专利名称：高抗震建筑结构钢及其生产工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有高抗震性能的建筑结构钢，特别涉及主要成份含锰、硅、钒、钛等元素的碳-锰低合金钢，以及采用钒、钛微合金化和控制轧钢的生产工艺方法。
现行抗震设计用钢，主要以钢的静强度为依据。但在强烈的交变地震载荷下，建筑物的破坏，首先是由建筑结构钢的高应变低周疲劳破坏引起的。这既不同于静载下的破坏，也不同于低应变高周疲劳破坏。因此，高应变低周疲劳是地震中建筑结构钢的主要失效模式。
目前我国《建筑抗震设计规范》手册(GBJ11-89)规定“纵向钢筋宜采用Ⅱ、Ⅲ级变形钢筋”，即包括20MnSi(Ⅱ级)、25MnSi(Ⅲ级)。而这类C-Mn钢具有高的应变时效敏感性，在施工中受冷变形后，经过一定时间，发生自然时效，强度升高，塑性下降。预变形钢筋剩余延性减少很多，塑性更显著降低。混凝土剪力墙低周疲劳试验表明，应变时效敏感的钢使剪力墙的延性系数降低，载荷下降速度较快。
我国北方地震区，最低气温可达-40℃。北京每年有很长时间气温在0℃以下。但已用于北京长城饭店的25MnSiV钢筋，在应变时效状态下的韧脆转变温度在10℃以上。钢材在韧脆转变温度以下，已处于冷脆状态，此时如果发生强烈地震，很容易使钢材发生冷脆断裂，导致建筑物倒塌。
钢筋需要焊接。通常认为，钢的碳当量CE(C+1/6Mn)在0.40以下，有良好的可焊性;在0.50以上造成焊接困难。20MnSi的CE上限达0.52，25MnSi和25MnSiV上限达0.57。
钢的强度与塑性的配合和高应变低周疲劳密切相关。强度高而塑性过低，如25MnSiV;或塑性高而强度过低，如A3，此二种情况高应变低周疲劳抗力都低。只有当强度与塑性指标的乘积达极大值时，方可获得最佳的高应变低周疲劳性能，此时钢材吸收地震能量的能力最大。
根据实践经验总结和实验分析，建筑结构钢的抗震性能指标应包括(1)高应变低周疲劳性能;(2)应变时效敏感性;(3)韧脆转变温度;(4)可焊性;(5)强度与塑性的配合。
现在常用建筑结构钢抗震性能普遍较差。主要存在以下问题(1)应变时效敏感性较高(如20MnSi经应变时效后可使钢的塑性(δ5)降低18-29%);(2)韧脆转变温度高达20℃以上(应变时效状态)，在20℃以下，钢材即处于冷脆状态，-40℃aKV仅为5-8J/cm2(应为34J/cm2以上);(3)可焊性差，碳当量高达0.57(宜在0.45以下)，以致焊缝区成为薄弱环节，强震时极易导致早期断裂;(4)强度过低或塑性过低，强度(σb)与塑性(σ5)之乘积为137-176MPa，钢材吸收地震能量的能力较低;(5)高应变低周疲劳抗力差，最大交变应力幅值(σa max)与相应的循环应变范围(△σt)之乘积为21.6-26.3MPa，对交变地震载荷的抗力低。
这些钢抗震性能差的主要原因是(1)化学成分不当。钢中C、Mn含量上限过高，20MnSi为C0.25、Mn1.60，25MnSi为C0.30、Mn1.60;(2)未加入对提高抗震性能有利的微量合金元素;(3)未用控制轧制工艺。
1985年，重庆大学和攀钢曾共同研制含钒高强度抗震钢筋22MnSiV。在新Ⅲ级钢筋技术要求的基础上，增加了对抗震性能的考虑，1992年7月经四川省冶金厅组织鉴定。这种钢采用了钒微合金化，没有用控制轧制工艺，钢的抗震性能还存在以下问题(1)可焊性较差，碳当量上限达0.50;(2)应变时效敏感性仍达10.7%，应变时效后延伸率可低到20%。抗震综合性能指标还不能满足高抗震等级的要求。其原因是(1)钢中C上限过高，Mn仍偏高，P、S上限也偏高;(2)钒的微合金化没有与控制轧制相配合，未充分发挥微量钒的有利作用。
本发明的目的在于，针对上述现有技术存在的问题，提供一种具有高抗震性能的建筑结构钢及其生产工艺方法。该钢种的抗震性能指标达到(1)应变时效敏感性低于2.0%;(2)应变时效态韧脆转变温度降低到-40°以下;(3)碳当量上限降低到0.43，使钢具有良好的焊接性能;(4)使钢材具有较高的强度(σb)，也有较高的塑性(δ5)，两者乘积(σb·δ5)达到200MPa;(5)提高对高应变低周疲劳抗力，σa max·△εt值高于34.0MPa。
为了达到上述发明目的，本发明的技术方案是(1)调整合金元素成分。①.在20MnSi基础上，改进成分设计，利用V微合金化，抑制钢的应变时效。含V量控制在钢中含N量的7-9倍，即V0.04-0.08%，过多的V会升高韧脆性转变温度。②.再加微量Ti(0.01-0.03%)，细化晶粒，改善钢中非金属夹杂物形态及焊缝组织性能，以提高高应变低周疲劳性能。过多的Ti易形成形状规则的Ti的化合物，促使疲劳裂纹的萌生与扩展。微量Ti还有抑制应变时效的作用;③.降低钢中C含量到0.14-0.20%，④.降低Mn含量到1.10-1.40%，使钢具有较高塑性和较低韧脆转变温度;⑤.降低碳当量，以保持较好的焊接性能。调整后的高抗震性能建筑结构钢化学成分见表1。
