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任公司，福建 泉州 362411）

作為一種重要的結構材料，鋼鐵長期以來都在人類生產力的進步與社會的發展中扮演著極其重要的角色。在眾多類型的鋼鐵中，螺紋鋼在建筑領域有著較為廣泛的應用，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。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神經網絡模型的數據采集與分析

1.1 數據采集

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

表1 HRB400（E）牌號螺紋鋼元素含量要求 %

表2 HRB400（E）螺紋鋼力學性能指標

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

表3 HRB400（E）牌號螺紋鋼性能與成分對應表

1.2 數據分析

從長期的研究與生產實踐可知，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 神經網絡模型應用與分析選取

使用Python軟件對某鋼廠生產的螺紋鋼進行網絡訓練結果的分析，能夠保證抗拉強度的預測誤差小于40 MPa，均方差15 MPa，誤差小于1%；屈服強度預測誤差小于30 MPa，均方差14 MPa，誤差小于9%；斷后伸長率預測誤差低于6%，均方差13%，誤差小于1%。確定預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關系，因此在綜合經濟性允許的情況下可以適當提高螺紋鋼中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神經網絡模型可知，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神經網絡模型可知，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 結論

本文在數據統計的基礎上使用BP神經網絡模型分析了化學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，因此需要在生產過程中合理控制各種元素的含量。此外，為了得到更優性能的螺紋鋼，還需要強化終軋溫度的控制，防止鋼材出現組織偏析等缺陷。