張開廣，童明偉，陳顏堂，范巍，鄭靜

（武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司研究院，湖北武漢 430080）

生產(chǎn)技術(shù)

高層建筑用Q420GJC鋼的研制及應(yīng)用

張開廣，童明偉，陳顏堂，范巍，鄭靜

（武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司研究院，湖北武漢 430080）

利用Nb、Ti等元素微合金化，配合控軋控冷工藝，開發(fā)了低屈強(qiáng)比、高強(qiáng)度Q420GJC鋼。對(duì)其工業(yè)性試制鋼板進(jìn)行了拉伸、沖擊、組織結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)及焊接性能試驗(yàn)，結(jié)果顯示，研制的鋼種組織為鐵素體+珠光體且鐵素體比例占50%以上，具有優(yōu)良的綜合性能，屈強(qiáng)比≤0.81，Rm≥560 MPa，滿足高層建筑用鋼技術(shù)要求，已成功實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

高層建筑用鋼；Q420GJC；性能；金相組織；屈強(qiáng)比

1 前言

高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的快速發(fā)展，對(duì)用于制作柱、梁等結(jié)構(gòu)件的鋼板在強(qiáng)度、屈強(qiáng)比等方面均提出了新的要求。一方面，使用高強(qiáng)度鋼種可以完善結(jié)構(gòu)用鋼強(qiáng)度等級(jí)，避免因鋼材厚度過(guò)大而在后續(xù)加工、焊接過(guò)程中產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題，同時(shí)也可以減輕結(jié)構(gòu)重量，降低建造成本，減少鋼材浪費(fèi)，提高結(jié)構(gòu)的可靠性［1］。另一方面，使用抗震性能優(yōu)良（即低屈強(qiáng)比）鋼材，可減少因地震等因素對(duì)結(jié)構(gòu)造成的損壞，延長(zhǎng)人員疏散時(shí)間，減少生命財(cái)產(chǎn)損失，增加建筑物安全使用性能。

現(xiàn)行GB/T 19879《建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，Q420GJ系列鋼由于具有強(qiáng)度高、韌性好、屈強(qiáng)比低等特點(diǎn)，常被用于高層、超高層、大跨度等鋼結(jié)構(gòu)建筑。同時(shí)，由萬(wàn)科籌建的“張之洞與近代工業(yè)博物館”工程也提出了Q420GJC的用鋼需求。

因此，為適應(yīng)國(guó)內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的發(fā)展形勢(shì)，結(jié)合用戶需求，開展了Q420GJC鋼相關(guān)研制工作，并完成鋼種試制及批量供貨，取得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

2 Q420GJC鋼試制開發(fā)

GB/T 19879《建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)中Q420GJC鋼板力學(xué)性能要求見表1。

表1 Q420GJC鋼板力學(xué)性能要求

Q420GJC鋼的設(shè)計(jì)基于以下原則：

1）采用Nb、Ti等微合金元素依厚度分檔設(shè)計(jì)化學(xué)成分，在獲得足夠強(qiáng)度的同時(shí)降低碳當(dāng)量，提高鋼材的焊接性能。2）充分降低S、P和夾雜含量，提高鋼的純凈度，確保鋼板具有優(yōu)良的抗層狀撕裂性能。3）采用合理的控軋控冷工藝，使材料獲得理想的軟硬相組織結(jié)構(gòu)配比，保證鋼板強(qiáng)韌性匹配的同時(shí)具備較低的屈強(qiáng)比。

基于上述原則，設(shè)計(jì)的鋼種化學(xué)成分見表2。

表2 設(shè)計(jì)的Q420GJC鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

Q420GJC鋼生產(chǎn)工藝流程為：鐵水→鐵水脫硫→轉(zhuǎn)爐吹煉→鋼包爐（必要時(shí)）→真空處理→連鑄→軋制→冷卻→正火熱處理（必要時(shí)）→精整→檢驗(yàn)→探傷（必要時(shí)）→入庫(kù)→發(fā)貨。

鋼種冶煉采用深脫硫處理，控制S含量0.003%以下。真空處理循環(huán)15 min以上并進(jìn)行合金化及成分微調(diào)。鑄坯均熱段加熱溫度（1 230±30）℃，根據(jù)成品厚度分檔控制鋼板終軋溫度，軋制后澆水冷卻，必要時(shí)進(jìn)行正火處理。

3 試制結(jié)果及分析

為評(píng)定Q420GJC工業(yè)性試制鋼板綜合性能，選取24 mm、40 mm兩種厚度鋼板進(jìn)行常規(guī)拉伸、系列溫度沖擊、厚度方向拉伸性能、焊接性能試驗(yàn)及組織結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)。

3.1 拉伸性能試驗(yàn)

鋼板拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 Q420GJC鋼工業(yè)性試板拉伸試驗(yàn)結(jié)果

