高強(qiáng)鋼對(duì)于近10年冶金工業(yè)發(fā)展意義重大，目前能夠滿(mǎn)足強(qiáng)度、塑性、韌性、成形性和焊接性的要求，使低成本鋼材年產(chǎn)量占世界結(jié)構(gòu)鋼的10％左右。
回顧高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展歷程。20世紀(jì)初期，結(jié)構(gòu)工程師們使用的單一品種鋼，這種鋼被稱(chēng)為“低碳鋼”，意思是“低碳、柔軟、易加工”，低碳鋼沒(méi)有特意使用除碳以外的合金元素進(jìn)行強(qiáng)化，鋼中的Mn用于脫氧，還含有穩(wěn)定的硫化物，一般認(rèn)為低碳鋼化學(xué)成分范圍：0.1%～0.25%C，0.4%～0.7%Mn，0.1%～0.5%Si，其余為S、P和其它元素。低碳鋼的屈服強(qiáng)度約為250MPa.在1940年以前，對(duì)結(jié)構(gòu)鋼的主要要求是增加抗拉強(qiáng)度。為獲得較高強(qiáng)度，C含量增加到0.3％，Mn含量達(dá)到1.5％左右，這種鋼的應(yīng)用范圍不廣，適應(yīng)不了現(xiàn)代高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的要求。它具有如下缺點(diǎn)：
（a）厚度達(dá)到30mm的鋼材，屈服強(qiáng)度太低，只能達(dá)到360MPa；
（b）厚度增加時(shí)屈服強(qiáng)度下降的幅度很大；
（c）高的C、Mn含量使鋼的焊接性能變差；
（d）斷裂韌性比低強(qiáng)度鋼低。
與其它材料，尤其是鋼筋混凝土的競(jìng)爭(zhēng)，促進(jìn)了結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展。為保證市場(chǎng)份額，開(kāi)發(fā)了很多簡(jiǎn)便的生產(chǎn)和精煉技術(shù)，這使得對(duì)鋼的焊接性和缺口沖擊韌性越來(lái)越高。對(duì)1942～1949年期間發(fā)生在橋梁和船舶，尤其是“自由輪”的金屬斷裂行為進(jìn)行的調(diào)查和研究，奠定了金屬斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)。
主要通過(guò)以下工藝提高鋼的性能：限制C含量；提高潔凈度，包括降低S、P含量；Al脫氧，微合金化，?；堉坪秃髞?lái)的控制軋制。上述工藝細(xì)化了鋼的組織，提高了鋼的強(qiáng)度和韌性。
1960年以后，修訂的標(biāo)準(zhǔn)中介紹了一些新的鋼號(hào)：法國(guó)的DIN17102標(biāo)準(zhǔn)、英國(guó)的BS4360標(biāo)準(zhǔn)、法國(guó)的NFA35－504標(biāo)準(zhǔn)。這些國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)成為后來(lái)歐洲統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)———細(xì)晶粒鋼EN10113的基礎(chǔ)。已有研究工作制訂了鋼抗脆性斷裂的判定原則。這些工作將通常的缺口沖擊試驗(yàn)結(jié)果和KIc值用于斷裂機(jī)制。
在下列條件下，需要材料具有更高的韌性：疲勞載荷下的工程結(jié)構(gòu)；低的服役溫度；高屈服強(qiáng)度；厚斷面鋼材。新的歐洲建筑設(shè)計(jì)規(guī)范包括了最小沖擊功為27J時(shí)的溫度，并依此選擇相應(yīng)鋼號(hào)等內(nèi)容。
