韓建中 ，白 濤 ，孫錦麗

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

0 前言

建國初期，我國建設(shè)的第一座武漢長江大橋是我國及世界橋梁建設(shè)的一座豐碑。這座鐵路、公路兩用大橋的建設(shè)經(jīng)過長期的應(yīng)用考驗(yàn)，現(xiàn)在可以明確地說，大橋的安全質(zhì)量是世界上第一流的。近些年，筆者有幸認(rèn)識了當(dāng)時(shí)參加大橋測量、檢測的前輩朱海濤先生，在他引導(dǎo)下，拜訪了許多從事橋梁建設(shè)的有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)、專家、教授、設(shè)計(jì)者、制造者、承建者。通過今年5月在第二十屆全國橋梁學(xué)術(shù)會議上的學(xué)習(xí)和交流，使我們明確了38SiMnVBE鋼在橋梁及結(jié)構(gòu)工程上開發(fā)應(yīng)用的新方向，并已在這個(gè)新方向上接受了新產(chǎn)品任務(wù)。

現(xiàn)將高強(qiáng)韌性、高淬透性、高疲勞性、高性價(jià)比，多種性能和多用途的38SiMnVBE鋼技術(shù)數(shù)據(jù)平臺提出來，在學(xué)習(xí)、交流中研究、探討它如何為橋梁結(jié)構(gòu)工程安全、創(chuàng)新、發(fā)展更好地服務(wù)。

1 38SiMnVBE鋼技術(shù)數(shù)據(jù)平臺

橋梁結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)者總是根據(jù)用戶、產(chǎn)品需求，依據(jù)或參照設(shè)計(jì)手冊上的技術(shù)數(shù)據(jù)選擇合適的鋼號進(jìn)行設(shè)計(jì)；制造者也依據(jù)或參照手冊上的熱處理工藝進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，對有些國外鋼號則查手冊上國外鋼標(biāo)準(zhǔn)。建國以來，我國鋼標(biāo)準(zhǔn)中一個(gè)鋼號只有一種試樣直徑（Φ10或25 mm），一種熱處理工藝，對應(yīng)一組力學(xué)性能。實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)的產(chǎn)品直徑(或厚度)都比標(biāo)準(zhǔn)中的直徑大，因而其力學(xué)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(biāo)準(zhǔn)上小直徑的熱處理工藝就能達(dá)到的。如果是老的設(shè)計(jì)人員或老的生產(chǎn)制造人員，他們有積累的經(jīng)驗(yàn)相對好辦些；如果是新的設(shè)計(jì)、制造人員就難辦了。如果進(jìn)行新產(chǎn)品、新要求設(shè)計(jì)制造，老的設(shè)計(jì)、制造人員選擇鋼號與制造工藝?yán)щy增大；新的設(shè)計(jì)、制造人員就難上加難。在學(xué)習(xí)北京鋼鐵研究總院編寫的《合金鋼手冊》及美國《合金結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)編寫結(jié)構(gòu)內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新。在國家標(biāo)準(zhǔn)委的關(guān)注、支持下，在冶金工業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)研究院具體指導(dǎo)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(gè)單位合作下，河南省生產(chǎn)力促進(jìn)中心花了大量人力、物力、財(cái)力與時(shí)間完成了下列38SiMnVBE鋼技術(shù)數(shù)據(jù)平臺。見表1～表4，見圖1。

彈性模量（拉力試驗(yàn)同時(shí)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(shù)數(shù)據(jù)平臺中可知，該鋼有多種特性。

