论为桥梁及结构工程安全、创新、发展服务的38SiM nVBE钢技术数据平台

韩建中 ，白 涛 ，孙锦丽

（1.河南省生产力促进中心，河南 郑州 400008；2.河南鹤壁矿用安全产品检验中心，河南 鹤壁 458007）

0 前言

建国初期，我国建设的第一座武汉长江大桥是我国及世界桥梁建设的一座丰碑。这座铁路、公路两用大桥的建设经过长期的应用考验，现在可以明确地说，大桥的安全质量是世界上第一流的。近些年，笔者有幸认识了当时参加大桥测量、检测的前辈朱海涛先生，在他引导下，拜访了许多从事桥梁建设的有关领导、专家、教授、设计者、制造者、承建者。通过今年5月在第二十届全国桥梁学术会议上的学习和交流，使我们明确了38SiMnVBE钢在桥梁及结构工程上开发应用的新方向，并已在这个新方向上接受了新产品任务。

现将高强韧性、高淬透性、高疲劳性、高性价比，多种性能和多用途的38SiMnVBE钢技术数据平台提出来，在学习、交流中研究、探讨它如何为桥梁结构工程安全、创新、发展更好地服务。

1 38SiMnVBE钢技术数据平台

桥梁结构工程的设计者总是根据用户、产品需求，依据或参照设计手册上的技术数据选择合适的钢号进行设计；制造者也依据或参照手册上的热处理工艺进行产品制造。在我国编写的手册上，不同钢号的性能主要来自国家标准，对有些国外钢号则查手册上国外钢标准。建国以来，我国钢标准中一个钢号只有一种试样直径（Φ10或25 mm），一种热处理工艺，对应一组力学性能。实际应用中大多数的产品直径(或厚度)都比标准中的直径大，因而其力学性能绝对与小直径的有区别，甚至有重大区别。对制造者来说，大尺寸的产品性能绝对不是采用标准上小直径的热处理工艺就能达到的。如果是老的设计人员或老的生产制造人员，他们有积累的经验相对好办些；如果是新的设计、制造人员就难办了。如果进行新产品、新要求设计制造，老的设计、制造人员选择钢号与制造工艺困难增大；新的设计、制造人员就难上加难。在学习北京钢铁研究总院编写的《合金钢手册》及美国《合金结构钢》标准编写结构内容的基础上进行了创新。在国家标准委的关注、支持下，在冶金工业信息标准研究院具体指导下，在大冶特钢、无锡华润制钢有限公司、东北特钢的帮助下，以北京钢铁研究总院、国家钢铁材料测试中心为主测试，共十余个单位合作下，河南省生产力促进中心花了大量人力、物力、财力与时间完成了下列38SiMnVBE钢技术数据平台。见表1～表4，见图1。

弹性模量（拉力试验同时测出的弹性模量）：

Rm1 900MPa，Rp0.21 730MPa，A 10%，Z 50.5%，E 203 GPa

Rm1 930MPa，Rp0.21 760MPa，A 11.5%，Z 51%，E 194GPa

Rm1 930 MPa，Rp0.21 700 MPa，A 10%，Z 49%，E 236GPa

Rm1 970MPa，Rp0.21 720MPa，A 11%，Z 47.5%，E 227GPa

从技术数据平台中可知，该钢有多种特性。

1.1 高强韧性

从表1热处理工艺编号1、2、11标准Φ10 mm试样三组测试的力学性能数据与国内外高强韧性合金结构钢、弹簧钢甚至超高强度钢标准中的力学性能相比，可以看出该钢强韧性是国内外一流水平的。即使采用工艺编号18Φ36 mm试样直径测试，其强韧性水平也属国内外一流的。

1.2 高淬透性

从热处理工艺编号24、29Φ50 mm、Φ75 mm试样得到的两组力学性能(主要是强度)数据与相同试样直径的力学性能(主要是强度)相比，证明该钢具有高淬透性；工艺编号 25、26、27、28、30、31 Φ50 mm、Φ65 mm、Φ75 mm试验的六组力学性能是将强度降低，得到更高的韧塑性，也能说明该钢的淬透性好。技术数据中该钢的奥氏体连续冷却曲线(CCT曲线)及各种淬透性数据若与其它钢号相应CCT曲线和淬透性数据相比，更能清晰地说明该钢的高淬透性。其深入比较详细分析说明我们将在另外一篇论文《38SiMnVBE新钢在大直径高强度螺栓、钢拉杆、钢锚杆产品上的应用研究》一文中详细论述。