表1 高抗震性能建筑结构钢(代号GK94)的化学成分
(2)采用控制轧制技术。控制终轧温度在780-830℃;在920-880℃以下的断面缩减率大于50%，使应变诱导析出细小、弥散的化合物质点，以提高钢的强度而不升高韧脆转变温度，并使钢的铁素体晶粒细化;在第一阶段轧3-4道后，在空气中冷待到900℃，再进行第二阶段轧制，轧4-6道，将终轧温度控制在830℃-780℃，从而使钢的强度、塑性、韧性都得到提高，结果对交变地震载荷的抗力显著提高。
附
图1为GK94(表3No.2)φ20mm钢筋放大400倍的金相组织，附图2是放大40000倍的透射电镜照片。附图3为20MnSiφ20mm钢筋放大400倍的金相组织，附图4是在放大30000倍的透射电镜照片。可见GK94的组织比20MnSi更细;经应变诱导析出的第二相质点数量更多，分布弥散。
本发明的一个实施例如下在20MnSi的基础上，将化学成分进行改进。在钢中加入微量V和Ti;降低C和Mn的含量;用常用的脱P、S技术，使P、S含量小于0.035%。钢的冶炼，允许用不同的冶炼方法，但在加入V和Ti之前，充分脱氧。用55～65mm钢坯轧制φ16mm-φ28mm钢筋。用GD测温仪按控制轧制工艺(表2)控制出炉温度、第一阶段轧制后冷待温度和终轧温度。根据表1和表2生产的φ20mm钢筋，钢的成分及常规机械性能见表3，测得的抗震性能见表4。
本发明的技术效果表明，“GK94”的综合抗震性能远优于现有各种建筑结构钢。与目前最常用的20MnSi比较，高应变低周疲劳抗力提高35～36%，应变时效敏感性降低18-24%，应变时效态韧脆转变温度降低40℃，在-40℃的冲击韧性(CVN)由8J/cm2提高到94J/cm2，碳当量降低17%，强度(σb)与塑性(δs)的乘积提高了29-30%。其常规性能均符合有关的国家标准和规范，轧成的钢筋完全满足GB1499-91钢筋混凝土用热轧带助钢筋Ⅲ级RL400级的性能要求，远远超过了《建筑抗震设计规范》手册中有关结构材料的要求。
表3 “GK94”钢筋的成份及常规机械性能
表4 “GK94”钢筋的抗震性能<
>我国现有钢厂设备都能生产这种钢，不需要增加投入。钢筋生产成本，只比20MnSi增加3%。由于各项性能的提高，按静强度设计要求，比20MnSi节约钢材用量19%(20MnSi为RL335级，“GB94”属于RL400级)。对建设单位，不仅可节约钢材，且可减少施工工作量。
我国7度以上地震区总面积有312平方公里，占全国总面积的32.5%。按近年建筑钢材在我国钢材总产量中所占比例计算，对这种钢的年需求量在500万吨以上，因而具有广阔的推广应用前景。
权利要求
1.一种高抗震建筑结构钢，其特征在于由C、Mn、Si、V、Ti、P、S等元素组成，其含量范围(%)为C0.14-0.20Si0.30-0.70Mn1.10-1.40V0.04-0.08Ti0.01-0.03P≤0.035S≤0.035。
2.一种实施权利要求1所述的高抗震建筑结构钢的工艺方法，其特征是1)在20MnSi的基础上，对化学成分进行了调整和改进;①利用V微合金化，使含V量控制在钢中含N量的7-9倍，即V0.04-0.08%;②再加微量Ti(0.01-0.03%);③钢中C含量降低到0.14-0.20%;④钢中Mn含量降低到1.10-1.40%;⑤采用常用的脱P、S技术适当降低P、S含量均到≤0.035%;⑥在加入微合金元素V和Ti之前，充分脱氧冶炼;2)采用控制轧制技术①出炉温度为1150℃;②对轧制φ16～28mm的钢筋分二阶段轧制第一阶段轧制，轧制道次为3-4次，然后在空气中冷却到920-880℃;第二阶段轧制，轧制道次为4-6次，使断面缩减率大于50%。③终轧温度控制在830-780℃。
全文摘要
一种高抗震性能的建筑结构钢及其生产工艺，主要特征是采用了V微合金化抑制钢的应变时效，再加入微量的Ti，提高钢的高应变低周疲劳性能，同时适当调整了C、Mn等元素含量，改进了成分设计。生产工艺上主要采用控制轧制技术，使钢的强度、塑性、韧性都得到提高。该结构钢具有较高的综合抗震性能，可作为抗震建筑结构钢取代目前广泛应用的20MnSi等钢种。
文档编号C22C38/14GK1105395SQ9411194
公开日1995年7月19日 申请日期1994年10月22日 优先权日1994年10月22日
发明者龚士弘, 盛光敏 申请人:重庆大学