学文网摘 要：超高强度钢材钢结构基于其特有的性能及结构优点，被广泛的应用于工程施工中，是很多工程项目必备的原材料。本文将对超高强度钢材材料性能做分析，同时探讨超高强度钢材钢结构的优点，然后会进一步介绍超高强度钢材钢结构在建筑结构工程及桥梁工程中的应用。
关键词： 超高强度 钢材 钢结构 工程
Abstract: ultra high strength steel structure based on the properties and structure of its unique advantages, is widely used in construction, is a raw material for many engineering projects necessary. This paper will make analysis on the performance of ultra high strength steel material, at the same time to explore the advantages of ultra-high strength steel structures, and then further introduces application of ultra-high strength steels in structural engineering and bridge engineering.
Keywords: ultra high strength steel structure engineering
中***分类号：TU391文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
前言
超高强度钢一般是指屈服强度大于1380MPa的高强度结构钢。20世纪40年代中期，美国用AISI4340结构钢通过降低回火温度，使钢的抗拉强度达到1600～1900MPa。50年代以后，相继研制成功多种低合金和中合金超高强度钢，如300M、D6AC和H一11钢等。60年代研制成功马氏体时效钢，逐步形成18Ni马氏体时效钢系列，70年代中期，美国研制成功高纯度HP310钢，抗拉强度达到2200MPa。法国研制的35NCDl6钢，抗拉强度大于1850MPa，而断裂韧度和抗应力腐蚀性能都有明显的改进。80年代初，美国研制成功AFl410二次硬化型超高强度钢，在抗拉强度为1860MPa时，钢的断裂韧度达到160 MPa·以上，AFl410钢是目前航空和航天工业部门正在推广应用的一种新材料。
现在，以改变合金成分提高超高强度钢的强度和韧性已很困难。发展超高强度钢的主要方向是开发新工艺、新技术，提高冶金质量，如采用真空冶炼技术，最大限度降低钢中气体和杂质元素含量，研制超纯净超高强度钢；通过多向锻造和形变热处理，改变钢的组织结构和细化晶粒尺寸，从而提高钢的强度和韧性，例如正在发展的相变诱发塑性钢(TRIP钢)等。
一、超高强度钢材材料性能
1．超高强度钢材的合金成分
超高强度钢是通过淬火和回火处理获得较高的强度和韧性，钢的强度主要取决于钢中马氏体的固溶碳浓度。含碳量增加，钢的强度升高；而塑性和韧性相应降低。因此，在保证足够强度的原则下，尽可能降低钢中含碳量，一般含碳量在0.30～0.45％。钢中合金元素总量约在5％左右，Cr、Ni和Mn在钢中的主要作用是提高钢的淬透性，以保证较大的零件在适当的冷却条件下获得马氏体组织，Mo、W和v的主要作用是提高钢的抗回火能力和细化晶粒等。
2．超高强度钢的材料特性
中国研制的40CrNi2Si2MoVA钢是一种强度高，纯洁度要求严的低合金超高强度钢。采用精炼脱硫的原材料，经过真空感应炉和真空白耗炉两次真空冶炼工艺，钢中硫和磷含量分别降低到0.002～0.003％和0.005～0.008％，明显改善了大截面锻件的横向塑性和韧性。在抗张强度为1925MPa条件下，钢的断裂韧度达到85.1MPa√m。经疲劳试验证明，用于制造飞机起落架可使寿命延长三倍以上，达到起落架与飞机机体同寿命的世界先进水平。
H—11钢是最早研制成功和使用的中合金超高强度钢。钢的含碳量约0.40％，含铬5％。钢的淬透性高，一般零件在空气冷却条件下即可获得马氏体组织。经500C回火时，析出M2C(M表金属元素)和V4C3，产生二次硬化效应，钢的强度达到1962MPa以上。该类钢具有较高的中温强度，除用于制作热作模具外还制作飞机发动机后框架等，在400～500℃工作条件下能承受较高的应力。
二、超高强度钢材钢结构的优点
1．超高强度钢有良好的断裂韧性
