取若干支长500mm样品，样品切取采用剪切或锯切方法取样，样品须在同一支成品钢筋上连续切取。
3)样品分为2组，分别按以下流程进行加工、检测及试验：
第一组：端头锯平，切除剪切变形部位→按GB/T1499.2标准的方法测量并记录重量偏差(均值，数值精确至0.1％)→人工时效(200℃保温1小时)→拉伸试验，计算屈服强度均值(单位MPa)→用重量偏差归零法进行强度换算(抵减重量偏差影响)→换算强度δ1(单位MPa)。
第二组：沿钢筋轴线加工成圆柱形试样如图1，车削掉纵、横肋至钢筋基圆表面(深入基圆表面0.1～0.5mm)→人工时效(200℃保温1小时)→拉伸试验，强度计算采用极限应力值除以圆柱部位的实际截面积之结果，计算各支试样的屈服强度均值δ0(单位MPa)。
备注说明：1、拉伸试验的极限应力统一采用下屈服；2、换算强度(第一组试样)计算方法：(屈服强度×100)÷(100+重量偏差值×100)；3、强度值均采用小数点后两位四舍五入后修约，强度值精确至1MPa；4、第二组圆柱形拉伸试样如图1，加工方法、外形尺寸：试样总长度Lt,有效外径d0,有效长度L0可参照标准GB/T2975，圆柱部位直径测量值精确至0.01mm，截面积计算值精确至0.1mm2.5、每组样品的有效拉伸试样不少于3支，拉伸时在夹持部位断、圆柱试样在非圆柱部位或圆柱边缘处(与未车削部位交叉的圆弧过渡处)断的均为非有效试样。
4)两组样品经加工、检测及试验的结果分别为δ1及δ0，对两数值进行比较即可得到钢筋外形对强度影响的量化指标W(百分比)，即：W＝(δ1-δ0)/δ0。当W为正值时，表示钢筋外形有益于钢筋强度，当W为负值、且W≤-3％时，表示钢筋外形不利于钢筋强度(依据：按钢筋标准GB/T1499.2中横肋的尺寸中值测算出的横肋重量占比约为3％，钢筋承载负荷时应力线不经过横肋，横肋在拉伸试验时为非有效受力截面。)；若两种不同外形的钢筋进行W值对比，对强度的贡献而言，W值大的钢筋其外形更优。
该评价方法所采用的试验分析方法的原理说明：
首先，试验中所有样品均在同一支成品钢筋上连续切取，确保了试验钢筋钢质的同一性。
第一组试样采用不经加工的原始钢筋直接进行拉伸试验，试验前测量重量偏差，拉伸试验的屈服强度通过公式换算成重量偏差为零时的强度(即换算强度)，从而折减了重量偏差对强度的影响，所得的换算强度δ1仅为钢筋材质与钢筋外形共同影响、叠加后的强度值。
第二组试样把钢筋纵、横肋车削掉并加工成圆柱试样，拉伸试验采用圆柱部位的实际横截面计算强度值，所得的强度值δ0已排除外形、尺寸及重量偏差的影响，此时的强度值仅与钢筋材质有关。
两组试样拉伸试验前均进行人工时效处理，可以排除两组试样经过不同加工工序导致不同的时效结果、残余应力下降的程度不同等干扰试验结果。
两组试样的强度值进行比较，采用公式W＝(δ1-δ0)/δ0，可以直观表明受外形影响部分的强度值(分子(δ1-δ0))以及受影响的程度(W)。
本发明通过现状分析明确了钢筋的强度不仅取决于材质、重量偏差，也与钢筋外形有关，是三者共同作用、综合叠加的结果，评价方法所采用的试验分析方法：第一组试样通过重量偏差归零法剥离了重量偏差对强度的影响分量，第二组试样通过制样时车削掉表面纵、横肋的方法剥离了重量偏差及外形两因素对强度的影响分量，两组试样最终结果的比较得到了钢筋外形这一单一因素对强度的影响分量及影响程度。采用该方法的评价结果、量化指标可以真实反映钢筋外形对强度的影响，在此基础上的外形工艺优化可以使钢筋获得更高强度。
1)钢筋按GB/T1499.2标准生产，采用微合金化工艺进行炼钢及轧制，轧后控冷工艺采用自然冷却或弱冷。
2)钢筋重量偏差稳定控制，波动范围控制在1.5％以内。
3)钢筋外形尺寸(例如，如图2，图3，图4和图5所示，钢筋内径d1，横肋顶宽b，纵肋高度h1，纵肋斜角θ)除符合GB/T1499.2标准要求外，在涉及钢筋外形的孔型设计及轧制过程的钢筋外形控制环节，还需要采取以下措施：
优化方法：
(1)横肋底与基圆交汇处采用圆弧过渡，避免出现尖角导致钢筋受力时产生应力集中。
(2)轧后钢筋不采用强冷工艺，或汽雾且较长时间冷却工艺，保证钢筋横截面包括基圆表面、横肋、纵肋组织及晶粒度的均匀性，避免出现组织应力。
(3)横肋与钢筋轴线的夹角β≠45°且尽量远离45°，避免横肋走向与拉伸时的切应力线相互贴近或重合。两相对向的横肋尽量错开。
(4)在标准允许的范围内，钢筋中的横肋重量占比控制到最小，即孔型设计时：横肋高h、相对肋面积fr取最小值，横肋间距l、横肋与钢筋轴线的夹角β、横肋末端隙fi、横肋侧面与钢筋表面的夹角α取最大值。如图2，图3，图4和图5所示。
实施例1
申请人在与其它钢厂钢筋作对标分析中，发现成分工艺及重量偏差相差不大，但强度差别较为明显，相差约15MPa。申请人取得钢厂A与钢厂B同为Φ20mm、HRB400E的钢筋，两钢厂钢筋均按GB/T1499.2标准、采用微合金化工艺生产。按以上方法对样品进行加工、检测及试验，结果：