1.1 高強(qiáng)韌性

從表1熱處理工藝編號1、2、11標(biāo)準(zhǔn)Φ10 mm試樣三組測試的力學(xué)性能數(shù)據(jù)與國內(nèi)外高強(qiáng)韌性合金結(jié)構(gòu)鋼、彈簧鋼甚至超高強(qiáng)度鋼標(biāo)準(zhǔn)中的力學(xué)性能相比，可以看出該鋼強(qiáng)韌性是國內(nèi)外一流水平的。即使采用工藝編號18Φ36 mm試樣直徑測試，其強(qiáng)韌性水平也屬國內(nèi)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(xué)性能(主要是強(qiáng)度)數(shù)據(jù)與相同試樣直徑的力學(xué)性能(主要是強(qiáng)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(yàn)的六組力學(xué)性能是將強(qiáng)度降低，得到更高的韌塑性，也能說明該鋼的淬透性好。技術(shù)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(yīng)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(xì)分析說明我們將在另外一篇論文《38SiMnVBE新鋼在大直徑高強(qiáng)度螺栓、鋼拉桿、鋼錨桿產(chǎn)品上的應(yīng)用研究》一文中詳細(xì)論述。

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

圖1 38SiMnVBE鋼的奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

1.3 高疲勞性

世界鋼鐵發(fā)展、創(chuàng)新、應(yīng)用實(shí)踐證明，從鋼材內(nèi)在質(zhì)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(jìn)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(yīng)氮及氫和非金屬夾雜物也很少。磷、硫的降低必須達(dá)到我國最高質(zhì)量等級“特級優(yōu)質(zhì)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(zhì)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(qiáng)度大直徑產(chǎn)品的40CrNiMoA鋼，只要用戶、設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)上對提高鋼的純凈度有明確嚴(yán)格的要求，因?yàn)樘岣咪摰募儍舳缺厝灰黾愉摰某杀?。在一定意義上講，橋梁與結(jié)構(gòu)工程中重要鋼制產(chǎn)品，是否在訂鋼材時(shí)提出提高抗疲勞性的純凈度的要求，是一個(gè)良心工作，因?yàn)榭蛊谛栽跇蛄号c結(jié)構(gòu)工程中的反映不象軸承和高應(yīng)力彈簧那樣短時(shí)間就表現(xiàn)出來。下述38SiMnVBE鋼的典型應(yīng)用及試驗(yàn)產(chǎn)品證明該鋼在高應(yīng)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(xiàng)力學(xué)性能。比如，鐵路貨車彈簧專用鋼60Si2CrVAT是在國標(biāo)60Si2CrVA鋼基礎(chǔ)上提高了鋼的純凈度，使得它的Rm、RP0.2、A、Z四個(gè)力學(xué)性能同時(shí)高于 60Si2CrVA。

表2 端淬試驗(yàn)淬透性表

表3 典型圓鋼淬透性表（38SiMnVBE淬火硬度試驗(yàn)結(jié)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(jià)比

國內(nèi)外高強(qiáng)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(shè)計(jì)只含微量的貴重合金元素釩(V)，與國內(nèi)外同等強(qiáng)韌性，特別是高淬透性鋼材(含Mo、Ni更多)相比具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢。

1.5 多性能

該鋼目前技術(shù)數(shù)據(jù)平臺的力學(xué)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(jìn)的美國合金結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)相比，還多了目前市場新產(chǎn)品與新標(biāo)準(zhǔn)(如高強(qiáng)度螺栓ISO和我國新標(biāo)準(zhǔn))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(jié)構(gòu)工程安全、創(chuàng)新、發(fā)展服務(wù)的高強(qiáng)度螺栓新標(biāo)準(zhǔn)、新鋼號》有新的論述。

1.6 多用途

1.6.1 38SiMnVBE鋼的典型應(yīng)用及試驗(yàn)

