高層建筑用Q420GJC鋼的研制及應用

張開廣，童明偉，陳顏堂，范巍，鄭靜

（武漢鋼鐵（集團）公司研究院，湖北武漢 430080）

生產技術

高層建筑用Q420GJC鋼的研制及應用

張開廣，童明偉，陳顏堂，范巍，鄭靜

（武漢鋼鐵（集團）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，開發了低屈強比、高強度Q420GJC鋼。對其工業性試制鋼板進行了拉伸、沖擊、組織結構檢驗及焊接性能試驗，結果顯示，研制的鋼種組織為鐵素體+珠光體且鐵素體比例占50%以上，具有優良的綜合性能，屈強比≤0.81，Rm≥560 MPa，滿足高層建筑用鋼技術要求，已成功實現工程應用。

高層建筑用鋼；Q420GJC；性能；金相組織；屈強比

1 前言

高層鋼結構建筑的快速發展，對用于制作柱、梁等結構件的鋼板在強度、屈強比等方面均提出了新的要求。一方面，使用高強度鋼種可以完善結構用鋼強度等級，避免因鋼材厚度過大而在后續加工、焊接過程中產生質量問題，同時也可以減輕結構重量，降低建造成本，減少鋼材浪費，提高結構的可靠性［1］。另一方面，使用抗震性能優良（即低屈強比）鋼材，可減少因地震等因素對結構造成的損壞，延長人員疏散時間，減少生命財產損失，增加建筑物安全使用性能。

現行GB/T 19879《建筑結構用鋼板》國家標準當中，Q420GJ系列鋼由于具有強度高、韌性好、屈強比低等特點，常被用于高層、超高層、大跨度等鋼結構建筑。同時，由萬科籌建的“張之洞與近代工業博物館”工程也提出了Q420GJC的用鋼需求。

因此，為適應國內建筑鋼結構行業的發展形勢，結合用戶需求，開展了Q420GJC鋼相關研制工作，并完成鋼種試制及批量供貨，取得了顯著的社會經濟效益。

2 Q420GJC鋼試制開發

GB/T 19879《建筑結構用鋼板》標準中Q420GJC鋼板力學性能要求見表1。

表1 Q420GJC鋼板力學性能要求

Q420GJC鋼的設計基于以下原則：

1）采用Nb、Ti等微合金元素依厚度分檔設計化學成分，在獲得足夠強度的同時降低碳當量，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構配比，保證鋼板強韌性匹配的同時具備較低的屈強比。

基于上述原則，設計的鋼種化學成分見表2。

表2 設計的Q420GJC鋼化學成分（質量分數）%

Q420GJC鋼生產工藝流程為：鐵水→鐵水脫硫→轉爐吹煉→鋼包爐（必要時）→真空處理→連鑄→軋制→冷卻→正火熱處理（必要時）→精整→檢驗→探傷（必要時）→入庫→發貨。

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15 min以上并進行合金化及成分微調。鑄坯均熱段加熱溫度（1 230±30）℃，根據成品厚度分檔控制鋼板終軋溫度，軋制后澆水冷卻，必要時進行正火處理。

3 試制結果及分析

為評定Q420GJC工業性試制鋼板綜合性能，選取24 mm、40 mm兩種厚度鋼板進行常規拉伸、系列溫度沖擊、厚度方向拉伸性能、焊接性能試驗及組織結構檢驗。

3.1 拉伸性能試驗

鋼板拉伸性能試驗結果如表3所示。

表3 Q420GJC鋼工業性試板拉伸試驗結果

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

3.2 系列溫度沖擊試驗

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。24 mm鋼板-80℃時沖擊功均值仍約100 J（圖1），表現出良好的低溫韌性。在-20～20℃范圍內，隨溫度的降低，40 mm鋼板表層、t/4部位沖擊功較為穩定且均保持在較高的水平；-20℃以下時，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℃時鋼板t/4部位沖擊功仍約60 J，明顯高于技術條件0℃不低于47 J的要求。表明Q420GJC鋼沖擊韌性優良。此外，由50%沖擊功平臺確定的鋼板縱向t/4部位韌脆轉變溫度均低于-40℃。

