稳定化处理工艺参数对预应力

钢绞线性能的影响

王福新 袁 康 秦术宝 朱 龙

(北京科技大学) (天津市第二预应力钢丝有限公司)

摘 要 通过对预应力(PC)钢绞线稳定化处理及随后的破断、应力松弛

试验，分析了处理前后强度、塑性、松弛率指标的变化趋势，得出了工艺温度、张应力对性能指标的影响规律，进而提出了稳定化处理的最佳工艺参数。

关键词 稳定化处理 工艺参数 钢绞线性能

EXPERIMENTAL STUDY ON EFFECT OF STABILIZING

TREATMENT

PARAMETERS ON PROPERTIES OF PC STEEL STRAND

WANG Fuxin YUAN Kang

(University of Science and Technology Beijing)

QIN Shubao ZHU Long (Tianjin No.2 Concrete Co.，Ltd.)

ABSTRACT The change in strength,plasticity and relaxation rate of PC steel strand before and after stabilizing has been analyzed by means of fracture and stress relaxation tests.The effect of treatment parameters and tensile stress on the properties was obtained and optimum parameters of stabilizing treatment were also proposed.

KEY WORDS stabilizing treatment,process parameter,strand,property 1 前言

目前，国内依靠引进能生产低松弛、高强度预应力(PC)钢丝、PC钢绞线的厂家已达20余家，生产能力30万t以上。但由于我国此类产品的生产、应用起步较晚，产品同欧美国家的实物水平相比，存在较大差距，主要表现在［1］：①松弛值不稳；②伸直性不良；③产品通条均质性差。因此，有必要系统地研究钢绞线生产中对产品性能起关键性作用的

稳定化处理工艺，研究其工艺参数对PC钢绞线性能影响的规律，进而优化出最佳工艺参数组合，从而发挥该工艺的最大潜能，生产出高品质的产品。

2 试验方案设计

2.1 方案设计的基本思想

稳定化处理工艺有温度、施加的张力及加热到一定温度的保温时间等三个主要参数。在低松弛、高强度PC钢绞线的生产中，稳定化处理已与捻制工序有机连接，生产效率要求处理时间越短越好。处理的时间依靠温度、张力的调解加以弥补。

为保证加热温度严格控制在设定温度以下，试验拟采用电阻炉加热。同时，为使试验过程与生产实际吻合得更好，加热时不设保温时间。 2.2 试验方案

试验选择工艺温度、张应力两因素变化作为研究对象，两因素选择的变化范围：工艺温度为345～385 ℃；张应力为0.42～0.50σb。每个因素各取5个水平，即工艺温度每隔10 ℃为一试验点；张应力每隔0.02σb为一试验点。试验指标以GB5224—85中规定的性能指标为基准，选取抗拉强度、屈服强度、屈强比、延伸率及应力松弛值等5个指标。 3 试验过程 3.1 试样制备

试验所用钢绞线为1×7×15.24 mm，材料为82B，其处理前力学性能见表1。

表 1 未处理钢绞线的力学性能

Table 1 Mechanical properties of steel strand

without treatment

实测直径/ 实测捻距/ 抗拉强度/ 屈服强度/ 延伸率/ mm mm MPa MPa % 15.45 229～231 1 839.29 1 729.29 0.6 3.2 试验设备

由于直径为15.24 mm、强度级别为1 860 MPa的钢绞线其理论破断力在(26～27)×104 N之间，因此，张应力的施加及处理后破断时如何防止应力集中，记录出真实的应力-应变曲线是试验过程中的最大难点。为此，设计了如图1所示的专用夹具，使处理后的破断试验得以顺利进行。

图 1 专用夹头示意图

Fig.1 A sketch map of the special fixture

(a)夹片；(b)夹头外套

稳定化处理所用加热炉为自行设计及制作的管式电阻炉，配以PID控温仪构成自动升温-控温系统。张应力施加设备为MTS(809)拉扭试验机(该机同时担负松弛试验)，处理后破断试验用设备为INSTRON1255型电液压伺服试验机。 3.3 试验结果及讨论 3.3.1 稳定化处理试验

