中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
摘 要：對比用于汽車領(lǐng)域的TRIP鋼和建筑專用鋼，結(jié)果表明，添加P和Cu元素的熱軋TRIP鋼組織為鐵素體+馬氏體島，屈強比更低（0.63），更有利于抗震性能的提高，同時具有更高的抗拉強度（675MPa），其塑韌性和焊接性也滿足建筑用鋼要求。因TRIP鋼中添加了具有耐腐蝕的P和Cu元素，使TRIP鋼具有良好的耐腐蝕性。說明在其它條件相同的情況下，通過特殊成分設(shè)計，TRIP鋼可以作為建筑領(lǐng)域用鋼，滿足抗震性能和耐腐蝕性能要求，并且性能價格比更具優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：TRIP鋼；建筑鋼；抗震性；耐腐蝕性
隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和建筑業(yè)的空前繁榮，建筑用鋼材需求量大增，對鋼材的質(zhì)量要求也是越來越高。在現(xiàn)代建筑中，鋼材的應(yīng)用范圍也越來越廣，如鋼結(jié)構(gòu)場館、鋼結(jié)構(gòu)樓梯、鋼結(jié)構(gòu)場棚、鋼構(gòu)廣告設(shè)施、鋼結(jié)構(gòu)汽車展廳、地鐵、輕軌工程，城市立交橋、高架橋、環(huán)保工程、機場設(shè)施等。為了滿足國家建設(shè)的迅猛發(fā)展，迫切需要研究開發(fā)高性能
建筑用鋼。建筑用鋼應(yīng)具有良好的抗震性能，因此，降低屈強比是十分重要的，但是，隨著鋼的高強化屈強比有上升的趨勢[1]。本文通過分析一種新型TRIP鋼的抗震耐腐蝕性能，為國內(nèi)進一步開展高性能建筑用鋼的研究工作和推廣應(yīng)用提供參考。
1 試驗材料和檢驗方法
1.1 試驗材料
試驗鋼采用工業(yè)純鐵、硅鐵合金、錳合金和磷鐵合金在型號為ZGJW0.05-100-2.5的50kg真空感應(yīng)爐進行冶煉，澆注后，軋制成10.0mm厚的熱軋鋼板，其化學(xué)成分如表1所示。
為了便于對比分析，取市場上已用的建筑用鋼進行了相關(guān)的實驗分析。1號為TRIP鋼，2號為建筑專用鋼。
表1 試驗用鋼板的化學(xué)成分 （Wt/%）
1.2 檢驗方法
試驗鋼板的力學(xué)性能測試在意大利CESARE GALDABINI公司GALDABINI SUN10材料萬能試驗機上進行，試樣加工和測試條件均GB/T228-2002標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。金相、衍射樣品直接在熱軋試樣鋼板上切取。金相組織觀察在日本奧林巴斯PME3-323UN光學(xué)顯微鏡上進行，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T10561-2005和GB/T6394-2002。X-射線衍射分析D/max-2500PC衍射分析儀上進行，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T17359-1998。X-射線衍射分析的是試樣表面，金相為平行軋向的樣品截面，并且試樣均是經(jīng)切割、鑲嵌、磨制、拋光和5%的硝酸酒精溶液腐蝕而成，硝酸酒精溶液腐蝕時間為2~3s。
2 試驗結(jié)果
2.1性 能
2.1.1拉伸性能
針對兩種試驗鋼進行拉伸性能測試，測試結(jié)果如表2所示。
表2 試驗鋼的力學(xué)性能
2.1.2 沖擊性能
針對兩種試驗鋼進行沖擊性能測試，試樣采用缺口深度為2mm并且厚度為10mm的試樣，且每個溫度測試6個試樣，然后選其平均值，結(jié)果如表3所示。
表3 試驗鋼的沖擊性能
從沖擊功的結(jié)果看，TRIP試驗鋼沖擊韌性
非常優(yōu)良，而且溫度變化對沖擊韌性影響很小，波動范圍很窄。
2.1.3 焊接性能評估
建筑用鋼離不開焊接工序，因此要求建筑用鋼具有良好的焊接性能，通常用碳當(dāng)量（Ceq）和焊接裂紋敏感指數(shù)（Pcm）來衡量。碳當(dāng)量和焊接裂紋敏感指數(shù)計算公式如下[2]：
Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+ V/14 (1)
Pcm= C+Mn/20+Si/30+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15
+V/10+5B (2)
根據(jù)以上公式（1）和（2），計算結(jié)果如表4所示。
表4 試驗鋼的焊接性能評估
表4數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，兩種試驗鋼的焊接性能均滿足要求，但TRIP鋼的焊接性能更優(yōu)異。
2.2顯微組織
針對2種試驗鋼試樣金相觀察分析，TRIP鋼金相觀察照片如圖1(a)，建筑鋼金相觀察照片如圖1(b)。TRIP鋼的組織為F+M+A'，建筑鋼的組織為F+P。
圖1 試樣的金相組織: (a) TRIP鋼；(b) 建筑鋼(含P高強鋼抗震耐腐蝕性能分析)
3 分析討論
3.1 耐腐蝕性分析