從表3可見，1）與技術(shù)條件相比，24 mm鋼板各方向強(qiáng)度富裕量均超過(guò)60 MPa，40 mm鋼板不同方向、不同部位均有30 MPa以上的強(qiáng)度富裕量；2）鋼板t/4部位的強(qiáng)度略高于t/2，存在一定的板厚效應(yīng)；3）鋼板斷后伸長(zhǎng)率均在29.0%以上，塑性優(yōu)良；4）屈強(qiáng)比不高于0.81，明顯低于技術(shù)條件以及GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求（屈強(qiáng)比≯0.85）。

3.2 系列溫度沖擊試驗(yàn)

鋼板系列溫度縱向沖擊功（均值）變化如圖1、圖2所示。

圖240 mm厚鋼板沖擊功變化情況

隨溫度的降低，鋼板各部位沖擊功均呈下降趨勢(shì)。24 mm鋼板-80℃時(shí)沖擊功均值仍約100 J（圖1），表現(xiàn)出良好的低溫韌性。在-20～20℃范圍內(nèi)，隨溫度的降低，40 mm鋼板表層、t/4部位沖擊功較為穩(wěn)定且均保持在較高的水平；-20℃以下時(shí)，隨溫度的降低，鋼板沖擊功（含t/2部位）有較大幅度的降低，但-60℃時(shí)鋼板t/4部位沖擊功仍約60 J，明顯高于技術(shù)條件0℃不低于47 J的要求。表明Q420GJC鋼沖擊韌性優(yōu)良。此外，由50%沖擊功平臺(tái)確定的鋼板縱向t/4部位韌脆轉(zhuǎn)變溫度均低于-40℃。

3.3 厚度方向拉伸性能

對(duì)40 mm厚度的Q420GJC鋼板，按照GB/T 5313《厚度方向性能鋼板》標(biāo)準(zhǔn)將其加工成d0=10 mm，標(biāo)距L0≥1.5d0的圓柱形Z向拉伸試樣進(jìn)行試驗(yàn)，鋼板的Z向收縮率為：55.5%，41.5%，53.0%，46.5%，44.5%，42.5%。與GB/T 5313標(biāo)準(zhǔn)中Z向鋼最高級(jí)別Z35（ZZ≥35%）的要求相比，Q420GJC鋼板的Z向斷面收縮率均在40%以上，顯示了該鋼具有良好的抗層狀撕裂性能。

3.4 焊接性能

對(duì)40 mm厚度的Q420GJC鋼進(jìn)行了埋弧、手工兩種方式的焊接試驗(yàn)。試驗(yàn)采用不對(duì)稱X形坡口，兩塊鋼板試樣橫向?qū)雍?，焊接材料及焊接工藝參?shù)見表4，焊接接頭力學(xué)性能見表5。

表4 40mm厚Q420GJC鋼板焊接工藝參數(shù)

表5 鋼板焊接接頭力學(xué)性能

40 mm厚Q420GJC鋼板經(jīng)埋弧、手工焊接后，拉伸試驗(yàn)均在母材部位斷裂，強(qiáng)度符合技術(shù)條件要求，滿足與母材等強(qiáng)匹配的要求。此外，接頭各區(qū)沖擊性能均符合要求。

3.5 微觀組織

取24 mm、40 mm厚度Q420GJC鋼t/4部位金相試樣進(jìn)行組織、晶粒度檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)鋼板金相組織

鋼材的屈服行為受其組織類型、晶粒尺寸、各相的體積分?jǐn)?shù)、形態(tài)及位錯(cuò)密度等因素影響［2］，為了獲取較理想的屈服強(qiáng)度及屈強(qiáng)比，關(guān)鍵就在于如何控制其組織結(jié)構(gòu)的各特性參數(shù)。材料的組織結(jié)構(gòu)可以通過(guò)調(diào)整其化學(xué)成分、合理的軋制工藝、熱處理工藝等方式來(lái)獲得。對(duì)以鐵素體組織為基體的鋼板而言，細(xì)化晶?？赏瑫r(shí)提高屈服強(qiáng)度和韌性，但其屈強(qiáng)比也隨之增大。如果控制合理的終軋溫度并適當(dāng)噴水快冷，則可以提升鋼板過(guò)冷度，阻止鐵素體晶粒長(zhǎng)大及珠光體組織粗化，使鐵素體組織總含量占到全部組織的50%以上，這種相對(duì)軟相和硬相的合理比例及分布將使材料獲得理想的使用性能［2］。從Q420GJC鋼組織檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，各厚度鋼板組織均為鐵素體+珠光體，而且其鐵素體相均占到50%以上，這種強(qiáng)弱相匹配的雙相組織結(jié)構(gòu)使Q420GJC鋼在獲得較好的強(qiáng)韌性匹配的同時(shí)，具備了較低的屈強(qiáng)比。