北極地區(qū)的海洋工業(yè)發(fā)展極大地促進(jìn)了結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展，該地區(qū)需要在嚴(yán)酷的低溫條件下裝配工程結(jié)構(gòu)。由于海洋結(jié)構(gòu)承載能力有限，且隨著深海石油和油氣田的開(kāi)發(fā)，對(duì)海洋結(jié)構(gòu)而言，減輕重量成為當(dāng)務(wù)之急，高強(qiáng)鋼成為焦點(diǎn)。對(duì)這些苛刻環(huán)境下使用的鋼材，制訂了專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)，如EN10225或API2MT2.表1概括了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)鋼鋼種的特點(diǎn)。
1.生產(chǎn)工藝
長(zhǎng)條材既可用氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉，也可用電弧爐冶煉，并更多地采用連鑄工藝生產(chǎn)。連鑄成小方坯、大鋼坯和扁錠，作為半成品，最近也連鑄成工字鋼形狀。根據(jù)1964年的試驗(yàn)，1968年開(kāi)始了工字鋼的近終形鑄造。該技術(shù)后來(lái)被日本的川崎、日本鋼鐵和日本鋼管、美國(guó)的紐科Yamato、Chaparrol和西北鋼鐵公司、歐洲的ProfilARBED等公司采用。
歐洲PrefilARBED集團(tuán)公司熱軋產(chǎn)品的不同類(lèi)型的半成品。工字梁的寬度達(dá)1118mm，或者厚度達(dá)到125mm.熱軋工字鋼占結(jié)構(gòu)鋼的比例很大。因此下面的討論雖集中于工字鋼，但其主要原理同樣適用于等效厚度的其它鋼材。
ProfilARBED公司生產(chǎn)大工字鋼的鋼水由電弧爐冶煉，連鑄成工字鋼。連鑄后，初軋前，工字鋼在步進(jìn)爐中重新加熱，由兩臺(tái)可逆萬(wàn)能軋機(jī)軋制并由萬(wàn)能軋機(jī)終軋。軋機(jī)孔型不同，軋制產(chǎn)品的斷面不同。
1.1大工字鋼的傳統(tǒng)軋制工藝
半成品被加熱到1250℃左右，經(jīng)15～20道次軋制。而對(duì)鑄錠，需加熱到1300℃，可能需經(jīng)40道次軋制，工字鋼的道次壓下率為4%～20%，終軋溫度高于1000℃，工字梁上的溫度分布不均勻：根部和腰部連接處溫度，腰部的中間溫度最低，溫度的差異與工字鋼的尺寸有關(guān)，溫差可達(dá)100℃。按該工藝軋制，按ASTM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)級(jí)，厚度為40mm的工字鋼晶粒度為7級(jí)。
為細(xì)化鋼的組織，可采用Ti－Nb微合金化，使再加熱時(shí)奧氏體晶粒相當(dāng)細(xì)?。ㄟ_(dá)50μm，而不是200～300μm），再結(jié)晶組織也相當(dāng)細(xì)小。實(shí)驗(yàn)室模擬結(jié)果顯示，每道次壓下率達(dá)15%即可獲得所需要的組織，力學(xué)性能達(dá)到50Ksi（抗拉強(qiáng)度≥50Ksi，相當(dāng)于S355）。表2是50Ksi工字鋼的化學(xué)成分。
該成分設(shè)計(jì)已成功用于工業(yè)生產(chǎn)。熱軋過(guò)程中溫度高，意味著鋼中的Nb仍保持固溶狀態(tài)，即使在終軋溫度時(shí)，也沒(méi)有Nb的碳化物析出。Nb在鋼中以固溶狀態(tài)存在時(shí)，通過(guò)延遲相變，細(xì)化鐵素體晶粒，獲得一定數(shù)量的貝氏體，從而提高鋼的強(qiáng)度。該鋼的典型組織是約80％的鐵素體，其余為貝氏體和珠光體。在相同軋制工藝條件下，按ASTM標(biāo)準(zhǔn)判斷，C－Mn鋼的晶粒度為7級(jí)，而含Nb鋼的晶粒度為9級(jí)。相變過(guò)程中或相變之后，若在鐵素體中形成NbC析出物，則鋼的強(qiáng)度可進(jìn)一步提高。通過(guò)傳統(tǒng)軋制工藝只能有限地細(xì)化晶粒，對(duì)于強(qiáng)度高于50Ksi或厚度大于20mm的鋼，為滿(mǎn)足韌性要求，必須采用控制軋制工藝。