建筑用鋼的耐腐蝕性與化學(xué)成分息息相關(guān)，低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼是建筑結(jié)構(gòu)用鋼的主要鋼材，低合金結(jié)構(gòu)鋼是在冶煉碳素結(jié)構(gòu)鋼時增添一些合金元素?zé)挸傻?，其強度、沖擊韌性提高，而塑性又不太降低。低合金結(jié)構(gòu)鋼由于增加了合金元素，碳的含量與低碳鋼相近，因而對焊接有更高要求[3]。在鋼材冶煉過程中增加磷、鉻和鎳等合金元素，使金屬表面形成保護層[4]。然而，鎳價格昂貴，勢必增加原料成本。
本文中涉及的一種新型TRIP鋼，在成分設(shè)計上，含碳量較低，保證了試驗鋼具有TRIP效應(yīng)的同時，也有利于焊接性能的提高。合金元素含量少，避免了采用戰(zhàn)略合金元素和貴重合金元素，使鋼材具有高的性能價格比。P是有效的提高耐大氣腐蝕性能的合金元素，在TRIP鋼中，P和Cu元素配合，富集在鋼基體附近銹層中，促進形成致密的非晶態(tài)氧化鐵，起到保護鋼基體的作用，從而增加耐腐蝕性。同時，P也是鐵素體穩(wěn)定元素，抑制滲碳體的形成，使奧氏體中的碳含量增加，通過固溶強化來提高鐵素體基體的強度。
3.2 抗震性分析
作為抗地震用的建筑結(jié)構(gòu)鋼，對其性能要求如下[5]：(1)足夠的強度和較小的屈強比；(2)較高的塑性和韌性；(3)良好的焊接性能和加工性能。由表2可以看出，TRIP鋼的抗拉強度明顯高于所選用的建筑用鋼，屈強比也明顯優(yōu)于后者。通常，建筑用鋼要承受較高的載荷，針對其抗震性更是要求強韌度、塑性達到最佳配合。在嚴酷的變形負荷下，建筑用鋼的塑性變形一致性是關(guān)鍵，而提高塑性變形性能的有效方法是降低鋼的屈強比[2]。屈強比越低，材料從開始塑性變形到最終斷裂所需要的形變量越大，因而提高了其塑性變形能力，可有效緩解因過載而產(chǎn)生的應(yīng)力集中，使建筑構(gòu)件吸收較多的地震能。反之，若屈強比過高，則會導(dǎo)致由于局部大變形而造成的載荷失穩(wěn)，從這個角度出發(fā)，對于建筑用鋼來說，低屈強比是建筑用鋼設(shè)計的首要條件。
TRIP鋼在具有高強度的同時，具備良好的塑韌性，這從微觀上得益于其組織形成，所形成的組織為鐵素體+馬氏體島。TRIP鋼通過添加Si元素來抑制滲碳體或珠光體的形成。同時，提高殘余奧氏體的數(shù)量與穩(wěn)定性，TRIP鋼組織中分布均勻的殘余奧氏體具備應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變以及相變誘導(dǎo)塑性的特征，可以使鋼獲得較高的強度和塑性。TRIP鋼在拉伸變形時，變形最大的部位殘余奧氏體首先誘發(fā)馬氏體相變，使局部強度提高，導(dǎo)致應(yīng)力向未發(fā)生馬氏體相變的其它部位轉(zhuǎn)移，推遲了縮頸的發(fā)生。同時局部應(yīng)力集中因馬氏體相變而松弛，降低了裂紋產(chǎn)生，殘余奧氏體與外加應(yīng)力呈共格關(guān)系，高能界面不利于裂紋的擴展，因此宏觀效應(yīng)表現(xiàn)為延伸率的提高[6]。文獻表明[7]，某建筑用鋼采用的是Nb、V、Ti等合金化，鋼的顯微組織由鐵素體-珠光體（F-P）型轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧铊F素體型（即貝氏體B）。也就是說建筑用鋼組織基本上是鐵素體+珠光體或鐵素體+貝氏體。顯然，這種組織的強塑積不會達到TRIP鋼的強塑積。也就表明，采用本文中涉及的TRIP鋼，其強度高，塑性好，屈強比低，具有良好的抗震性能。
建筑用鋼應(yīng)具備良好的韌性以降低外加變形引起的內(nèi)應(yīng)力。鋼的韌性是隨溫度變化的，環(huán)境溫度下降時，韌性隨之降低，當(dāng)降到一定溫度以下，鋼由韌性變?yōu)榇嘈?/span>[8]。通常取沖擊試驗的沖擊功（Akv）降到一定值時所對應(yīng)的溫度作為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。一般韌脆轉(zhuǎn)變溫度較低的鋼，常溫下沖擊值也較高；而常溫下沖擊功較高的鋼，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度不一定低。我國北方地區(qū)最低氣溫可低到-40℃，發(fā)生地震時，建筑用鋼發(fā)生低溫低應(yīng)力脆斷的危險不容忽視。由表3可以看出，在-40℃時，TRIP鋼仍具有良好的沖擊韌性，滿足建筑用鋼韌性要求。
對于建筑用鋼來說，離不開焊接工序，因此要求建筑用鋼具有良好的焊接性能，通過常用的碳當(dāng)量和焊接裂紋敏感指數(shù)2種指標(biāo)來評估試驗鋼的焊接性能。由表4可以看出，2種鋼的焊接裂紋敏感指數(shù)相當(dāng)，而從碳當(dāng)量來看，顯示出TRIP鋼的碳當(dāng)量更低，并且低于結(jié)構(gòu)鋼的上限碳當(dāng)量0.44%，這也就表明TRIP鋼的焊接性能相對更加優(yōu)良。
4 結(jié)論
1）對比常用于汽車領(lǐng)域的TRIP鋼和建筑用的低合金結(jié)構(gòu)鋼，TRIP鋼具有更高的強度和更低的屈強比，而且塑韌性和焊接性能滿足建筑用鋼要求。
2）TRIP鋼可作為建筑行業(yè)用鋼使用，具有良好的抗震性能和耐腐蝕性能。
參考文獻
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