A钢厂:W＝-1.6％；
B钢厂:W＝-5.1％。
具体试验评价数据如下：
Figure BDA0002882732270000061
采用本发明的评价方法，结果发现A钢厂钢筋外形更优，更有利于钢筋强度，B钢厂钢筋外形不利于钢筋强度，使钢筋强度下降。
通过采用本方法对B钢厂钢筋进行外形优化，使得该规格钢筋强度总体提高了18MPa。
优化措施包括：1)横肋底与基圆交汇处采用圆弧过渡，避免出现尖角导致钢筋受力时产生应力集中。2)横肋与钢筋轴线的夹角β≠45°且尽量远离45°，避免横肋走向与拉伸时的切应力线相互贴近或重合，例如，β取值67°～70°时，能够有效避免横肋走向与拉伸时的切应力线相互贴近或重合。3)在标准允许的范围内，钢筋中的横肋重量占比控制到最小，即孔型设计时：横肋高h、相对肋面积fr取最小值，横肋间距l、横肋与钢筋轴线的夹角β、横肋末端隙fi、横肋侧面与钢筋表面的夹角α取最大值。
实施例2
某时期，申请人按GB/T1499.2标准生产的Φ20mm、HRB400E的钢筋，在工艺、成分及重量偏差未发生变化的情况下，从A轧线转移至B轧线进行生产后强度明显下降，按以上方法从两轧线取钢筋样品并对样品进行加工、检测及试验，结果：
A轧线:W＝-2.7％；
B轧线:W＝-6.3％。
由此判定B轧线钢筋外形存在不利于强度的问题，经对钢筋外形及拉伸断口进行细致检查，发现钢筋横肋底与基圆交汇处存在不易察觉的小凹槽，拉伸时全部沿横肋底部断裂，明显降低了钢筋的强度。
之后对钢筋外形进行优化：更换掉使钢筋横肋底产生小凹槽的轧辊孔型，修改孔型、在横肋底与基圆交汇处增加圆弧过渡。外形优化后的钢筋强度均值上升了15MPa。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种判断带肋钢筋外形是否合理的方法，其特征在于，所述判断带肋钢筋外形是否合理的方法包括：步骤A：获取钢筋外形对强度影响的量化指标W；步骤A具体包括：
取样：样品分为2组，从所生产的成品钢筋中切取多支长500mm样品，样品切取采用剪切或锯切方法取样，多支所述样品须在同一支成品钢筋上连续切取；
第一组样品的加工、检测及试验：端头锯平，切除剪切变形部位，按GB/T1499.2标准的方法测量并记录重量偏差，经人工时效后进行拉伸试验，计算屈服强度均值，单位MPa，然后用重量偏差归零法进行强度换算，抵减重量偏差影响，得到换算强度δ1，单位MPa；
第二组样品的加工、检测及试验：沿钢筋轴线加工成圆柱形试样，车削掉纵肋和横肋至钢筋基圆表面，经与第一组样品相同的人工时效后进行拉伸试验，强度计算采用极限应力值除以圆柱部位的实际截面积之结果，计算各支试样的屈服强度均值δ0，单位MPa；
两组样品经加工、检测及试验的结果分别为δ1及δ0，对两数值进行比较，得到钢筋外形对强度影响的量化指标W，单位为百分比，即：W＝(δ1-δ0)/δ0。
2.如权利要求1所述的判断带肋钢筋外形是否合理的方法，其特征在于，所述判断带肋钢筋外形是否合理的方法还包括：步骤B：根据所述量化指标W判断带肋钢筋外形是否合理，步骤B具体包括步骤B1：当W为正值时，表示钢筋外形有益于钢筋强度。
3.如权利要求1所述的判断带肋钢筋外形是否合理的方法，其特征在于，所述判断带肋钢筋外形是否合理的方法还包括：步骤B：根据所述量化指标W判断带肋钢筋外形是否合理，步骤B具体包括步骤B2：当W为负值、且W≤-3％时，表示钢筋外形不利于钢筋强度。
4.如权利要求1所述的判断带肋钢筋外形是否合理的方法，其特征在于，所述判断带肋钢筋外形是否合理的方法还包括：步骤B：根据所述量化指标W判断带肋钢筋外形是否合理，步骤B具体包括步骤B3：若两种不同外形的钢筋进行W值对比，对强度的贡献而言，W值大的钢筋其外形更优。
5.一种加强带肋钢筋强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：获取钢筋外形对强度影响的量化指标W
步骤B：根据所述量化指标W判断带肋钢筋外形是否合理；
步骤C：当W≤-3％时，更改成品轧辊孔型，将成品轧辊孔型的横肋底与基圆交汇处采用圆弧过渡。
其中，步骤A采用如权利要求1所述的判断带肋钢筋外形是否合理的方法。
6.如权利要求5所述的加强带肋钢筋强度的方法，其特征在于，还包括：
步骤D：避免成品轧辊孔型的横肋与钢筋轴线的夹角β＝45°，避免横肋走向与拉伸时的切应力线相互贴近或重合。
7.如权利要求5所述的加强带肋钢筋强度的方法，其特征在于，还包括：
步骤E：在标准允许的范围内，钢筋中的横肋重量占比控制到最小。
8.如权利要求7所述的加强带肋钢筋强度的方法，其特征在于，
步骤E具体为：成品轧辊孔型中，横肋高h和相对肋面积fr取最小值，横肋间距l、横肋与钢筋轴线的夹角β、横肋末端隙fi、以及横肋侧面与钢筋表面的夹角α取最大值。
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