1.6.1.1 高應(yīng)力、高疲勞少片變截面板簧

南京躍進(jìn)汽車集團(tuán)引進(jìn)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(yàn)彎曲應(yīng)力高達(dá)1 100～1 200 MPa，疲勞壽命10萬次，用國內(nèi)其它彈簧鋼制達(dá)不到要求，采用專利鋼后達(dá)到并超過國外進(jìn)口的少片變截面板簧要求，價(jià)格只有進(jìn)口簧1/3。我國鋼板彈簧國標(biāo)中最大試驗(yàn)彎曲應(yīng)力水平為834 MPa，疲勞壽命8萬次，采用38SiMnVBE鋼將最大彎曲應(yīng)力提高到1 100 MPa時(shí)，根據(jù)彈簧的重量與設(shè)計(jì)應(yīng)力的平方成反比，通過計(jì)算重量可減輕42.5%；將最大彎曲應(yīng)力提高到1 200 MPa，可減輕重量51.7%。這實(shí)際上不僅實(shí)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(yīng)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(yuǎn)距離空運(yùn)空投；此外還要求含有我國自主知識產(chǎn)權(quán)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(xué)習(xí)發(fā)達(dá)國家技術(shù)基礎(chǔ)上，自主設(shè)計(jì)重量輕的變直徑、變剛度螺旋彈簧。當(dāng)一汽了解到我們在鐵路貨車上的緩沖器用Φ32 mm彈簧，試驗(yàn)剪切應(yīng)力1 000 MPa，疲勞壽命大達(dá)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(dāng)時(shí)簽約的技術(shù)要求是：螺旋簧材料最大直徑為Ф36 mm，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)變直徑、變剛度；疲勞試驗(yàn)最大剪應(yīng)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(dá)轎車上應(yīng)用的小直徑螺旋簧疲勞試驗(yàn)應(yīng)力還高。在試驗(yàn)獲得一定成效后，一汽搶先申請并獲得授權(quán)“變剛度螺旋彈簧”實(shí)用新型專利(專利號200820071562.5)。專利權(quán)利要求書第一條首句就強(qiáng)調(diào)“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(qiáng)度與韌塑性為基礎(chǔ)。由于設(shè)計(jì)應(yīng)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(jìn)口價(jià)格昂貴，國產(chǎn)50CrVA等彈簧鋼淬透性達(dá)不到技術(shù)要求，采用專利鋼制成的Φ75 mm穩(wěn)定桿已大批生產(chǎn)應(yīng)用。

1.6.1.4 重大工程建筑用彈簧

北京交通大學(xué)徐國彬教授發(fā)明的“萬向承載、萬向轉(zhuǎn)動(dòng)、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(guān)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(shè)計(jì)者王軍在重大建筑工程上運(yùn)用了強(qiáng)韌性、淬透性高的38SiMnVBE鋼制作彈簧。鋼材訂貨要求是抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(yùn)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(yùn)中心、河南藝術(shù)中心等重點(diǎn)工程中應(yīng)用，整個(gè)支座將地震作用力減少20倍，與這些建筑設(shè)計(jì)者其他抗振、減振技術(shù)等一起有效地保護(hù)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(yàn)、應(yīng)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(xué)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(shù)專利化、專利標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)全球化是國內(nèi)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(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)，廣受用戶歡迎的上述技術(shù)數(shù)據(jù)平臺在第二次修訂的GB/T 3077合金結(jié)構(gòu)鋼專家討論會上一致同意全部數(shù)據(jù)都列入該標(biāo)準(zhǔn)的附錄中。在我國這個(gè)鋼號最多、應(yīng)用最廣的基礎(chǔ)鋼標(biāo)準(zhǔn)上，實(shí)現(xiàn)我國鋼國標(biāo)的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新。該標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目原應(yīng)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(shù)數(shù)據(jù)，需要一定時(shí)間才能完備，標(biāo)準(zhǔn)的最終定稿及批準(zhǔn)發(fā)布有所推遲。

表5 貴重合金鋼鋼號的力學(xué)性能

表6 表5中材料對應(yīng)的38SiMnVBE鋼熱處理后力學(xué)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(jié)構(gòu)工程建設(shè)的領(lǐng)導(dǎo)、專家、教授、設(shè)計(jì)者、制造者、承擔(dān)工程建設(shè)者學(xué)習(xí)、交流，研究、探討如何為橋梁、結(jié)構(gòu)工程建設(shè)安全、創(chuàng)新、發(fā)展更好地服務(wù)。文中不當(dāng)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(jī)械工業(yè)出版社，2003.