此外，對(duì)24 mm厚度Q420GJC鋼板取t/4部位薄膜試樣，對(duì)40 mm厚度Q420GJC鋼板取表層、t/4、t/2部位薄膜試樣，使用JEM2100F型透射電鏡進(jìn)行析出物觀察，結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 24mm厚鋼板析出物形貌及能譜（t/4部位）

圖5 40mm鋼板析出物形貌及能譜

24 mm厚度Q420GJC鋼板t/4部位透射電鏡下可見彌散分布的細(xì)小NbC、Nb（C，N）第二相質(zhì)點(diǎn)，形態(tài)多為不規(guī)則狀或橢球狀分布，尺寸主要為20～50 nm。40 mm厚度Q420GJC鋼板表層析出相主要為10～80 nm的不規(guī)則形或球形顆粒，其成分主要為Ti+Nb+微量V（見圖5a）；t/4部位析出相尺寸及成分與表層相似（見圖5b）；t/2部位析出相尺寸為15～80 nm（見圖5c），主要成分與表層相近。

鋼中的微小第二相粒子析出及分布狀態(tài)是決定鋼是否具有優(yōu)良強(qiáng)韌性的關(guān)鍵。在鋼中添加Nb、Ti元素，由于其與N、C有極強(qiáng)的親合力，可形成穩(wěn)定的碳氮化物。尤其是Nb元素，在熱形變時(shí)可以顯著抑制低碳奧氏體的再結(jié)晶，提高原始奧氏體晶粒粗化溫度，同時(shí)在軋制過(guò)程中的奧氏體再結(jié)晶溫度區(qū)域內(nèi)，Nb的碳氮化合物周圍有大量位錯(cuò)堆積，形成累積位錯(cuò)，可以作為奧氏體再結(jié)晶晶粒的形核核心，促使鐵素體晶粒細(xì)化。而在非再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)，彌散分布的Nb的碳氮化合物可以有效釘扎奧氏體晶界，阻止奧氏體晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大，從而細(xì)化鐵素體晶粒。而Ti的氮化物也能有效釘扎奧氏體晶界，有助于控制奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，并改善焊接熱影響區(qū)的低溫韌性。

在對(duì)Q420GJC鋼試樣的觀察中，發(fā)現(xiàn)大量彌散分布的細(xì)小復(fù)合第二相質(zhì)點(diǎn)，多呈球狀或橢球狀分布，尺寸主要為10～80 nm。這種細(xì)小第二相質(zhì)點(diǎn)在鋼中的析出，可以阻止奧氏體晶界的遷移，從而使該鋼得到細(xì)鐵素體晶粒，提高鋼的韌性。此外，彌散分布的第二相質(zhì)點(diǎn)可對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)起到一定的釘扎作用，從而提高了鋼的變形抗力和強(qiáng)度。

4 工程應(yīng)用

Q420GJC鋼已成功應(yīng)用于由萬(wàn)科籌建的武漢市地標(biāo)性建筑“張之洞與近代工業(yè)博物館”項(xiàng)目。該項(xiàng)目用Q420GJC鋼1 000余t，交貨狀態(tài)為熱軋態(tài)、正火態(tài)。經(jīng)鋼結(jié)構(gòu)制作方使用顯示，該系列鋼具有高強(qiáng)度、高韌性、優(yōu)良的抗震性（低屈強(qiáng)比）和抗層狀撕裂性能以及優(yōu)異的焊接性能，鋼質(zhì)純凈度高，性能穩(wěn)定性好，板厚效應(yīng)小，完全滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)技術(shù)及制造要求。

［1］孫邦明，楊才富.高層建筑用鋼的發(fā)展［J］.寬厚板，2001，7（3）：1-6.

［2］卜勇，陳曉，童明偉，等.高韌性抗震建筑用鋼的研究及應(yīng)用［C］//中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì).2006全國(guó)鋼結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2006：287-290.

Development and Application of the High-rise Buildings Steel Q420GJC

ZHANG Kaiguang,TONG Mingwei,CHEN Yantang,FAN Wei,ZHENG Jing

（The Research and Development Center of WISCO,Wuhan 430080,China）

The new high-rise buildings steel Q420GJC with low yield/tension ratio and high strength were developed using Nb-Ti microalloying as well as controlled rolling and cooling process.The performances of the tensile,impact,microstructure and welding of the steel were tested.The results showed that the microstructure of the steel is composed of more than 50%ferrite and pearlite,the steel has excellent comprehensive properties:the yield/tension ratio is less than 0.81,theRmis more than 560 MPa and can meet the requirements of high-rise buildings structure steel.The steel has been successfully implemented in engineering.

high construction steel;Q420GJC;performance;microstructure;yield/tension ratio

TG335.5；TG142.1

A

1004-4620（2015）01-0006-03

2014-09-02

張開廣，男，1979年生，2002年畢業(yè)于重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)?，F(xiàn)為武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司研究院工程師，從事建筑結(jié)構(gòu)鋼的研制與開發(fā)工作。