成分对螺纹钢的性能影响分析

许建平

（泉州闽光钢铁有限责任公司，福建 泉州 362411）

作为一种重要的结构材料，钢铁长期以来都在人类生产力的进步与社会的发展中扮演着极其重要的角色。在众多类型的钢铁中，螺纹钢在建筑领域有着较为广泛的应用，各种用途的螺纹钢在性能要求方面也有着一定的差异性。例如，混凝土构件中起支撑骨架作用的螺纹钢在硬度、韧性、强度以及变形性能与焊接性能方面需要满足特定的要求[1]。

螺纹钢的性能主要受化学成分和金相组织与晶粒度影响，其性能主要通过屈服强度、抗拉强度以及伸长率三项指标来体现。牌号为HRB400（E）的螺纹钢性能主要受C、Mn、Si、Ni、Cr、V等合金元素影响，其中C、Si、Mn三种元素的含量相对较高，C元素对螺纹钢性能的影响主要体现在固溶强化与珠光体量的影响；铁素体钢材与珠光体钢材中的Si元素可以起到强化铁素体的作用；Mn元素对螺纹钢性能的影响则主要体现在细晶强化与固溶强化方面。此外，Cr元素能够提高螺纹钢的淬透性，Nb元素可以起到析出强化的作用[3]。

1 基于BP神经网络模型的数据采集与分析

1.1 数据采集

生产实践证明，C、Mn、Si、Cr等化学元素的含量对螺纹钢的性能有着极大的影响，HRB400（E）螺纹钢化学成分要求如表1所示，力学性能指标如表2所示。

表1 HRB400（E）牌号螺纹钢元素含量要求 %

表2 HRB400（E）螺纹钢力学性能指标

螺纹钢的性能主要体现为抗拉强度、屈服强度以及断后伸长率三项指标[2]。本文统计了某钢铁企业生产的HRB400（E）螺纹钢化学元素含量与其对应的性能，具体如下表3所示。

表3 HRB400（E）牌号螺纹钢性能与成分对应表

1.2 数据分析

从长期的研究与生产实践可知，影响螺纹钢抗拉强度的元素主要有C、Si、Cr、Cu、V、Ni、Mn、碳当量等；对螺纹钢屈服强度影响较大的元素有C、P、Cr、Mn、Ni、V等；对螺纹钢断后伸长率影响较大的元素主要有Mn、S、Ni、V、P等。其中，对螺纹钢三项性能指标均具有较大影响的元素有C、Mn、Si、Cr、P等[5]。

2 神经网络模型应用与分析选取

使用Python软件对某钢厂生产的螺纹钢进行网络训练结果的分析，能够保证抗拉强度的预测误差小于40 MPa，均方差15 MPa，误差小于1%；屈服强度预测误差小于30 MPa，均方差14 MPa，误差小于9%；断后伸长率预测误差低于6%，均方差13%，误差小于1%。确定预测模型达到较高的精度后，再进行单种元素对螺纹钢性能影响的输出分析，具体如下。

2.1 C元素对螺纹钢性能的影响（见下页图1）

由图1可知，当w（C）从0.1%上升到0.25%时，螺纹钢的抗拉强度增加了75 MPa；屈服强度提高了75 MPa。w（C）逐渐增加的过程中，螺纹钢断后伸长率呈下降趋势，抗拉强度呈上升趋势。

图1 C元素对螺纹钢性能的影响

2.2 Mn元素对螺纹钢性能的影响

Mn元素对螺纹钢性能的影响如图2所示。

图2 Mn元素对螺纹钢性能的影响

由图2可知，Mn元素的含量对螺纹钢抗拉强度、屈服强度以及断后伸长率的影响成正相关关系，因此在综合经济性允许的情况下可以适当提高螺纹钢中Mn元素的含量。

2.3 Si元素对螺纹钢性能的影响

Si元素对螺纹钢性能的影响如图3所示。

图3 Si元素含量对螺纹钢性能的影响

由BP神经网络模型可知，螺纹钢中w（Si）从0.400%上升到0.475%时，抗拉强度随着增大，w（Si）从0.475%上升到0.600%时，抗拉强度平缓下降，Si元素对螺纹钢屈服强度的影响与抗拉强度相类似。w（Si）从0.400%上升到0.410%时，断后伸长率达到最大值，随后w（Si）从0.410%上升到0.550%时断后伸长率迅速下降，然后w（Si）从0.550%上升到0.600%过程中，断后伸长率缓慢回升。

2.4 Cr元素对螺纹钢性能的影响

Cr元素含量对螺纹钢性能的影响如图4所示。

图4 Cr元素含量对螺纹钢性能的影响

由BP神经网络模型可知，w（Cr）从0.010%上升到0.030%时，螺纹钢抗拉强度和屈服强度相对稳定；w（Cr）从0.010%上升至0.025%过程中断后伸长率随之上升，w（Cr）从0.025%上升至0.030%过程中，断后伸长率轻度下降[4]。

3 结论

本文在数据统计的基础上使用BP神经网络模型分析了化学成分对螺纹钢抗拉强度、屈服强度以及断手伸长率三项性能指标的影响。由模型结果可知，C、Mn、Si、Cr等元素含量对螺纹钢的性能有着直接的影响，因此需要在生产过程中合理控制各种元素的含量。此外，为了得到更优性能的螺纹钢，还需要强化终轧温度的控制，防止钢材出现组织偏析等缺陷。