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：對比用于汽車領域的TRIP鋼和建筑專用鋼，結果表明，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，通過特殊成分設計，TRIP鋼可以作為建筑領域用鋼，滿足抗震性能和耐腐蝕性能要求，并且性能價格比更具優勢。
關鍵詞：TRIP鋼；建筑鋼；抗震性；耐腐蝕性
隨著我國經濟的發展和建筑業的空前繁榮，建筑用鋼材需求量大增，對鋼材的質量要求也是越來越高。在現代建筑中，鋼材的應用范圍也越來越廣，如鋼結構場館、鋼結構樓梯、鋼結構場棚、鋼構廣告設施、鋼結構汽車展廳、地鐵、輕軌工程，城市立交橋、高架橋、環保工程、機場設施等。為了滿足國家建設的迅猛發展，迫切需要研究開發高性能
建筑用鋼。建筑用鋼應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，為國內進一步開展高性能建筑用鋼的研究工作和推廣應用提供參考。
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真空感應爐進行冶煉，澆注后，軋制成10.0mm厚的熱軋鋼板，其化學成分如表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 試驗用鋼板的化學成分 （Wt/%）
1.2 檢驗方法
試驗鋼板的力學性能測試在意大利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標準執行。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光學顯微鏡上進行，依據標準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，依據標準為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，測試結果如表2所示。
表2 試驗鋼的力學性能
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，結果如表3所示。
表3 試驗鋼的沖擊性能
從沖擊功的結果看，TRIP試驗鋼沖擊韌性
非常優良，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，通常用碳當量（Ceq）和焊接裂紋敏感指數（Pcm）來衡量。碳當量和焊接裂紋敏感指數計算公式如下[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)
根據以上公式（1）和（2），計算結果如表4所示。
表4 試驗鋼的焊接性能評估
表4數據分析結果顯示，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成分息息相關，低合金高強度結構鋼是建筑結構用鋼的主要鋼材，低合金結構鋼是在冶煉碳素結構鋼時增添一些合金元素煉成的，其強度、沖擊韌性提高，而塑性又不太降低。低合金結構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，在成分設計上，含碳量較低，保證了試驗鋼具有TRIP效應的同時，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構鋼，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生的應力集中，使建筑構件吸收較多的地震能。反之，若屈強比過高，則會導致由于局部大變形而造成的載荷失穩，從這個角度出發，對于建筑用鋼來說，低屈強比是建筑用鋼設計的首要條件。
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量與穩定性，TRIP鋼組織中分布均勻的殘余奧氏體具備應變誘導馬氏體相變以及相變誘導塑性的特征，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馬氏體相變，使局部強度提高，導致應力向未發生馬氏體相變的其它部位轉移，推遲了縮頸的發生。同時局部應力集中因馬氏體相變而松弛，降低了裂紋產生，殘余奧氏體與外加應力呈共格關系，高能界面不利于裂紋的擴展，因此宏觀效應表現為延伸率的提高[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）型轉變為針狀鐵素體型（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。
建筑用鋼應具備良好的韌性以降低外加變形引起的內應力。鋼的韌性是隨溫度變化的，環境溫度下降時，韌性隨之降低，當降到一定溫度以下，鋼由韌性變為脆性[8]。通常取沖擊試驗的沖擊功（Akv）降到一定值時所對應的溫度作為韌脆轉變溫度。一般韌脆轉變溫度較低的鋼，常溫下沖擊值也較高；而常溫下沖擊功較高的鋼，其韌脆轉變溫度不一定低。我國北方地區最低氣溫可低到-40℃，發生地震時，建筑用鋼發生低溫低應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，通過常用的碳當量和焊接裂紋敏感指數2種指標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相當，而從碳當量來看，顯示出TRIP鋼的碳當量更低，并且低于結構鋼的上限碳當量0.44%，這也就表明TRIP鋼的焊接性能相對更加優良。
4 結論
1）對比常用于汽車領域的TRIP鋼和建筑用的低合金結構鋼，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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