高性能耐候桥梁钢的开发及应用

韩鹏 ，宋广龙 ，张哲 ，陈华 ，杨颖

（1.海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁 鞍山，114009；2.鞍钢股份有限公司，辽宁 鞍山，114021；3.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088；4.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009）

近年来，国家投入巨额资金开展基础设施建设，尤其在高速铁路和高速公路的建设上得到了迅猛发展，钢结构桥梁成为建设跨江跨海大型工程效率最高、最经济的选择，这就推动了国内钢结构桥梁制造行业的迅速发展，桥梁设计和建造水平达到了世界领先水平，先后建造了港珠澳大桥、沪通长江大桥、孟加拉帕德玛大桥、中马友谊大桥等大跨度、全地域的桥梁工程。为实现桥梁结构和功能的创新和突破，国内桥梁用钢的研发和制造能力得到快速提升，满足了大型桥梁项目建设需要，但在高性能耐候桥梁钢的研发和应用上较国外还存在一定差距。美国是国际上最早提出高性能耐候桥梁钢的国家，1992年,美国成立了HPS指导委员会,正式开始HPS的研发工作，1997年初,HPS 485W正式批量生产。一年后,在田纳西州和内布拉斯加州设计建造了第一批采用HPS 485W的钢桥。同年,HPS 485W被纳入美国材料与试验学会的ASTM A709规范。1999年,HPS 485W被纳桥梁设计规范。目前,美国采用HPS 485W建造的钢桥超过了200座。本文结合鞍钢现有装备及研发基础，按照ASTM A709规范和国外项目技术要求，采用TMCP加回火工艺成功开发了HPS 485W桥梁钢，并对相关性能和组织展开综合研究、评价，为国内耐候桥梁钢的研发和应用提供参考。

1 HPS 485W材料技术要求

综合美国标准ASTM A709-18《桥梁用结构钢》、ASTM G101《低合金钢耐大气腐蚀性评估的标准指南》和国外项目技术要求，HPS 485W化学成分要求见表1。其中，碳当量（CE）要求≤0.52，裂纹敏感指数（Pcm）要求≤0.23，以保证材料具有良好的焊接性能，并采用耐大气腐蚀指数I来评估材料耐大气腐蚀性能，I值主要与Cu、Ni、Cr、P、Si等耐蚀性元素含量相关，当耐大气腐蚀指数I值＞6时，表明钢材具有较好的耐大气腐蚀性能，本文研发的HPS 485W的耐大气腐蚀指数I值要求≥6.5，以保证材料在免涂装的条件下可长期服役应用。

表1 HPS 485W化学成分要求（质量分数）Table 1 Requirements for Chemical Compositions in HPS 485W（Mass Fraction） %

HPS 485W的力学性能要求见表2，其中，厚度≤70 mm钢板的屈强比要求≤0.90，保证了材料具有良好的抗断性，-31℃纵向冲击功≥80 J。

表2 HPS 485W的力学性能要求Table 2 Requirements for Mechanical Properties of HPS 485W

2 成分技术工艺设计

2.1 成分设计及实际冶炼成分

成分设计上，为进一步保证HPS 485W焊接性能、焊缝及热影响区的低温冲击韧性，避免出现焊接裂纹等缺陷，采用低碳成分设计，要求碳含量≤0.08%，为碳当量和裂纹敏感指数满足标准要求创造条件；合理添加 Cu、Ni、Cr、Mo等合金元素，以满足I值≥6.5的要求，并弥补降低碳含量后带来的强度损失，同时提高特厚板淬透性以及厚度方向性能均匀性，降低韧脆转变温度，HPS 485W化学成分设计范围及实际熔炼值见表3。

表3 HPS 485W化学成分设计范围及实际熔炼值Table 3 Chemical Composition Design Limit for HPS 485W and Its Actual Content of Smelting Elements %

从实际熔炼成分看，基本按照设计成分的目标值进行成分控制，磷和硫含量分别为0.010%和0.001%，远低于标准要求，可有效降低铸坯中心偏析，减少钢中夹杂物尺寸和数量，为提升特厚板厚度方向性能，提高探伤合格率提供支撑。实际碳当量（CE）和裂纹敏感指数（Pcm）分别为 0.45%和0.20%，耐大气腐蚀指数I值为6.53，为后续成品钢板的生产试制创造有利条件。

2.2 工艺路径及工艺设计

HPS 485W的生产工艺路径如下：铁水预处理→转炉冶炼→LF→RH处理→板坯连铸→（板坯清理）→加热→轧制→冷却→矫直→回火→剪切→喷印标记→检查、检验→入库。

炼钢工序采用LF+RH处理的精炼工艺，全程采用保护浇注和轻压下等措施，提高了铸坯表面质量，降低铸坯内气体含量；提高铸坯内部质量，减少中心偏析、中心疏松和裂纹，减少铸坯夹杂物尺寸和数量。

轧钢工序采用两阶段TMCP工艺生产，加热采用低温加热工艺控制，并避免长时间在炉加热，以尽量降低初始奥氏体晶粒尺寸。在轧制之前用高压水充分除鳞，粗轧阶段各道次压下率控制在20%以上，精轧阶段累计压下率不小于50%，以细化晶粒，轧后进行回火处理，钢板轧制后按照GB/T 2970 I级标准进行探伤，探伤结果合格。为确定合理的回火制度，分别按照不同回火温度和回火保温时间进行了系列试验，不同回火温度性能曲线见图1。