表1 38SiMnVBE钢在不同尺寸和热处理状态下的力学性能表(参考)

图1 38SiMnVBE钢的奥氏体连续冷却转变曲线

1.3 高疲劳性

世界钢铁发展、创新、应用实践证明，从钢材内在质量上提高疲劳性能的根本办法是提高钢的纯净度。这主要是采用先进的真空精炼或电渣重熔尽量减少氧、氮、氢、磷、硫等有害元素以及非金属夹杂物。38SiMnVBE专利钢要求必须采用真空精炼，首先使氧降低到15×10-6，相应氮及氢和非金属夹杂物也很少。磷、硫的降低必须达到我国最高质量等级“特级优质钢”的要求，这种等级的钢号后加“E”。在钢号后加“A”的是高级优质钢，它的S、P含量比加“E”的多；S多造成钢的冷脆性，P多造成钢的热脆性。

我国制造高强度大直径产品的40CrNiMoA钢，只要用户、设计者不特别提出要求并不采用真空精炼或电渣重熔提高钢的纯净度，减少有害元素和非金属夹杂物以提高疲劳性。我国只在轴承钢和铁路货车专用弹簧钢60Si2CrVAT标准上对提高钢的纯净度有明确严格的要求，因为提高钢的纯净度必然要增加钢的成本。在一定意义上讲，桥梁与结构工程中重要钢制产品，是否在订钢材时提出提高抗疲劳性的纯净度的要求，是一个良心工作，因为抗疲劳性在桥梁与结构工程中的反映不象轴承和高应力弹簧那样短时间就表现出来。下述38SiMnVBE钢的典型应用及试验产品证明该钢在高应力下的高疲劳性。

提高钢的纯净度，不仅可提高钢的抗疲劳性，而且可以全面提高钢的其它各项力学性能。比如，铁路货车弹簧专用钢60Si2CrVAT是在国标60Si2CrVA钢基础上提高了钢的纯净度，使得它的Rm、RP0.2、A、Z四个力学性能同时高于 60Si2CrVA。

表2 端淬试验淬透性表

表3 典型圆钢淬透性表（38SiMnVBE淬火硬度试验结果）

表4 典型扁钢淬透性表（48mm厚38SiMnVBE板簧淬火后硬度表）

1.4 高性价比

国内外高强韧性、高淬透性钢都含较多的贵重合金元素 Mo、Ni、V、Nb、Cr等，而 38SiMnVBE符合我国资源条件，并且因合理的设计只含微量的贵重合金元素钒(V)，与国内外同等强韧性，特别是高淬透性钢材(含Mo、Ni更多)相比具有明显的价格优势。

1.5 多性能

该钢目前技术数据平台的力学性能、淬透性能等在专利新钢种中比较是最多的，与目前世界上最先进的美国合金结构钢标准相比，还多了目前市场新产品与新标准(如高强度螺栓ISO和我国新标准)需求的很多低温冲击韧性数据。笔者另一篇产品论文《论为桥梁与结构工程安全、创新、发展服务的高强度螺栓新标准、新钢号》有新的论述。

1.6 多用途

1.6.1 38SiMnVBE钢的典型应用及试验

1.6.1.1 高应力、高疲劳少片变截面板簧

南京跃进汽车集团引进国外的普及型轿车与箱式车所用高性能少片变截面板簧(2片)，最大试验弯曲应力高达1 100～1 200 MPa，疲劳寿命10万次，用国内其它弹簧钢制达不到要求，采用专利钢后达到并超过国外进口的少片变截面板簧要求，价格只有进口簧1/3。我国钢板弹簧国标中最大试验弯曲应力水平为834 MPa，疲劳寿命8万次，采用38SiMnVBE钢将最大弯曲应力提高到1 100 MPa时，根据弹簧的重量与设计应力的平方成反比，通过计算重量可减轻42.5%；将最大弯曲应力提高到1 200 MPa，可减轻重量51.7%。这实际上不仅实现了一吨钢顶两吨钢用，而且减重还带来节约能源、降低成本等一系列效果。

