摘  要：对比用于汽车领域的TRIP钢和建筑专用钢，结果表明，添加P和Cu元素的热轧TRIP钢组织为铁素体+马氏体岛，屈强比更低（0.63），更有利于抗震性能的提高，同时具有更高的抗拉强度（675MPa），其塑韧性和焊接性也满足建筑用钢要求。因TRIP钢中添加了具有耐腐蚀的P和Cu元素，使TRIP钢具有良好的耐腐蚀性。说明在其它条件相同的情况下，通过特殊成分设计，TRIP钢可以作为建筑领域用钢，满足抗震性能和耐腐蚀性能要求，并且性能价格比更具优势。

关键词：TRIP钢；建筑钢；抗震性；耐腐蚀性 

随着我国经济的发展和建筑业的空前繁荣，建筑用钢材需求量大增，对钢材的质量要求也是越来越高。在现代建筑中，钢材的应用范围也越来越广，如钢结构场馆、钢结构楼梯、钢结构场棚、钢构广告设施、钢结构汽车展厅、地铁、轻轨工程，城市立交桥、高架桥、环保工程、机场设施等。为了满足国家建设的迅猛发展，迫切需要研究开发高性能

建筑用钢。建筑用钢应具有良好的抗震性能，因此，降低屈强比是十分重要的，但是，随着钢的高强化屈强比有上升的趋势[1]。本文通过分析一种新型TRIP钢的抗震耐腐蚀性能，为国内进一步开展高性能建筑用钢的研究工作和推广应用提供参考。

1 试验材料和检验方法

1.1 试验材料

试验钢采用工业纯铁、硅铁合金、锰合金和磷铁合金在型号为ZGJW0.05-100-2.5的50kg真空感应炉进行冶炼，浇注后，轧制成10.0mm厚的热轧钢板，其化学成分如表1所示。

为了便于对比分析，取市场上已用的建筑用钢进行了相关的实验分析。1号为TRIP钢，2号为建筑专用钢。

表1 试验用钢板的化学成分 （Wt/%）

1.2 检验方法

试验钢板的力学性能测试在意大利CESARE GALDABINI公司GALDABINI SUN10材料万能试验机上进行，试样加工和测试条件均GB/T228-2002标准执行。金相、衍射样品直接在热轧试样钢板上切取。金相组织观察在日本奥林巴斯PME3-323UN光学显微镜上进行，依据标准GB/T10561-2005和GB/T6394-2002。X-射线衍射分析D/max-2500PC衍射分析仪上进行，依据标准为GB/T17359-1998。X-射线衍射分析的是试样表面，金相为平行轧向的样品截面，并且试样均是经切割、镶嵌、磨制、抛光和5%的硝酸酒精溶液腐蚀而成，硝酸酒精溶液腐蚀时间为2~3s。

2 试验结果

2.1性 能

2.1.1拉伸性能

针对两种试验钢进行拉伸性能测试，测试结果如表2所示。

表2  试验钢的力学性能

2.1.2 冲击性能

针对两种试验钢进行冲击性能测试，试样采用缺口深度为2mm并且厚度为10mm的试样，且每个温度测试6个试样，然后选其平均值，结果如表3所示。

表3  试验钢的冲击性能

从冲击功的结果看，TRIP试验钢冲击韧性

非常优良，而且温度变化对冲击韧性影响很小，波动范围很窄。

2.1.3 焊接性能评估

建筑用钢离不开焊接工序，因此要求建筑用钢具有良好的焊接性能，通常用碳当量（Ceq）和焊接裂纹敏感指数（Pcm）来衡量。碳当量和焊接裂纹敏感指数计算公式如下[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)

根据以上公式（1）和（2），计算结果如表4所示。

表4  试验钢的焊接性能评估

表4数据分析结果显示，两种试验钢的焊接性能均满足要求，但TRIP钢的焊接性能更优异。

2.2显微组织

针对2种试验钢试样金相观察分析，TRIP钢金相观察照片如图1(a)，建筑钢金相观察照片如图1(b)。TRIP钢的组织为F+M+A'，建筑钢的组织为F+P。

图1  试样的金相组织: (a) TRIP钢；(b) 建筑钢(含P高强钢抗震耐腐蚀性能分析)

3 分析讨论

3.1 耐腐蚀性分析

建筑用钢的耐腐蚀性与化学成分息息相关，低合金高强度结构钢是建筑结构用钢的主要钢材，低合金结构钢是在冶炼碳素结构钢时增添一些合金元素炼成的，其强度、冲击韧性提高，而塑性又不太降低。低合金结构钢由于增加了合金元素，碳的含量与低碳钢相近，因而对焊接有更高要求[3]。在钢材冶炼过程中增加磷、铬和镍等合金元素，使金属表面形成保护层[4]。然而，镍价格昂贵，势必增加原料成本。

本文中涉及的一种新型TRIP钢，在成分设计上，含碳量较低，保证了试验钢具有TRIP效应的同时，也有利于焊接性能的提高。合金元素含量少，避免了采用战略合金元素和贵重合金元素，使钢材具有高的性能价格比。P是有效的提高耐大气腐蚀性能的合金元素，在TRIP钢中，P和Cu元素配合，富集在钢基体附近锈层中，促进形成致密的非晶态氧化铁，起到保护钢基体的作用，从而增加耐腐蚀性。同时，P也是铁素体稳定元素，抑制渗碳体的形成，使奥氏体中的碳含量增加，通过固溶强化来提高铁素体基体的强度。

