針對津西鋼廠研發(fā)生產(chǎn)的Q355NHD耐候H型鋼，進(jìn)行了H型鋼截面力學(xué)性能的不均勻性檢測和屈服強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析，并用有限元法分析了截面材料的不均勻性對構(gòu)件應(yīng)力和變形的影響，提出采用耐候H型鋼進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)所需的抗力分項(xiàng)系數(shù)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。利用已有含鈮鋼的耐腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并經(jīng)耐大氣腐蝕指數(shù)計(jì)算，表明含鈮H型鋼具有良好的耐腐蝕性能。通過焊接工藝評定，提出耐候鋼構(gòu)件制作及安裝時(shí)應(yīng)采用的焊材和焊接工藝參數(shù)。

1.1 建筑用金屬材料腐蝕的一般情況

耐候鋼通過加入耐候元素，會(huì)在鋼鐵材料的表面形成一層50～100 μm厚的致密且附著牢固的氧化膜層。由于這層氧化膜的存在，阻止了大氣中氧和水分向鋼鐵基層滲入，減緩銹蝕向鋼鐵材料內(nèi)部發(fā)展，從而提高鋼材的耐大氣腐蝕能力。耐候鋼的耐腐蝕性能是碳鋼的4～8倍。干濕交替循環(huán)有利于保護(hù)膜穩(wěn)定形成，使用耐候鋼一般可無須再涂裝保護(hù)性涂層。

金屬材料的耐腐蝕性能，應(yīng)從兩個(gè)方面進(jìn)行分析研究：一是外部腐蝕環(huán)境，二是金屬材料本體的性能。以沿海地區(qū)腐蝕作用的數(shù)據(jù)為參照，相關(guān)研究通過測試得出不同環(huán)境腐蝕條件下，多種常用建筑金屬材料的腐蝕速率。表1匯總了從幾個(gè)沿海地區(qū)腐蝕試驗(yàn)觀察點(diǎn)測試的結(jié)果，列出了常用建筑金屬材料腐蝕性對比數(shù)據(jù)。

由表1數(shù)據(jù)可以看出，環(huán)境條件和材料本身的性能共同決定了常用建筑金屬材料的維修周期及使用壽命。采用不銹鋼、Al、Cu、Zn材質(zhì)構(gòu)件可以顯著延長使用年限，而通過在鋼中加入耐腐蝕性合金元素是提高鋼材防腐能力最為直接和現(xiàn)實(shí)有效的措施。

表1 常用建筑金屬材料腐蝕性比較

1.2 建筑用金屬材料腐蝕的一般情況

20世紀(jì)中期前，人們開始把鈮作為不銹鋼的添加元素，提高奧氏體不銹鋼的性能。在這之后，鈮并沒有成為普通碳素鋼或低合金鋼的一種合金成分。40年代起，人們發(fā)現(xiàn)在合金鋼中加入鈮后力學(xué)性能有所提高，從此鈮開始成為鋼鐵材料的一種合金元素，也成為軍工產(chǎn)品為提高強(qiáng)度而選用的合金元素。鈮對鋼材性能的改善主要由細(xì)化晶粒引起，它提高了鋼材的強(qiáng)度和沖擊韌性。此后鈮合金化鋼材開始在橋梁和建筑鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，其耐大氣腐蝕的作用也逐漸為人們所認(rèn)識。

從耐候鋼的發(fā)展歷史看，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5952∶2005中的附錄A(低合金大氣腐蝕性的評估指南)，是通過各種低合金鋼長期(15.5 a)觀察測定在不同大氣環(huán)境下得到的防腐蝕數(shù)據(jù)，當(dāng)時(shí)采用的鋼材樣本中并不包括含鈮鋼，鈮對耐大氣腐蝕的定量貢獻(xiàn)尚難用具體數(shù)字表達(dá)，但是鈮對耐大氣腐蝕的有利作用是確定的，且已被試驗(yàn)和工程應(yīng)用所證實(shí)。

耐候鋼中含有Cu、P、Cr、Si、Ni、Nb、V、Ti等合金元素，用以改善銹層結(jié)構(gòu)，提高致密度，增強(qiáng)與大氣的隔離作用。在上述元素中，銅元素的含量w(Cu)為0.25‰～0.55‰，其作用最大。磷元素也起重要作用，磷元素的含量w(P)為0.08%～0.15%，含磷元素的耐候鋼稱之為高耐候鋼。銅元素與磷元素復(fù)合應(yīng)用的效果更為明顯。但磷元素會(huì)使鋼材的韌性降低，并且惡化鋼材的焊接性能，因此只有對耐腐蝕性要求很高時(shí)才采用含磷鋼。一般焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼中磷的含量w(P)≤0.035%，這類鋼以Cu-Cr和Cu-Cr-Ni系為主，具有優(yōu)良的焊接性能和低溫韌性。

在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4171—2008《耐候結(jié)構(gòu)鋼》中，耐候鋼化學(xué)成分雖沒有列入Nb、V、Ti等微量稀土元素的成分，但在附注中說明，為了改善鋼的性能可以添加一種或一種以上的微量合金元素：Nb(0.015%～0.060%)，V(0.02%～0.12%)，Ti(0.02%～0.10%)。若上述元素組合使用時(shí)，應(yīng)至少保證其中一種元素含量達(dá)以上規(guī)定的下限值，且Nb、V、Ti 3種合金元素的添加總量不應(yīng)超過0.22%。津西鋼廠根據(jù)自身鐵礦成分并適當(dāng)添加Nb給出了耐候鋼的化學(xué)成分配比(表2)，充分發(fā)揮Nb在耐大氣腐蝕中的作用。

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