1.6.1.2 特种汽车用高应力、高疲劳变直径螺旋弹簧

新一代特种汽车不仅要求汽车整车与各零部件的高性能，而且要求整车(及零部件)重量尽量低，以利于远距离空运空投；此外还要求含有我国自主知识产权的专利越多越好。过去我国特种汽车都采用重量很大的钢板弹簧，新一代特种汽车在学习发达国家技术基础上，自主设计重量轻的变直径、变刚度螺旋弹簧。当一汽了解到我们在铁路货车上的缓冲器用Φ32 mm弹簧，试验剪切应力1 000 MPa，疲劳寿命大达到80万次的高水平后，毫不犹豫地选择了38SiMnVBE钢做该车螺旋弹簧试制。

当时签约的技术要求是：螺旋簧材料最大直径为Ф36 mm，在此基础上设计变直径、变刚度；疲劳试验最大剪应力τmax=950 MPa，疲劳寿命100万次。这比一汽生产的红旗、奥迪、捷达轿车上应用的小直径螺旋簧疲劳试验应力还高。在试验获得一定成效后，一汽抢先申请并获得授权“变刚度螺旋弹簧”实用新型专利(专利号200820071562.5)。专利权利要求书第一条首句就强调“材料采用38SiMnVBE”。

我国新一代特种汽车采用38SiMnVBE钢制造变刚度螺旋弹簧，正是该钢有很高的强度与韧塑性为基础。由于设计应力很高，弹簧重量只有我国大多数大直径材料弹簧重量的1/3左右。

1.6.1.3 大直径汽车用稳定杆

我国高级大型客车和大型商用汽车用的大直径稳定杆，进口价格昂贵，国产50CrVA等弹簧钢淬透性达不到技术要求，采用专利钢制成的Φ75 mm稳定杆已大批生产应用。

1.6.1.4 重大工程建筑用弹簧

北京交通大学徐国彬教授发明的“万向承载、万向转动、抗振减振弹性钢支座”用于许多重大工程建筑与桥梁上，其关键件之一是减振弹簧。为减轻弹簧支座重量与占用空间，徐教授及弹簧设计者王军在重大建筑工程上运用了强韧性、淬透性高的38SiMnVBE钢制作弹簧。钢材订货要求是抗拉强度等于大于1 900 MPa，断面收缩率等于大于40%。弹簧（板簧）制作抗拉强度采用了等于或大于1 800 MPa高的水平。用38SiMnVBE制作弹簧的支座已在国家大剧院、2008奥运工程（五棵松篮球馆、数码中心等）、重庆奥林匹克中心、南京奥运中心、河南艺术中心等重点工程中应用，整个支座将地震作用力减少20倍，与这些建筑设计者其他抗振、减振技术等一起有效地保护了建筑工程在大地震中(包括汶川特大地震)的安全。

1.6.2 38SiMnVBE钢多用途试验、应用方向

1.6.2.1 替代含镍、钼、钒、铌等贵重合金元素的合金钢(摘要)

典型贵重合金钢与38SiMnVBE力学性能比较见表 5、表 6。

从表5与表6对比中可知，用38SiMnVBE钢替代贵重合金钢的可行性。

1.6.2.2 贵重合金钢号及其所制作的产品[1]

贵重合金钢号及其所制作的产品见表7。

技术专利化、专利标准化、标准全球化是国内科技发展共同走的路。本文论述38SiMnVBE专利钢已纳入修订的GB/T 3077合金结构钢标准，广受用户欢迎的上述技术数据平台在第二次修订的GB/T 3077合金结构钢专家讨论会上一致同意全部数据都列入该标准的附录中。在我国这个钢号最多、应用最广的基础钢标准上，实现我国钢国标的内容、结构上的创新。该标准项目原应在去年完成，由于增加了一些新钢号，而这些钢号还要多收集一些技术数据，需要一定时间才能完备，标准的最终定稿及批准发布有所推迟。

表5 贵重合金钢钢号的力学性能

表6 表5中材料对应的38SiMnVBE钢热处理后力学性能

表7 贵重合金钢号及其所制作的产品

提供上述论文的目的是向桥梁、结构工程建设的领导、专家、教授、设计者、制造者、承担工程建设者学习、交流，研究、探讨如何为桥梁、结构工程建设安全、创新、发展更好地服务。文中不当之处，敬请赐教。

[1]林慧国，林钢，吴静雯.袖珍世界钢号手册[M].北京：机械工业出版社，2003.