过去，随着使用强度不断提高，超高强度钢对缺口和裂纹的敏感性增大。70年代初，随着断裂力学的发展，断裂韧度已成为衡量超高强度钢韧性的重要指标。一般来说，钢的强度提高，往往断裂韧度降低，这也正是为什么超高强度的钢材钢结构往往具有极好的断裂韧性的原因。如200级18Ni马氏体时效钢，当加载到钢的屈服强度时，不发生脆性断裂的部件表面允许存在的临界裂纹尺寸为8mm。如果选用350级马氏体时效钢，当加载到屈服强度时，不发生脆性断裂允许存在的裂纹尺寸只有0.25mm。如此微小的裂纹用无损探伤的方法是很难发现的。因而就有发生低应力脆性破断的危险。只有提高钢的断裂韧度，增加部件中容许存在的临界裂纹尺寸，才能提高钢的使用应力，充分发挥材料的潜力。
2．超高强度钢的抗腐蚀能力强
在介质环境中外加负荷远低于材料的过载断裂应力时超高强度钢就会发生应力腐蚀滞后脆性断裂。超高强度钢在水介质中的应力腐蚀是氢致开裂过程，它受材料和环境中的氢所控制。裂纹前沿的氢离子得到电子后生成氢原子进入钢中。由于应力诱导扩散，氢原子向裂纹尖端最大三向应力处集聚，当富集的氢浓度达到某临界值时，材料就会发生滞后塑性变形，从而导致应力腐蚀裂纹的产生和扩展。
材料的应力腐蚀界限强度因子(KIscc)和裂纹扩展速率 (da／dt)反应了钢的本质特性，它主要取决于钢的化学成分、显微组织和冶金质量。当钢的强度增加，使裂纹尖端的弹性应力场增强，促使氢向裂纹前沿集聚的驱动力增大，则比较容易达到氢浓度临界值，从而加速裂纹的形核和扩展。因此，超高强度钢材往往具有很强的抗腐蚀能力。
3．超高强度钢的疲劳性能佳
钢的疲劳性能主要取决于钢的强度和韧性。提高钢的冶金质量，改变钢中非金属夹杂物的形状、数量和分布对疲劳性能具有显著的影响。超高强度钢材由于强度和韧性比起普通钢材有明显优势，因此和普通钢材相比，超高强度钢也具有更好的疲劳性能。
三、建筑结构工程应用
钢结构由于其良好的材料性能，越来越多的被应用到各种建筑结构工程中，其中值得一提的是在日本的很多知名建筑中都采用了结构钢材。由于地理位置的特殊性，在日本的建筑中对于建筑的抗震能力要求较高，过往日本对于钢材的强度要求在400MPa - 490MPa之间，近年来随着钢结构应用的不断推广，对于其研究不断加深，日本已经开始研究应力强度为1000MPa的钢材，这绝对是在此领域的一个大跨步。
日本的第一个采用超高强度钢结构的建筑是Landmark Tower，位于横滨，它所使用的钢材强度为600MPa。在日本，由于国土面积有限，会建造很多超高层建筑，此类建筑对于工程工艺是有一定要求的，尤其是在地震频发的日本，建筑必须有很好的抗震性能，超高强度钢材钢结构则能很好的满足这种需求，因此它的应用在日本的建筑中较为普遍，例如位于东京的JR East Japan总部大厦和NTV Tower都是采用的超高强度钢结构所造。
不仅在日本，在欧洲及澳大利亚，超高强度钢结构都是非常受到亲睐的建筑材料。德国柏林索尼中心大楼（Sony Center）是一座改造建筑，项目原来是一个砌体结构建筑物，为了对这座建筑物实现定向改造，选用了超高强度钢材辅助项目重建，最后取得了良好的效果。位于澳大利亚悉尼的星城饭店（Star City），这是一个含有酒店、剧院及娱乐场的综合建筑物，为了达到设计上的视觉效果，建筑群中的两个区域采用了超高强度钢材。
值得一提的是我国的国际体育馆鸟巢，其独特的造型给很多人都留下深刻印象，但如果留心这个建筑，即使是从外观上观察也能清晰的看出，其中采用了很多钢结构。由于其新颖的设计，要想将设计理念完整的表达出来，对于建筑材料提出了要求，而钢结构正好能达到这个目的。
四、桥梁工程应用
超高强度钢结构的另一个广泛应用是在桥梁工程中，与普通的建筑结构相比，桥梁在结构上要求更高，因此对于建造材质性能也提出更高的要求，超高强度钢结构由于其特殊的材料性能及结构优点，被广泛应用的桥梁工程中。法国著名的Millau大桥就是一个典范。这座桥的建造高度达到了世界之最，为了取得良好的建造效果，将设计理念充分表达出来，桥梁采用了大量的钢板钢结构，例如桥塔则采用了最大为120mm厚的S460钢板，这让整个桥梁建造效果很好。
钢结构在欧洲的桥梁建设中使用较为普遍，瑞典的48m跨快速***用桥梁、瑞典Mittadalen 的杂交梁桥还有德国Ingolstadt 附近高速公路桥、德国Dusseldorf2-Ilverich莱茵河大桥，这些桥梁都是用超高强度钢结构作为支撑。最值得一提的是德国Dusseldorf2-Ilverich莱茵河大桥，这座桥梁建于1998-2002年之间，由于项目的选址靠近机场，因此桥梁的高度一定程度受到限制。这座桥由于以超高强度钢结构作为主要建材，在建造工艺上得到很大改善，避免了大量的焊接过程及工作量，焊缝尺度也有所减小，这不仅可以有效提升焊缝的疲劳强度，还有效延长了桥梁的使用寿命。
结 语：超高强度钢材钢结构由于其特殊的性能及良好的结构优点被越来越多的应用到各种类型的建筑工程中，它杰出的力学性能让很多新颖的有创意的设计变为可能，这些设计大多施工难度大并且对于建筑材料的性能要求苛刻，超高强度钢结构则能很好的满足这些需求。对于超高强度钢结构的研究应当进一步加大，这样才能更好的让其应用到实际工程中。
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