图1 不同回火温度与保温时间性能曲线Fig.1 Performance Curves of Different Tempering Temperatures and Holding time

从图1可看出，在相同回火保温时间条件下，随着回火温度的提升，虽然抗拉强度较TMCP态抗拉强度无明显变化，屈服强度出现显著提升，当回火温度升高到450℃时，屈服强度达到550 MPa，屈强比为0.86，满足力学性能标准要求。在相同回火温度条件下，随着回火保温时间延长，抗拉强度较TMCP态抗拉强度无明显变化，但屈服强度出现显著提升，当保温时间延长到2.5 min/mm时，屈服强度达到558 MPa，屈强比为0.86，余量充足，同样满足力学性能标准要求。因此，回火工艺按照回火温度450℃，保温时间2.5 min/mm处理。

3 组织及性能分析

按上述成分设计和工艺路线进行HPS 485W的现场工业生产，厚度分别为 19、25、38、51、100 mm钢板，测定其组织和性能。

3.1 组织

对工业生产的HPS 485W钢板进行金相分析，材料厚度1/4和厚度1/2处的组织见图2，均为铁素体和贝氏体。由于在TMCP工艺生产过程中，采用低温加热和提高道次变形率等措施，轧制力能够有效的渗透到钢板心部，心部组织得到充分塑性变形，有效细化了钢板的晶粒尺寸，钢板的平均晶粒尺寸分布见图3。由图3可以看出，钢板的平均晶粒尺寸仅为2.95 μm，厚度1/2处晶粒较厚度1/4处更为细小，保证了全厚度性能均匀性，解决了大厚度钢板厚度方向性能不均匀的问题。

图2 HPS 485W钢板组织Fig.2 Microstructures of Steel Plate Made of HPS 485W

图3 钢板平均晶粒尺寸分布Fig.3 Average Grain Size Distribution of Steel Plate Made of HPS 485W

利用EBSD对组织相比例进行分析，钢板相比例分布见图4。图4中，深色为铁素体，浅色为贝氏体，是典型的复相组织，其中铁素体含量62.7%，贝氏体含量37.3%。在硬相贝氏体保证强度的条件下，大量软相铁素体使钢板具有良好的抑制裂纹扩展的能力，低温韧性良好，保证了钢结构桥梁的长期服役抗断性。

图4 钢板相比例分布Fig.4 Radio Distribution of Phases in Steel Plate Made of HPS 485W

3.2 力学性能

不同规格HPS 485W钢板力学性能见表4。由表4可知，HPS 485W的力学性能均匀，有较大余量，塑性良好，延伸率在25.5～43.0，具有优异的强塑性，保证了桥梁结构的抗疲劳性能。此外，不同规格钢板的屈强比在0.80～0.86，较低的屈强比保证了桥梁结构在服役期间具有良好的抗断性能，保证了长期服役下的结构安全性。

表4 不同规格HPS 485W钢板力学性能Table 4 Mechanical Properties of Steel Plates Made of HPS 485W with Different Specifications

3.3 低温冲击性能

图5为HPS 485W冲击韧脆转变曲线，虽然随着冲击试验温度的降低，冲击功出现下降，偏差范围出现增大，但钢板在-60℃的冲击功最小值仍大于150 J，韧脆转变温度低于-60℃，说明具有良好的耐低温冲击韧性，冲击残样的断口均为韧性断口，保证了桥梁结构的低温服役安全。

图5 冲击韧脆转变曲线Fig.5 Impact Ductile-to-Brittle Transition Curves

4 应用

鞍钢采用TMCP+回火工艺成功开发的耐候桥梁钢HPS 485W具有高强度、耐低温、耐腐蚀等优良特点，通过在钢板表面形成橘红色致密而稳定的氧化保护层，能够有效延缓腐蚀，保护基体不受伤害，表面形成的橘红色保护层与自然环境颜色较为和谐，可长期暴露在自然环境下免涂装服役，降低了油漆涂装成本，缩短了建造周期，大幅减少了全生命周期维护成本，尤其适合在偏远地区、人烟稀少区域、不宜长期人工养护区域的钢结构桥梁上使用。目前，该产品已批量应用在加拿大帕特洛桥上，规格涵盖6～100 mm，应用量近6 000 t，为后续的长期、批量推广应用奠定基础。

5 结论

（1）采用低碳及合金化成分设计，利用TMCP+回火工艺路线，成功开发了6～100 mm的HPS 485W钢板，成分和力学性能满足标准要求，强塑性好，屈强比低，在可免涂装应用的情况下，保证桥梁结构具有良好的安全性和耐腐蚀能力。

（2）HPS 485W钢板的低温冲击韧性良好，-60℃冲击功最小值为150 J，韧脆转变温度低于-60℃，保证了桥梁结构长期服役的安全性。

（3）HPS 485W钢板的组织为铁素体和贝氏体，厚度1/2处组织得到充分细化，铁素体含量62.7%，贝氏体含量37.3%，平均晶粒尺寸仅为2.95 μm，在硬相贝氏体保证强度的条件下，大量的软相铁素体使钢板具有良好的抑制裂纹扩展的能力，保证了桥梁结构长期服役的抗断性。