按2.2节设计的方案在5个温度点分别配合5个张应力进行稳定化处理试验。

为研究工艺参数对性能指标的影响情况，首先进行了试验结果的方差分析，表2列出了计算结果。

由方差分析计算结果得出了工艺温度与张应力对强度、塑性指标的影响情况。为了使计算结果的分析更加直观，给出了工艺参数与性能指标的关系曲线，如图2～4所示。 由图2(a)中可以看出，随着温度的提高，抗拉强度基本呈下降趋势，只有365 ℃附近由于“蓝脆”现象使强度变化有所不同。而图2(b)中的曲线说明，抗拉强度在张应力从0.42 σb提高到0.46σb时，抗拉强度呈稍下降趋势，但当张应力继续升高时抗拉强度出现回升，这一现象反映了稳定化处理过程中塑性变形对该性能指标的影响。

由图3(a)中曲线变化可以看出，在365～385 ℃温度区间内，屈强比保持在较高水平上稍有变化，而355 ℃附近出现低谷，这是由于在此温度附近C、N间隙原子扩散速度与位错运动速度基本趋于一致，间隙原子阻碍位错运动的能力相对较弱所致。相对于张应力的变化，屈强比曲线变化明显，这是由于抗拉强度与屈服强度随张应力变化而变化的结果。

表 2 试验数据的方差分析

Table 2 Variance analysis of test data

指标 离差平方和 自由计算F 约定F 度 ft＝24 约定F 显著性 抗拉强总离差平方和Qt＝246 251 度 020.6 因子温度Qa＝15 046 192.2 fa＝4 因子张应力Qb＝205 455 232.9 fb＝4 Fa＝8.00 Fb＝1.09 F0.05＝3.01 F0.01＝4.77   fe＝16 F0.05＝F0.01＝3.01 4.77 F0.05＝3.01 F0.01＝4.77 误差Qe＝75 241 595.44 fe＝16 总离差平方和Qt＝3 154 320 因子温度Qa＝1 317 260.8 fa＝4 屈服强度 因子张应力Qb＝489 180.2 fb＝4 误差Qe＝1 347 879 fe＝ 16 Fa＝3.91 Fb＝1.45 ft＝24 F0.05＝F0.01＝3.01 4.77 F0.05＝F0.01＝3.01 4.77 F0.05＝F0.01＝3.01 4.77 F0.05＝3.01 F0.01＝4.77 总离差平方和Qt＝3 308 ft＝24 因子温度Qa＝883.2 屈强比 因子张应力Qb＝528.4 误差Qe＝1 896.4 fb＝4 fe＝16 Fa＝5.28 Fb＝0.20 fa＝4 Fa＝1.86 Fb＝1.11 总离差平方和Qt＝1 190.16 ft＝24 因子温度Qa＝664.56 延伸率 因子张应力Qb＝21.76 误差Qe＝440.64

fb＝4 fe＝16 fa＝4  F0.05＝F0.01＝3.01 4.77

图 2 强度指标与工艺参数的关系

Fig.2 Relation between strength index and process parameters (a)强度指标与工艺温度的关系；(b)强度指标与张应力的关系

由图4(a)、(b)曲线变化可知，对于延伸率指标，在345～385 ℃温度区间内，随温度的升高，基本呈上升的趋势。相对于张应力的变化，在0.48 σb延伸率出现最大值，这与在较高的张应力作用下(配合温度的作用)，滑移系取向变化和塑性变形的程度有关。 3.3.2 应力松弛试验

将未处理与经不同参数稳定化处理的钢绞线依美国材料与试验协会标准ASTM A416—93中的有关规定进行应力松弛试验，试验结果如表3。 按表3中的数据，给出了10 h应力松弛与时间关系回归曲线，如图5所示。由图5中各曲线的变化趋势可以看出，未处理钢绞线抗松弛性能极差。以10 h松弛值为对比点，未处理试样的应力松弛值与经稳定化处理试样中松弛性能最差的4号试样(工艺参数为温度365 ℃，张应力0.50σb)之比为2.73∶1。

