成分對螺紋鋼的性能影響分析

許建平

（泉州閩光鋼鐵有限責(zé)任公司，福建 泉州 362411）

作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料，鋼鐵長期以來都在人類生產(chǎn)力的進步與社會的發(fā)展中扮演著極其重要的角色。在眾多類型的鋼鐵中，螺紋鋼在建筑領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用，各種用途的螺紋鋼在性能要求方面也有著一定的差異性。例如，混凝土構(gòu)件中起支撐骨架作用的螺紋鋼在硬度、韌性、強度以及變形性能與焊接性能方面需要滿足特定的要求[1]。

螺紋鋼的性能主要受化學(xué)成分和金相組織與晶粒度影響，其性能主要通過屈服強度、抗拉強度以及伸長率三項指標來體現(xiàn)。牌號為HRB400（E）的螺紋鋼性能主要受C、Mn、Si、Ni、Cr、V等合金元素影響，其中C、Si、Mn三種元素的含量相對較高，C元素對螺紋鋼性能的影響主要體現(xiàn)在固溶強化與珠光體量的影響；鐵素體鋼材與珠光體鋼材中的Si元素可以起到強化鐵素體的作用；Mn元素對螺紋鋼性能的影響則主要體現(xiàn)在細晶強化與固溶強化方面。此外，Cr元素能夠提高螺紋鋼的淬透性，Nb元素可以起到析出強化的作用[3]。

1 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)據(jù)采集與分析

1.1 數(shù)據(jù)采集

生產(chǎn)實踐證明，C、Mn、Si、Cr等化學(xué)元素的含量對螺紋鋼的性能有著極大的影響，HRB400（E）螺紋鋼化學(xué)成分要求如表1所示，力學(xué)性能指標如表2所示。

表1 HRB400（E）牌號螺紋鋼元素含量要求 %

表2 HRB400（E）螺紋鋼力學(xué)性能指標

螺紋鋼的性能主要體現(xiàn)為抗拉強度、屈服強度以及斷后伸長率三項指標[2]。本文統(tǒng)計了某鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的HRB400（E）螺紋鋼化學(xué)元素含量與其對應(yīng)的性能，具體如下表3所示。

表3 HRB400（E）牌號螺紋鋼性能與成分對應(yīng)表

1.2 數(shù)據(jù)分析

從長期的研究與生產(chǎn)實踐可知，影響螺紋鋼抗拉強度的元素主要有C、Si、Cr、Cu、V、Ni、Mn、碳當(dāng)量等；對螺紋鋼屈服強度影響較大的元素有C、P、Cr、Mn、Ni、V等；對螺紋鋼斷后伸長率影響較大的元素主要有Mn、S、Ni、V、P等。其中，對螺紋鋼三項性能指標均具有較大影響的元素有C、Mn、Si、Cr、P等[5]。

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用與分析選取

使用Python軟件對某鋼廠生產(chǎn)的螺紋鋼進行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果的分析，能夠保證抗拉強度的預(yù)測誤差小于40 MPa，均方差15 MPa，誤差小于1%；屈服強度預(yù)測誤差小于30 MPa，均方差14 MPa，誤差小于9%；斷后伸長率預(yù)測誤差低于6%，均方差13%，誤差小于1%。確定預(yù)測模型達到較高的精度后，再進行單種元素對螺紋鋼性能影響的輸出分析，具體如下。

2.1 C元素對螺紋鋼性能的影響（見下頁圖1）

由圖1可知，當(dāng)w（C）從0.1%上升到0.25%時，螺紋鋼的抗拉強度增加了75 MPa；屈服強度提高了75 MPa。w（C）逐漸增加的過程中，螺紋鋼斷后伸長率呈下降趨勢，抗拉強度呈上升趨勢。

圖1 C元素對螺紋鋼性能的影響

2.2 Mn元素對螺紋鋼性能的影響

Mn元素對螺紋鋼性能的影響如圖2所示。

圖2 Mn元素對螺紋鋼性能的影響

由圖2可知，Mn元素的含量對螺紋鋼抗拉強度、屈服強度以及斷后伸長率的影響成正相關(guān)關(guān)系，因此在綜合經(jīng)濟性允許的情況下可以適當(dāng)提高螺紋鋼中Mn元素的含量。

2.3 Si元素對螺紋鋼性能的影響

Si元素對螺紋鋼性能的影響如圖3所示。

圖3 Si元素含量對螺紋鋼性能的影響

由BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可知，螺紋鋼中w（Si）從0.400%上升到0.475%時，抗拉強度隨著增大，w（Si）從0.475%上升到0.600%時，抗拉強度平緩下降，Si元素對螺紋鋼屈服強度的影響與抗拉強度相類似。w（Si）從0.400%上升到0.410%時，斷后伸長率達到最大值，隨后w（Si）從0.410%上升到0.550%時斷后伸長率迅速下降，然后w（Si）從0.550%上升到0.600%過程中，斷后伸長率緩慢回升。

2.4 Cr元素對螺紋鋼性能的影響

Cr元素含量對螺紋鋼性能的影響如圖4所示。

圖4 Cr元素含量對螺紋鋼性能的影響

由BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可知，w（Cr）從0.010%上升到0.030%時，螺紋鋼抗拉強度和屈服強度相對穩(wěn)定；w（Cr）從0.010%上升至0.025%過程中斷后伸長率隨之上升，w（Cr）從0.025%上升至0.030%過程中，斷后伸長率輕度下降[4]。

3 結(jié)論

本文在數(shù)據(jù)統(tǒng)計的基礎(chǔ)上使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析了化學(xué)成分對螺紋鋼抗拉強度、屈服強度以及斷手伸長率三項性能指標的影響。由模型結(jié)果可知，C、Mn、Si、Cr等元素含量對螺紋鋼的性能有著直接的影響，因此需要在生產(chǎn)過程中合理控制各種元素的含量。此外，為了得到更優(yōu)性能的螺紋鋼，還需要強化終軋溫度的控制，防止鋼材出現(xiàn)組織偏析等缺陷。