論為橋梁及結構工程安全、創(chuàng)新、發(fā)展服務的38SiM nVBE鋼技術數(shù)據(jù)平臺

韓建中 ，白 濤 ，孫錦麗

（1.河南省生產(chǎn)力促進中心，河南 鄭州 400008；2.河南鶴壁礦用安全產(chǎn)品檢驗中心，河南 鶴壁 458007）

0 前言

建國初期，我國建設的第一座武漢長江大橋是我國及世界橋梁建設的一座豐碑。這座鐵路、公路兩用大橋的建設經(jīng)過長期的應用考驗，現(xiàn)在可以明確地說，大橋的安全質量是世界上第一流的。近些年，筆者有幸認識了當時參加大橋測量、檢測的前輩朱海濤先生，在他引導下，拜訪了許多從事橋梁建設的有關領導、專家、教授、設計者、制造者、承建者。通過今年5月在第二十屆全國橋梁學術會議上的學習和交流，使我們明確了38SiMnVBE鋼在橋梁及結構工程上開發(fā)應用的新方向，并已在這個新方向上接受了新產(chǎn)品任務。

現(xiàn)將高強韌性、高淬透性、高疲勞性、高性價比，多種性能和多用途的38SiMnVBE鋼技術數(shù)據(jù)平臺提出來，在學習、交流中研究、探討它如何為橋梁結構工程安全、創(chuàng)新、發(fā)展更好地服務。

1 38SiMnVBE鋼技術數(shù)據(jù)平臺

橋梁結構工程的設計者總是根據(jù)用戶、產(chǎn)品需求，依據(jù)或參照設計手冊上的技術數(shù)據(jù)選擇合適的鋼號進行設計；制造者也依據(jù)或參照手冊上的熱處理工藝進行產(chǎn)品制造。在我國編寫的手冊上，不同鋼號的性能主要來自國家標準，對有些國外鋼號則查手冊上國外鋼標準。建國以來，我國鋼標準中一個鋼號只有一種試樣直徑（Φ10或25 mm），一種熱處理工藝，對應一組力學性能。實際應用中大多數(shù)的產(chǎn)品直徑(或厚度)都比標準中的直徑大，因而其力學性能絕對與小直徑的有區(qū)別，甚至有重大區(qū)別。對制造者來說，大尺寸的產(chǎn)品性能絕對不是采用標準上小直徑的熱處理工藝就能達到的。如果是老的設計人員或老的生產(chǎn)制造人員，他們有積累的經(jīng)驗相對好辦些；如果是新的設計、制造人員就難辦了。如果進行新產(chǎn)品、新要求設計制造，老的設計、制造人員選擇鋼號與制造工藝困難增大；新的設計、制造人員就難上加難。在學習北京鋼鐵研究總院編寫的《合金鋼手冊》及美國《合金結構鋼》標準編寫結構內容的基礎上進行了創(chuàng)新。在國家標準委的關注、支持下，在冶金工業(yè)信息標準研究院具體指導下，在大冶特鋼、無錫華潤制鋼有限公司、東北特鋼的幫助下，以北京鋼鐵研究總院、國家鋼鐵材料測試中心為主測試，共十余個單位合作下，河南省生產(chǎn)力促進中心花了大量人力、物力、財力與時間完成了下列38SiMnVBE鋼技術數(shù)據(jù)平臺。見表1～表4，見圖1。

彈性模量（拉力試驗同時測出的彈性模量）：

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

從技術數(shù)據(jù)平臺中可知，該鋼有多種特性。

1.1 高強韌性

從表1熱處理工藝編號1、2、11標準Φ10 mm試樣三組測試的力學性能數(shù)據(jù)與國內外高強韌性合金結構鋼、彈簧鋼甚至超高強度鋼標準中的力學性能相比，可以看出該鋼強韌性是國內外一流水平的。即使采用工藝編號18Φ36 mm試樣直徑測試，其強韌性水平也屬國內外一流的。

1.2 高淬透性

從熱處理工藝編號24、29Φ50 mm、Φ75 mm試樣得到的兩組力學性能(主要是強度)數(shù)據(jù)與相同試樣直徑的力學性能(主要是強度)相比，證明該鋼具有高淬透性；工藝編號 25、26、27、28、30、31 Φ50 mm、Φ65 mm、Φ75 mm試驗的六組力學性能是將強度降低，得到更高的韌塑性，也能說明該鋼的淬透性好。技術數(shù)據(jù)中該鋼的奧氏體連續(xù)冷卻曲線(CCT曲線)及各種淬透性數(shù)據(jù)若與其它鋼號相應CCT曲線和淬透性數(shù)據(jù)相比，更能清晰地說明該鋼的高淬透性。其深入比較詳細分析說明我們將在另外一篇論文《38SiMnVBE新鋼在大直徑高強度螺栓、鋼拉桿、鋼錨桿產(chǎn)品上的應用研究》一文中詳細論述。