图 3 屈强比与工艺参数的关系

Fig.3 Relation between the yield/tensile ratio and

process parameters (a)屈强比与工艺温度的关系；(b)屈强比与张应力的关系

表4给出了图5中各曲线回归公式及R值。 查相关系数检验表［1］可得：τ0.05＝0.602 1，τ0.01＝0.734 8。所以，试样均在0.01水平上可信，回归方程均有实用价值。1 000 h的应力松弛率预测有意义。由上表数据可知，稳定化处理可大幅度降低钢绞线的应力松弛率，最多可降低84.84 %。

为更清晰地了解工艺参数对松弛性能的影响，图6给出10 h松弛率与工艺参数的关系。

由图6可以看出，在345～365 ℃温度区间内，随温度的升高，松弛值呈上升的趋势，当温度升高到375 ℃，屈服强度的下降已使同样的张应力达到了其屈服应力。此时，材料发生塑性变形，从稳定化处理开始升温到升温终止，试样相对伸长接近2 %［2］。伴随着材料的塑性变形，将发生动态应变时效。对于碳含量较高的82B材料，不仅形成了柯氏气团，而且张应力还促使在温状态下渗碳体的分解，使位错钉扎更有利(且塑性变形还会使位错保持高密度)，同时使位错的排列相对于拉伸方向变得更加稳定，因而提高钢了抗松弛性能。由此可见，张应力在稳定化处理过程中可显著提高钢绞线抗松弛能力。

图 4 延伸率与工艺参数的关系

Fig.4 Relation between elongation and process parameters (a)延伸率与工艺温度的关系；(b)延伸率与张应力的关系

图 5 应力松弛与时间关系回归曲线

Fig.5 Regression curve of stress relaxation and time

图 6 松弛率与工艺参数的关系

Fig.6 Relation between relaxation rate and

process parameters 表 3 应力松弛试验结果

Table 3 Test data of the stress relaxation

工艺参数 不同时间的松弛值 试验 温张应力0.1 h 0.2 h 0.5 h 0.8 h 1 h 3 h 5 h 号 度/MPa /℃ 7 h 10 h 未0.018 0.021 0.029 0.033 0.034 0.043 0.046 0.048 0.051 1 处未处理 5 8 8 6 7 3 0 6 3 理 2 345 0.50σb 3 355 0.50σb 4 365 0.50σb 5 375 0.50σb 0.008 0.011 0.013 0.014 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 4 0 1 1 1 3 4 7 9 0.009 0.012 0.014 0.014 0.015 0.016 0.016 0.017 0.017 7 5 4 8 3 2 5 0 4 0.007 0.009 0.013 0.014 0.014 0.015 0.016 0.017 0.018 5 7 1 3 8 3 2 9 8 0.004 0.004 0.005 0.005 0.005 0.006 0.007 0.009 0.010 1 5 0 2 5 7 5 4 4 表 4 松弛试验数据回归计算表

Table 4 Regression calculating table of the stress relaxation

test data 工艺参数 试验号 温度/℃ 张应力/MPa 1 2 3 4 未处理 345 355 365 回归公式 R值 外推1 000 h松弛率/% 14.97 2.98 2.97 4.34 未处理 y＝0.032 8x0.219 8 0.988 0.50σb y＝0.031 2x0.117 7 0.889 0.50σb y＝0.014 3x0.025 2 0.923 0.50σb y＝0.013 1x0.173 4 0.943 5 4 结语

375 0.50σb y＝0.005 9x0.195 1 0.966 2.27 (1) 通过对稳定化处理工艺中温度、张应力两因素对PC钢绞线性能影响的试验分析，可以明确：温度因素对钢绞线强度、塑性指标具有显著影响；温度、张应力共同决定了钢绞线的抗应力松弛能力。

(2) 稳定化处理可大幅度降低PC钢绞线的应力松弛值，处理后1 000 h的松弛率比未处理的松弛率降低71.01 %～84.84 %。

(3) 综合强度、塑性及抗应力松弛三项性能指标的要求，PC钢绞线稳定化处理最佳工艺参数为：工艺温度：375 ℃；张应力：0.48 σb。

参 考 文 献

1 王式安.数理统计.北京：北京理工大学出版社，1995.

2 哈宽富.金属力学性质的微观理论.北京：科学出版社，1993.