摘  要：對(duì)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(qiáng)比更低（0.63），更有利于抗震性能的提高，同時(shí)具有更高的抗拉強(qiáng)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(jì)，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(jià)格比更具優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：TRIP鋼；建筑鋼；抗震性；耐腐蝕性 

隨著我國經(jīng)濟(jì)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(duì)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(jī)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(qiáng)比是十分重要的，但是，隨著鋼的高強(qiáng)化屈強(qiáng)比有上升的趨勢(shì)[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(jìn)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(yàn)材料和檢驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)鋼采用工業(yè)純鐵、硅鐵合金、錳合金和磷鐵合金在型號(hào)為ZGJW0.05-100-2.5的50kg真空感應(yīng)爐進(jìn)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(duì)比分析，取市場上已用的建筑用鋼進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析。1號(hào)為TRIP鋼，2號(hào)為建筑專用鋼。

表1 試驗(yàn)用鋼板的化學(xué)成分 （Wt/%）

1.2 檢驗(yàn)方法

試驗(yàn)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(yàn)機(jī)上進(jìn)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?jiān)嚇愉摪迳锨腥　＝鹣嘟M織觀察在日本奧林巴斯PME3-323UN光學(xué)顯微鏡上進(jìn)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(jìn)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(shí)間為2~3s。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1性 能

2.1.1拉伸性能

針對(duì)兩種試驗(yàn)鋼進(jìn)行拉伸性能測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2  試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能

2.1.2 沖擊性能

針對(duì)兩種試驗(yàn)鋼進(jìn)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(gè)溫度測試6個(gè)試樣，然后選其平均值，結(jié)果如表3所示。

表3  試驗(yàn)鋼的沖擊性能

從沖擊功的結(jié)果看，TRIP試驗(yàn)鋼沖擊韌性

非常優(yōu)良，而且溫度變化對(duì)沖擊韌性影響很小，波動(dòng)范圍很窄。

2.1.3 焊接性能評(píng)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(jì)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(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4  試驗(yàn)鋼的焊接性能評(píng)估

表4數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，兩種試驗(yàn)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(duì)2種試驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)增添一些合金元素?zé)挸傻?，其?qiáng)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(duì)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(hù)層[4]。然而，鎳價(jià)格昂貴，勢(shì)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(jì)上，含碳量較低，保證了試驗(yàn)鋼具有TRIP效應(yīng)的同時(shí)，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(jià)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(jìn)形成致密的非晶態(tài)氧化鐵，起到保護(hù)鋼基體的作用，從而增加耐腐蝕性。同時(shí)，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(qiáng)化來提高鐵素體基體的強(qiáng)度。

3.2 抗震性分析

作為抗地震用的建筑結(jié)構(gòu)鋼，對(duì)其性能要求如下[5]：(1)足夠的強(qiáng)度和較小的屈強(qiáng)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(qiáng)度明顯高于所選用的建筑用鋼，屈強(qiáng)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(duì)其抗震性更是要求強(qiáng)韌度、塑性達(dá)到最佳配合。在嚴(yán)酷的變形負(fù)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(qiáng)比[2]。屈強(qiáng)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(qiáng)比過高，則會(huì)導(dǎo)致由于局部大變形而造成的載荷失穩(wěn)，從這個(gè)角度出發(fā)，對(duì)于建筑用鋼來說，低屈強(qiáng)比是建筑用鋼設(shè)計(jì)的首要條件。

TRIP鋼在具有高強(qiáng)度的同時(shí)，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(shí)，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(qiáng)度和塑性。TRIP鋼在拉伸變形時(shí)，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(qiáng)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(shí)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(kuò)展，因此宏觀效應(yīng)表現(xiàn)為延伸率的提高[6]。文獻(xiàn)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(qiáng)塑積不會(huì)達(dá)到TRIP鋼的強(qiáng)塑積。也就表明，采用本文中涉及的TRIP鋼，其強(qiáng)度高，塑性好，屈強(qiáng)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(shí)，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(yàn)的沖擊功（Akv）降到一定值時(shí)所對(duì)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(shí)，建筑用鋼發(fā)生低溫低應(yīng)力脆斷的危險(xiǎn)不容忽視。由表3可以看出，在-40℃時(shí)，TRIP鋼仍具有良好的沖擊韌性，滿足建筑用鋼韌性要求。

對(duì)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(píng)估試驗(yàn)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(duì)更加優(yōu)良。

4 結(jié)論

1）對(duì)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(qiáng)度和更低的屈強(qiáng)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(xiàn)

[1] 植田圭治.彌散型硬質(zhì)第二相780MPa級(jí)低屈強(qiáng)比建筑用鋼板[J].鞍鋼技術(shù)，2008（4）：49-53.

[2] 康健，周曉光，王國棟.高強(qiáng)度低屈強(qiáng)比建筑用鋼板的研究開發(fā)[J].軋鋼. 2009，26（3）：31-35.

[3] 但澤義.建筑結(jié)構(gòu)鋼材的選用[J].鋼鐵技術(shù)，2004（6）：23-26.

[4] 楊洪敏.建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐及防火涂裝質(zhì)量問題的預(yù)防[J].江蘇建材，2010（1）：17-20.

[5] 侯中宇，劉喜明，陳榮敏，等.抗地震用建筑結(jié)構(gòu)鋼的顯微組織及成分設(shè)計(jì)[J].金屬熱處理，2003，28（4）：21-24.

[6] 景財(cái)年. CMnAl-TRIP鋼組織性能的研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.

[7] 李平和，劉繼雄，陳曉.高性能耐火耐侯建筑結(jié)構(gòu)用鋼的顯微組織研究[J].鋼鐵，2005，40（6）：72-75.

[8] 龔士弘，盛光敏.地震區(qū)建筑用鋼的韌性對(duì)建筑物抗震性能的影響[J].工程抗震，2004（3）：41-47.