3.2 抗震性分析

作为抗地震用的建筑结构钢，对其性能要求如下[5]：(1)足够的强度和较小的屈强比；(2)较高的塑性和韧性；(3)良好的焊接性能和加工性能。由表2可以看出，TRIP钢的抗拉强度明显高于所选用的建筑用钢，屈强比也明显优于后者。通常，建筑用钢要承受较高的载荷，针对其抗震性更是要求强韧度、塑性达到最佳配合。在严酷的变形负荷下，建筑用钢的塑性变形一致性是关键，而提高塑性变形性能的有效方法是降低钢的屈强比[2]。屈强比越低，材料从开始塑性变形到最终断裂所需要的形变量越大，因而提高了其塑性变形能力，可有效缓解因过载而产生的应力集中，使建筑构件吸收较多的地震能。反之，若屈强比过高，则会导致由于局部大变形而造成的载荷失稳，从这个角度出发，对于建筑用钢来说，低屈强比是建筑用钢设计的首要条件。

TRIP钢在具有高强度的同时，具备良好的塑韧性，这从微观上得益于其组织形成，所形成的组织为铁素体+马氏体岛。TRIP钢通过添加Si元素来抑制渗碳体或珠光体的形成。同时，提高残余奥氏体的数量与稳定性，TRIP钢组织中分布均匀的残余奥氏体具备应变诱导马氏体相变以及相变诱导塑性的特征，可以使钢获得较高的强度和塑性。TRIP钢在拉伸变形时，变形最大的部位残余奥氏体首先诱发马氏体相变，使局部强度提高，导致应力向未发生马氏体相变的其它部位转移，推迟了缩颈的发生。同时局部应力集中因马氏体相变而松弛，降低了裂纹产生，残余奥氏体与外加应力呈共格关系，高能界面不利于裂纹的扩展，因此宏观效应表现为延伸率的提高[6]。文献表明[7]，某建筑用钢采用的是Nb、V、Ti等合金化，钢的显微组织由铁素体-珠光体（F-P）型转变为针状铁素体型（即贝氏体B）。也就是说建筑用钢组织基本上是铁素体+珠光体或铁素体+贝氏体。显然，这种组织的强塑积不会达到TRIP钢的强塑积。也就表明，采用本文中涉及的TRIP钢，其强度高，塑性好，屈强比低，具有良好的抗震性能。

建筑用钢应具备良好的韧性以降低外加变形引起的内应力。钢的韧性是随温度变化的，环境温度下降时，韧性随之降低，当降到一定温度以下，钢由韧性变为脆性[8]。通常取冲击试验的冲击功（Akv）降到一定值时所对应的温度作为韧脆转变温度。一般韧脆转变温度较低的钢，常温下冲击值也较高；而常温下冲击功较高的钢，其韧脆转变温度不一定低。我国北方地区最低气温可低到-40℃，发生地震时，建筑用钢发生低温低应力脆断的危险不容忽视。由表3可以看出，在-40℃时，TRIP钢仍具有良好的冲击韧性，满足建筑用钢韧性要求。

对于建筑用钢来说，离不开焊接工序，因此要求建筑用钢具有良好的焊接性能，通过常用的碳当量和焊接裂纹敏感指数2种指标来评估试验钢的焊接性能。由表4可以看出，2种钢的焊接裂纹敏感指数相当，而从碳当量来看，显示出TRIP钢的碳当量更低，并且低于结构钢的上限碳当量0.44%，这也就表明TRIP钢的焊接性能相对更加优良。

4 结论

1）对比常用于汽车领域的TRIP钢和建筑用的低合金结构钢，TRIP钢具有更高的强度和更低的屈强比，而且塑韧性和焊接性能满足建筑用钢要求。

2）TRIP钢可作为建筑行业用钢使用，具有良好的抗震性能和耐腐蚀性能。 

参考文献

[1] 植田圭治.弥散型硬质第二相780MPa级低屈强比建筑用钢板[J].鞍钢技术，2008（4）：49-53.

[2] 康健，周晓光，王国栋.高强度低屈强比建筑用钢板的研究开发[J].轧钢. 2009，26（3）：31-35.

[3] 但泽义.建筑结构钢材的选用[J].钢铁技术，2004（6）：23-26.

[4] 杨洪敏.建筑钢结构防腐及防火涂装质量问题的预防[J].江苏建材，2010（1）：17-20.

[5] 侯中宇，刘喜明，陈荣敏，等.抗地震用建筑结构钢的显微组织及成分设计[J].金属热处理，2003，28（4）：21-24.

[6] 景财年. CMnAl-TRIP钢组织性能的研究[D].济南：山东大学，2007.

[7] 李平和，刘继雄，陈晓.高性能耐火耐侯建筑结构用钢的显微组织研究[J].钢铁，2005，40（6）：72-75.

[8] 龚士弘，盛光敏.地震区建筑用钢的韧性对建筑物抗震性能的影响[J].工程抗震，2004（3）：41-47.