3.3 厚度方向拉伸性能

對40 mm厚度的Q420GJC鋼板，按照GB/T 5313《厚度方向性能鋼板》標準將其加工成d0=10 mm，標距L0≥1.5d0的圓柱形Z向拉伸試樣進行試驗，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標準中Z向鋼最高級別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40 mm厚度的Q420GJC鋼進行了埋弧、手工兩種方式的焊接試驗。試驗采用不對稱X形坡口，兩塊鋼板試樣橫向對接焊，焊接材料及焊接工藝參數見表4，焊接接頭力學性能見表5。

表4 40mm厚Q420GJC鋼板焊接工藝參數

表5 鋼板焊接接頭力學性能

40 mm厚Q420GJC鋼板經埋弧、手工焊接后，拉伸試驗均在母材部位斷裂，強度符合技術條件要求，滿足與母材等強匹配的要求。此外，接頭各區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部位金相試樣進行組織、晶粒度檢驗，結果如圖3所示。

圖3 試驗鋼板金相組織

鋼材的屈服行為受其組織類型、晶粒尺寸、各相的體積分數、形態及位錯密度等因素影響［2］，為了獲取較理想的屈服強度及屈強比，關鍵就在于如何控制其組織結構的各特性參數。材料的組織結構可以通過調整其化學成分、合理的軋制工藝、熱處理工藝等方式來獲得。對以鐵素體組織為基體的鋼板而言，細化晶?？赏瑫r提高屈服強度和韌性，但其屈強比也隨之增大。如果控制合理的終軋溫度并適當噴水快冷，則可以提升鋼板過冷度，阻止鐵素體晶粒長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鋼組織檢驗結果可以看出，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，這種強弱相匹配的雙相組織結構使Q420GJC鋼在獲得較好的強韌性匹配的同時，具備了較低的屈強比。

此外，對24 mm厚度Q420GJC鋼板取t/4部位薄膜試樣，對40 mm厚度Q420GJC鋼板取表層、t/4、t/2部位薄膜試樣，使用JEM2100F型透射電鏡進行析出物觀察，結果見圖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小NbC、Nb（C，N）第二相質點，形態多為不規則狀或橢球狀分布，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是決定鋼是否具有優良強韌性的關鍵。在鋼中添加Nb、Ti元素，由于其與N、C有極強的親合力，可形成穩定的碳氮化物。尤其是Nb元素，在熱形變時可以顯著抑制低碳奧氏體的再結晶，提高原始奧氏體晶粒粗化溫度，同時在軋制過程中的奧氏體再結晶溫度區域內，Nb的碳氮化合物周圍有大量位錯堆積，形成累積位錯，可以作為奧氏體再結晶晶粒的形核核心，促使鐵素體晶粒細化。而在非再結晶溫度范圍內，彌散分布的Nb的碳氮化合物可以有效釘扎奧氏體晶界，阻止奧氏體晶粒進一步長大，從而細化鐵素體晶粒。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大，并改善焊接熱影響區的低溫韌性。

在對Q420GJC鋼試樣的觀察中，發現大量彌散分布的細小復合第二相質點，多呈球狀或橢球狀分布，尺寸主要為10～80 nm。這種細小第二相質點在鋼中的析出，可以阻止奧氏體晶界的遷移，從而使該鋼得到細鐵素體晶粒，提高鋼的韌性。此外，彌散分布的第二相質點可對位錯運動起到一定的釘扎作用，從而提高了鋼的變形抗力和強度。

4 工程應用

Q420GJC鋼已成功應用于由萬科籌建的武漢市地標性建筑“張之洞與近代工業博物館”項目。該項目用Q420GJC鋼1 000余t，交貨狀態為熱軋態、正火態。經鋼結構制作方使用顯示，該系列鋼具有高強度、高韌性、優良的抗震性（低屈強比）和抗層狀撕裂性能以及優異的焊接性能，鋼質純凈度高，性能穩定性好，板厚效應小，完全滿足項目設計技術及制造要求。

［1］孫邦明，楊才富.高層建筑用鋼的發展［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用［C］//中國鋼結構協會.2006全國鋼結構學術年會論文集，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年畢業于重慶大學材料科學與工程專業?，F為武漢鋼鐵（集團）公司研究院工程師，從事建筑結構鋼的研制與開發工作。