回顧高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展歷程。20世紀(jì)初期，結(jié)構(gòu)工程師們使用的單一品種鋼，這種鋼被稱(chēng)為“低碳鋼”，意思是“低碳、柔軟、易加工”，低碳鋼沒(méi)有特意使用除碳以外的合金元素進(jìn)行強(qiáng)化，鋼中的Mn用于脫氧，還含有穩(wěn)定的硫化物，一般認(rèn)為低碳鋼化學(xué)成分范圍：0.1%～0.25%C，0.4%～0.7%Mn，0.1%～0.5%Si，其余為S、P和其它元素。低碳鋼的屈服強(qiáng)度約為250MPa.在1940年以前，對(duì)結(jié)構(gòu)鋼的主要要求是增加抗拉強(qiáng)度。為獲得較高強(qiáng)度，C含量增加到0.3％，Mn含量達(dá)到1.5％左右，這種鋼的應(yīng)用范圍不廣，適應(yīng)不了現(xiàn)代高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的要求。它具有如下缺點(diǎn)：
（a）厚度達(dá)到30mm的鋼材，屈服強(qiáng)度太低，只能達(dá)到360MPa；
（b）厚度增加時(shí)屈服強(qiáng)度下降的幅度很大；
（c）高的C、Mn含量使鋼的焊接性能變差；
（d）斷裂韌性比低強(qiáng)度鋼低。
與其它材料，尤其是鋼筋混凝土的競(jìng)爭(zhēng)，促進(jìn)了結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展。為保證市場(chǎng)份額，開(kāi)發(fā)了很多簡(jiǎn)便的生產(chǎn)和精煉技術(shù)，這使得對(duì)鋼的焊接性和缺口沖擊韌性越來(lái)越高。對(duì)1942～1949年期間發(fā)生在橋梁和船舶，尤其是“自由輪”的金屬斷裂行為進(jìn)行的調(diào)查和研究，奠定了金屬斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)。
主要通過(guò)以下工藝提高鋼的性能：限制C含量；提高潔凈度，包括降低S、P含量；Al脫氧，微合金化，?；堉坪秃髞?lái)的控制軋制。上述工藝細(xì)化了鋼的組織，提高了鋼的強(qiáng)度和韌性。
1960年以后，修訂的標(biāo)準(zhǔn)中介紹了一些新的鋼號(hào)：法國(guó)的DIN17102標(biāo)準(zhǔn)、英國(guó)的BS4360標(biāo)準(zhǔn)、法國(guó)的NFA35－504標(biāo)準(zhǔn)。這些國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)成為后來(lái)歐洲統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)———細(xì)晶粒鋼EN10113的基礎(chǔ)。已有研究工作制訂了鋼抗脆性斷裂的判定原則。這些工作將通常的缺口沖擊試驗(yàn)結(jié)果和KIc值用于斷裂機(jī)制。
在下列條件下，需要材料具有更高的韌性：疲勞載荷下的工程結(jié)構(gòu)；低的服役溫度；高屈服強(qiáng)度；厚斷面鋼材。新的歐洲建筑設(shè)計(jì)規(guī)范包括了最小沖擊功為27J時(shí)的溫度，并依此選擇相應(yīng)鋼號(hào)等內(nèi)容。
