鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要：通過化學成分設計和組織結構分析，開發了屈服強度、抗拉強度和延伸率分別為470MPa、560MPa和23%的熱鍍鋅高強結構鋼，試驗鋼的強度主要通過間隙強化、固溶強化、析出強化、細晶強化和組織強化來實現；鍍層較低的鐵含量及較少的Fe-Zn脆性相保證了試驗鋼獲得良好的鍍層附著力。
關鍵詞：高強鋼，熱鍍鋅，附著力
鋼鐵行業可持續發展面臨的嚴峻問題包括節能、節水、環保、減排等諸方面。要減少能源、水力、煤礦、鐵礦等資源消耗，減少粉塵和二氧化碳等污染和氣體排放，從根本意義上講，就是要提高鋼材的利用率，其中最有效的方法之一就是中大規模地推廣應用高強鋼，包括熱鍍鋅高強鋼，不僅可以減少材料的使用量，而且可以減少材料的腐蝕，延長材料的使用期限，以此減輕鋼鐵生產給環境帶來的壓力。因此，加大高強鋼的開發力度，可為高強鋼的推廣應用提供有效的支撐。本文介紹了熱鍍鋅高強結構鋼的組織和性能分析。
1.試驗條件
試驗鋼在工業轉爐上進行冶煉，采用吹氬處理，然后進行熱連軋和層流冷卻，鍍鋅前對鋼板進行堿洗除油、酸洗除銹處理；冶煉鋼坯、熱軋鋼帶和鋼板成品厚度分別為210mm、40mm和8mm。
試驗鋼采用金相顯微鏡和電子探針進行組織結構和顯微成分分析，采用拉伸試驗機和冷彎試驗機進行力學性能分析。
試驗鋼冶煉的主要化學成分如表1所示。從表中數據可知，試驗鋼的碳含量控制在0.10%以下，主要是綜合考慮了焊接性能和力學性能，因為如果碳含量太高，則材料的焊接性能變差；如果碳含量太低，則材料的抗拉強度偏低。同時，試驗鋼的錳含量控制在1.20%以上，也是兼顧了材料的焊接性能和力學性能。另外，試驗鋼的鈮含量控制在0.03%
以上，主要是為了增加材料的強度。試驗鋼的硅、磷、硫等均為雜質元素，其含量越低越好。
表1 試驗鋼的化學成分(%)
從以上化學成分特點可知，試驗鋼的強度主要是通過碳原子的間隙強化、錳原子的固溶強化、鈮原子的析出強化以及這三種元素的細晶強化來實現，其中，析出強化和細晶強化，在增加材料強度的同時，對材料的塑性損害較小；而鋼中主要采用錳和少量的鈮為強化元素，相應的生產成本不高；另外，鋼中硅、鋁等元素含量較低，有利于改善高強鋼的鍍層附著力。
2.試驗結果
試驗鋼的力學性能如表2所示。從表中數據可知， 試驗鋼的屈服強度、抗拉強度和延伸率分別為470MPa、560MPa和23%，相應的180°鍍層冷彎試驗也達到設計標準。
表2 試驗鋼的力學性能
試驗鋼的金相組織如圖1所示。從圖中組織結構觀察可知，試驗鋼的金相組織由先共析鐵素體+貝茵鐵素體組成，鐵素體平均晶粒尺寸在5μm左右，這種晶粒組織具有顯著的細晶強化作用，這一點與前面分析的碳、錳、鈮元素的細晶強化效果一致。
同時，試驗鋼的鐵素體晶粒具有非等軸的特征，屬于貝茵鐵素體，這種鐵素體在奧氏體緩冷過程中、通過剪切與擴散兩種方式形成，其形成溫度明顯低于鐵素體+珠光體中的多邊鐵素體，相應的位錯密度較高，對試驗鋼具有明顯的強化作用。所以說，試驗鋼還具有明顯的位錯強化。
圖2（a）和（b）分別顯示了試驗鋼的鍍層低倍形貌和相應的化學成分分布。從圖2（b）鐵含量分布曲線可知，試驗鋼鍍層的鐵含量較低，僅在鍍層與鋼基的過渡區有少量的鐵含量，說明鍍層中Fe-Zn脆性相含量較少，僅在鍍層與鋼基的過渡區有少量的Fe-Zn脆性相。這一結果與180冷彎鍍層附著力試驗結果一致，即鍍層在冷彎試驗后仍保持完好，沒有發現開裂現象。
圖2 試驗鋼的宏觀鍍層形貌和鍍層顯微化學成分分析結果
a 鍍層宏觀形貌，b 鍍層鐵含量分布曲線
3.主要結論
1）通過化學成分設計和組織結構分析，開發了屈服強度、抗拉強度和延伸率分別為470MPa、560MPa和23%的熱鍍鋅高強鋼，相應的180°鍍層冷彎試驗也達到設計標準。
2）化學成分和組織結構分析表明，試驗鋼的強度主要是通過碳原子的間隙強化、錳原子的固溶強化、鈮原子的析出強化以及這三種元素的細晶強化來實現，非等軸的貝茵鐵素體組織對試驗鋼也有良好的強化作用。
3）鍍層顯微成分分析顯示，試驗鋼鍍層的鐵含量較低，僅在鍍層與鋼基的過渡區有少量的鐵含量，說明鍍層中Fe-Zn脆性相含量較少，僅在鍍層與鋼基的過渡區有少量的Fe-Zn脆性相，鍍層和過渡層中較少的Fe-Zn脆性相保證了試驗鋼獲得良好的鍍層附著力。
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