表1 38SiMnVBE鋼在不同尺寸和熱處理狀態(tài)下的力學性能表(參考)

圖1 38SiMnVBE鋼的奧氏體連續(xù)冷卻轉變曲線

1.3 高疲勞性

世界鋼鐵發(fā)展、創(chuàng)新、應用實踐證明，從鋼材內在質量上提高疲勞性能的根本辦法是提高鋼的純凈度。這主要是采用先進的真空精煉或電渣重熔盡量減少氧、氮、氫、磷、硫等有害元素以及非金屬夾雜物。38SiMnVBE專利鋼要求必須采用真空精煉，首先使氧降低到15×10-6，相應氮及氫和非金屬夾雜物也很少。磷、硫的降低必須達到我國最高質量等級“特級優(yōu)質鋼”的要求，這種等級的鋼號后加“E”。在鋼號后加“A”的是高級優(yōu)質鋼，它的S、P含量比加“E”的多；S多造成鋼的冷脆性，P多造成鋼的熱脆性。

我國制造高強度大直徑產(chǎn)品的40CrNiMoA鋼，只要用戶、設計者不特別提出要求并不采用真空精煉或電渣重熔提高鋼的純凈度，減少有害元素和非金屬夾雜物以提高疲勞性。我國只在軸承鋼和鐵路貨車專用彈簧鋼60Si2CrVAT標準上對提高鋼的純凈度有明確嚴格的要求，因為提高鋼的純凈度必然要增加鋼的成本。在一定意義上講，橋梁與結構工程中重要鋼制產(chǎn)品，是否在訂鋼材時提出提高抗疲勞性的純凈度的要求，是一個良心工作，因為抗疲勞性在橋梁與結構工程中的反映不象軸承和高應力彈簧那樣短時間就表現(xiàn)出來。下述38SiMnVBE鋼的典型應用及試驗產(chǎn)品證明該鋼在高應力下的高疲勞性。

提高鋼的純凈度，不僅可提高鋼的抗疲勞性，而且可以全面提高鋼的其它各項力學性能。比如，鐵路貨車彈簧專用鋼60Si2CrVAT是在國標60Si2CrVA鋼基礎上提高了鋼的純凈度，使得它的Rm、RP0.2、A、Z四個力學性能同時高于 60Si2CrVA。

表2 端淬試驗淬透性表

表3 典型圓鋼淬透性表（38SiMnVBE淬火硬度試驗結果）

表4 典型扁鋼淬透性表（48mm厚38SiMnVBE板簧淬火后硬度表）

1.4 高性價比

國內外高強韌性、高淬透性鋼都含較多的貴重合金元素 Mo、Ni、V、Nb、Cr等，而 38SiMnVBE符合我國資源條件，并且因合理的設計只含微量的貴重合金元素釩(V)，與國內外同等強韌性，特別是高淬透性鋼材(含Mo、Ni更多)相比具有明顯的價格優(yōu)勢。

1.5 多性能

該鋼目前技術數(shù)據(jù)平臺的力學性能、淬透性能等在專利新鋼種中比較是最多的，與目前世界上最先進的美國合金結構鋼標準相比，還多了目前市場新產(chǎn)品與新標準(如高強度螺栓ISO和我國新標準)需求的很多低溫沖擊韌性數(shù)據(jù)。筆者另一篇產(chǎn)品論文《論為橋梁與結構工程安全、創(chuàng)新、發(fā)展服務的高強度螺栓新標準、新鋼號》有新的論述。

1.6 多用途

1.6.1 38SiMnVBE鋼的典型應用及試驗

1.6.1.1 高應力、高疲勞少片變截面板簧

南京躍進汽車集團引進國外的普及型轎車與箱式車所用高性能少片變截面板簧(2片)，最大試驗彎曲應力高達1 100～1 200 MPa，疲勞壽命10萬次，用國內其它彈簧鋼制達不到要求，采用專利鋼后達到并超過國外進口的少片變截面板簧要求，價格只有進口簧1/3。我國鋼板彈簧國標中最大試驗彎曲應力水平為834 MPa，疲勞壽命8萬次，采用38SiMnVBE鋼將最大彎曲應力提高到1 100 MPa時，根據(jù)彈簧的重量與設計應力的平方成反比，通過計算重量可減輕42.5%；將最大彎曲應力提高到1 200 MPa，可減輕重量51.7%。這實際上不僅實現(xiàn)了一噸鋼頂兩噸鋼用，而且減重還帶來節(jié)約能源、降低成本等一系列效果。

