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随着大型钢结构桥梁向全焊接结构和高参数方向发展,对桥梁结构的安全可靠性要求越来越严格。这不仅对设计者提出了更高的要求,而且对钢板质量提出了更高的水准,即不仅具有高强度以满足结构轻量化要求,而且还应具有优良的低温韧性、焊接性和耐蚀性等,以满足钢结构的安全可靠、长寿等要求。
传统的高强度桥梁钢不仅冲击韧性、焊接性、疲劳性较差,而且不能耐大气、海水腐蚀。因此,国内外材料工作者提出了高性能钢(HighPerformanceSteel,HPS)的概念。高性能钢材主要是指材料的某项或几项性能较传统钢材得到改善的钢材,除了具备较高强度外,钢材的焊接性能、低温韧性,尤其是耐腐蚀性能有较大幅度提高。
近年来,应用在桥梁上的高性能钢已成为国际钢铁材料研究的热点,如美国ASTM709中的HPS-70W钢、HPS-100W钢和日本的SMA570W系列钢等。耐候桥梁用钢作为高性能桥梁钢的一个发展方向,在国外得到了较为广泛的发展。
对钢材耐候性的研究,在上世纪初到60年代,人们注重不同合金元素对钢材耐大气腐蚀能力的作用,从而出现了以Corten钢为代表的耐大气腐蚀系列用钢;60年代以后开始注重环境因素对耐候钢表面腐蚀产物的影响,并阐明了耐候钢抗大气腐蚀机理。从90年代至今,很多研究者将目光转向低成本、高强度、耐蚀性能更高的新型高性能耐候钢开发,并且取得了一定成果。
在美国早期应用最普遍的耐候钢主要为高P、Cu加Cr、Ni的CortenA系列和以Cr、Mn、Cu合金化为主的CortenB系列。1974年,ASTMA709中出现了70W和100W等高强度耐候桥梁钢,但是这些钢中碳含量较高(≥0.12%),对焊接工艺要求也高。为了改善焊接性能,在1997年ASTMA709中出现了HPS70W钢,近期HPS100W钢也将纳入标准,这些钢中的碳含量较70W和100W有了一定程度的降低,焊接性能也有所改善。1950年,耐候钢被引进到日本,并在日本得到发展和应用,1968年日本将低磷系焊接用钢作为"JISG3114焊接结构用耐候性热轧钢材",1971年将高磷系焊接用钢作为"JISG3125高耐候性轧制钢材"实现了JIS标准化,其中含抗拉强度为569MPa级的高强度钢。
对高强度耐候桥梁钢,一般有3种研制路线,第一种,是传统的调质生产工艺路线,如美国桥梁用结构钢标准(ASTMA709/A709M-95)中的70W(碳含量≥0.12%),它对焊接工艺要求较高,需要焊前预热,因此生产周期较长,成本较高。
第二种,就是低碳TMCP工艺路线,钢中碳含量一般在0.07%~0.11%.这种钢虽然不用进行调质处理,但由于碳含量仍然相对较高,在应用中还存在一些问题。如钢板愈厚其焊接敏感性系数愈高,在焊接时需要预热;在采用大线能量焊接时,还存在韧性降低的问题。
第三种是超低碳贝氏体钢路线。超低碳贝氏体钢的碳含量严格控制在很低的范围(小于0.05%),在具有高强度高韧性的同时,具有极佳的焊接性,所得到的贝氏体组织均匀性较好,微区间电极电位差较小,增强了耐蚀能力。由于它不用调质处理,降低了生产成本,缩短了生产周期,是当前高强耐候桥梁钢的发展趋势。
高强度耐候钢的性能随着新钢种的不断推出而提高,在化学成分上,碳含量不断下降,这就导致了碳当量和焊接冷裂纹敏感性系数的降低,焊接性能逐步得到改善;生产工艺由淬火 回火向TMCP发展,降低了生产成本,缩短了生产周期;组织由马氏体向贝氏体、针状铁素体发展,这种贝氏体或针状铁素体组织对提高钢的强韧性、焊接性、耐候性及加工制作性能都是有好处的。
现在耐候钢在国外已逐步完善。在设计上,对锈蚀层的折减计算,疲劳,构造细节加以规定;在钢种上,对耐候钢、耐候焊接材料、耐候高强度螺栓、耐候支座加以严格要求;在特性上,对稳定的锈蚀、腐蚀因素、硬度试验加以周密的分析;在制造、运输、架设上,对耐候钢表面的处理、清扫、保护、补修等加以严格把关;在经济上,对耐候钢的使用作追踪调查,详细进行经济比较。从发展趋势来看,国外已将耐候钢逐渐当作一种普通钢种来广泛使用。 【作者】:翟文
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