北極地區(qū)的海洋工業(yè)發(fā)展極大地促進(jìn)了結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展，該地區(qū)需要在嚴(yán)酷的低溫條件下裝配工程結(jié)構(gòu)。由于海洋結(jié)構(gòu)承載能力有限，且隨著深海石油和油氣田的開(kāi)發(fā)，對(duì)海洋結(jié)構(gòu)而言，減輕重量成為當(dāng)務(wù)之急，高強(qiáng)鋼成為焦點(diǎn)。對(duì)這些苛刻環(huán)境下使用的鋼材，制訂了專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)，如EN10225或API2MT2.表1概括了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)鋼鋼種的特點(diǎn)。
1.生產(chǎn)工藝
長(zhǎng)條材既可用氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉，也可用電弧爐冶煉，并更多地采用連鑄工藝生產(chǎn)。連鑄成小方坯、大鋼坯和扁錠，作為半成品，最近也連鑄成工字鋼形狀。根據(jù)1964年的試驗(yàn)，1968年開(kāi)始了工字鋼的近終形鑄造。該技術(shù)后來(lái)被日本的川崎、日本鋼鐵和日本鋼管、美國(guó)的紐科Yamato、Chaparrol和西北鋼鐵公司、歐洲的ProfilARBED等公司采用。
歐洲PrefilARBED集團(tuán)公司熱軋產(chǎn)品的不同類(lèi)型的半成品。工字梁的寬度達(dá)1118mm，或者厚度達(dá)到125mm.熱軋工字鋼占結(jié)構(gòu)鋼的比例很大。因此下面的討論雖集中于工字鋼，但其主要原理同樣適用于等效厚度的其它鋼材。
ProfilARBED公司生產(chǎn)大工字鋼的鋼水由電弧爐冶煉，連鑄成工字鋼。連鑄后，初軋前，工字鋼在步進(jìn)爐中重新加熱，由兩臺(tái)可逆萬(wàn)能軋機(jī)軋制并由萬(wàn)能軋機(jī)終軋。軋機(jī)孔型不同，軋制產(chǎn)品的斷面不同。
1.1大工字鋼的傳統(tǒng)軋制工藝
半成品被加熱到1250℃左右，經(jīng)15～20道次軋制。而對(duì)鑄錠，需加熱到1300℃，可能需經(jīng)40道次軋制，工字鋼的道次壓下率為4%～20%，終軋溫度高于1000℃，工字梁上的溫度分布不均勻：根部和腰部連接處溫度，腰部的中間溫度最低，溫度的差異與工字鋼的尺寸有關(guān)，溫差可達(dá)100℃。按該工藝軋制，按ASTM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)級(jí)，厚度為40mm的工字鋼晶粒度為7級(jí)。
為細(xì)化鋼的組織，可采用Ti－Nb微合金化，使再加熱時(shí)奧氏體晶粒相當(dāng)細(xì)?。ㄟ_(dá)50μm，而不是200～300μm），再結(jié)晶組織也相當(dāng)細(xì)小。實(shí)驗(yàn)室模擬結(jié)果顯示，每道次壓下率達(dá)15%即可獲得所需要的組織，力學(xué)性能達(dá)到50Ksi（抗拉強(qiáng)度≥50Ksi，相當(dāng)于S355）。表2是50Ksi工字鋼的化學(xué)成分。
該成分設(shè)計(jì)已成功用于工業(yè)生產(chǎn)。熱軋過(guò)程中溫度高，意味著鋼中的Nb仍保持固溶狀態(tài)，即使在終軋溫度時(shí)，也沒(méi)有Nb的碳化物析出。Nb在鋼中以固溶狀態(tài)存在時(shí)，通過(guò)延遲相變，細(xì)化鐵素體晶粒，獲得一定數(shù)量的貝氏體，從而提高鋼的強(qiáng)度。該鋼的典型組織是約80％的鐵素體，其余為貝氏體和珠光體。在相同軋制工藝條件下，按ASTM標(biāo)準(zhǔn)判斷，C－Mn鋼的晶粒度為7級(jí)，而含Nb鋼的晶粒度為9級(jí)。相變過(guò)程中或相變之后，若在鐵素體中形成NbC析出物，則鋼的強(qiáng)度可進(jìn)一步提高。通過(guò)傳統(tǒng)軋制工藝只能有限地細(xì)化晶粒，對(duì)于強(qiáng)度高于50Ksi或厚度大于20mm的鋼，為滿(mǎn)足韌性要求，必須采用控制軋制工藝。