1.6.1.2 特種汽車用高應力、高疲勞變直徑螺旋彈簧

新一代特種汽車不僅要求汽車整車與各零部件的高性能，而且要求整車(及零部件)重量盡量低，以利于遠距離空運空投；此外還要求含有我國自主知識產(chǎn)權的專利越多越好。過去我國特種汽車都采用重量很大的鋼板彈簧，新一代特種汽車在學習發(fā)達國家技術基礎上，自主設計重量輕的變直徑、變剛度螺旋彈簧。當一汽了解到我們在鐵路貨車上的緩沖器用Φ32 mm彈簧，試驗剪切應力1 000 MPa，疲勞壽命大達到80萬次的高水平后，毫不猶豫地選擇了38SiMnVBE鋼做該車螺旋彈簧試制。

當時簽約的技術要求是：螺旋簧材料最大直徑為Ф36 mm，在此基礎上設計變直徑、變剛度；疲勞試驗最大剪應力τmax=950 MPa，疲勞壽命100萬次。這比一汽生產(chǎn)的紅旗、奧迪、捷達轎車上應用的小直徑螺旋簧疲勞試驗應力還高。在試驗獲得一定成效后，一汽搶先申請并獲得授權“變剛度螺旋彈簧”實用新型專利(專利號200820071562.5)。專利權利要求書第一條首句就強調“材料采用38SiMnVBE”。

我國新一代特種汽車采用38SiMnVBE鋼制造變剛度螺旋彈簧，正是該鋼有很高的強度與韌塑性為基礎。由于設計應力很高，彈簧重量只有我國大多數(shù)大直徑材料彈簧重量的1/3左右。

1.6.1.3 大直徑汽車用穩(wěn)定桿

我國高級大型客車和大型商用汽車用的大直徑穩(wěn)定桿，進口價格昂貴，國產(chǎn)50CrVA等彈簧鋼淬透性達不到技術要求，采用專利鋼制成的Φ75 mm穩(wěn)定桿已大批生產(chǎn)應用。

1.6.1.4 重大工程建筑用彈簧

北京交通大學徐國彬教授發(fā)明的“萬向承載、萬向轉動、抗振減振彈性鋼支座”用于許多重大工程建筑與橋梁上，其關鍵件之一是減振彈簧。為減輕彈簧支座重量與占用空間，徐教授及彈簧設計者王軍在重大建筑工程上運用了強韌性、淬透性高的38SiMnVBE鋼制作彈簧。鋼材訂貨要求是抗拉強度等于大于1 900 MPa，斷面收縮率等于大于40%。彈簧（板簧）制作抗拉強度采用了等于或大于1 800 MPa高的水平。用38SiMnVBE制作彈簧的支座已在國家大劇院、2008奧運工程（五棵松籃球館、數(shù)碼中心等）、重慶奧林匹克中心、南京奧運中心、河南藝術中心等重點工程中應用，整個支座將地震作用力減少20倍，與這些建筑設計者其他抗振、減振技術等一起有效地保護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鋼多用途試驗、應用方向

1.6.2.1 替代含鎳、鉬、釩、鈮等貴重合金元素的合金鋼(摘要)

典型貴重合金鋼與38SiMnVBE力學性能比較見表 5、表 6。

從表5與表6對比中可知，用38SiMnVBE鋼替代貴重合金鋼的可行性。

1.6.2.2 貴重合金鋼號及其所制作的產(chǎn)品[1]

貴重合金鋼號及其所制作的產(chǎn)品見表7。

技術專利化、專利標準化、標準全球化是國內科技發(fā)展共同走的路。本文論述38SiMnVBE專利鋼已納入修訂的GB/T 3077合金結構鋼標準，廣受用戶歡迎的上述技術數(shù)據(jù)平臺在第二次修訂的GB/T 3077合金結構鋼專家討論會上一致同意全部數(shù)據(jù)都列入該標準的附錄中。在我國這個鋼號最多、應用最廣的基礎鋼標準上，實現(xiàn)我國鋼國標的內容、結構上的創(chuàng)新。該標準項目原應在去年完成，由于增加了一些新鋼號，而這些鋼號還要多收集一些技術數(shù)據(jù)，需要一定時間才能完備，標準的最終定稿及批準發(fā)布有所推遲。

表5 貴重合金鋼鋼號的力學性能

表6 表5中材料對應的38SiMnVBE鋼熱處理后力學性能

表7 貴重合金鋼號及其所制作的產(chǎn)品

提供上述論文的目的是向橋梁、結構工程建設的領導、專家、教授、設計者、制造者、承擔工程建設者學習、交流，研究、探討如何為橋梁、結構工程建設安全、創(chuàng)新、發(fā)展更好地服務。文中不當之處，敬請賜教。

[1]林慧國，林鋼，吳靜雯.袖珍世界鋼號手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.