高层建筑用Q420GJC钢的研制及应用

张开广，童明伟，陈颜堂，范巍，郑静

（武汉钢铁（集团）公司研究院，湖北武汉 430080）

生产技术

高层建筑用Q420GJC钢的研制及应用

张开广，童明伟，陈颜堂，范巍，郑静

（武汉钢铁（集团）公司研究院，湖北武汉 430080）

利用Nb、Ti等元素微合金化，配合控轧控冷工艺，开发了低屈强比、高强度Q420GJC钢。对其工业性试制钢板进行了拉伸、冲击、组织结构检验及焊接性能试验，结果显示，研制的钢种组织为铁素体+珠光体且铁素体比例占50%以上，具有优良的综合性能，屈强比≤0.81，Rm≥560 MPa，满足高层建筑用钢技术要求，已成功实现工程应用。

高层建筑用钢；Q420GJC；性能；金相组织；屈强比

1 前言

高层钢结构建筑的快速发展，对用于制作柱、梁等结构件的钢板在强度、屈强比等方面均提出了新的要求。一方面，使用高强度钢种可以完善结构用钢强度等级，避免因钢材厚度过大而在后续加工、焊接过程中产生质量问题，同时也可以减轻结构重量，降低建造成本，减少钢材浪费，提高结构的可靠性［1］。另一方面，使用抗震性能优良（即低屈强比）钢材，可减少因地震等因素对结构造成的损坏，延长人员疏散时间，减少生命财产损失，增加建筑物安全使用性能。

现行GB/T 19879《建筑结构用钢板》国家标准当中，Q420GJ系列钢由于具有强度高、韧性好、屈强比低等特点，常被用于高层、超高层、大跨度等钢结构建筑。同时，由万科筹建的“张之洞与近代工业博物馆”工程也提出了Q420GJC的用钢需求。

因此，为适应国内建筑钢结构行业的发展形势，结合用户需求，开展了Q420GJC钢相关研制工作，并完成钢种试制及批量供货，取得了显著的社会经济效益。

2 Q420GJC钢试制开发

GB/T 19879《建筑结构用钢板》标准中Q420GJC钢板力学性能要求见表1。

表1 Q420GJC钢板力学性能要求

Q420GJC钢的设计基于以下原则：

1）采用Nb、Ti等微合金元素依厚度分档设计化学成分，在获得足够强度的同时降低碳当量，提高钢材的焊接性能。2）充分降低S、P和夹杂含量，提高钢的纯净度，确保钢板具有优良的抗层状撕裂性能。3）采用合理的控轧控冷工艺，使材料获得理想的软硬相组织结构配比，保证钢板强韧性匹配的同时具备较低的屈强比。

基于上述原则，设计的钢种化学成分见表2。

表2 设计的Q420GJC钢化学成分（质量分数）%

Q420GJC钢生产工艺流程为：铁水→铁水脱硫→转炉吹炼→钢包炉（必要时）→真空处理→连铸→轧制→冷却→正火热处理（必要时）→精整→检验→探伤（必要时）→入库→发货。

钢种冶炼采用深脱硫处理，控制S含量0.003%以下。真空处理循环15 min以上并进行合金化及成分微调。铸坯均热段加热温度（1 230±30）℃，根据成品厚度分档控制钢板终轧温度，轧制后浇水冷却，必要时进行正火处理。

3 试制结果及分析

为评定Q420GJC工业性试制钢板综合性能，选取24 mm、40 mm两种厚度钢板进行常规拉伸、系列温度冲击、厚度方向拉伸性能、焊接性能试验及组织结构检验。

3.1 拉伸性能试验

钢板拉伸性能试验结果如表3所示。

表3 Q420GJC钢工业性试板拉伸试验结果

从表3可见，1）与技术条件相比，24 mm钢板各方向强度富裕量均超过60 MPa，40 mm钢板不同方向、不同部位均有30 MPa以上的强度富裕量；2）钢板t/4部位的强度略高于t/2，存在一定的板厚效应；3）钢板断后伸长率均在29.0%以上，塑性优良；4）屈强比不高于0.81，明显低于技术条件以及GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》要求（屈强比≯0.85）。

3.2 系列温度冲击试验

钢板系列温度纵向冲击功（均值）变化如图1、图2所示。

图240 mm厚钢板冲击功变化情况

随温度的降低，钢板各部位冲击功均呈下降趋势。24 mm钢板-80℃时冲击功均值仍约100 J（图1），表现出良好的低温韧性。在-20～20℃范围内，随温度的降低，40 mm钢板表层、t/4部位冲击功较为稳定且均保持在较高的水平；-20℃以下时，随温度的降低，钢板冲击功（含t/2部位）有较大幅度的降低，但-60℃时钢板t/4部位冲击功仍约60 J，明显高于技术条件0℃不低于47 J的要求。表明Q420GJC钢冲击韧性优良。此外，由50%冲击功平台确定的钢板纵向t/4部位韧脆转变温度均低于-40℃。

3.3 厚度方向拉伸性能

对40 mm厚度的Q420GJC钢板，按照GB/T 5313《厚度方向性能钢板》标准将其加工成d0=10 mm，标距L0≥1.5d0的圆柱形Z向拉伸试样进行试验，钢板的Z向收缩率为：55.5%，41.5%，53.0%，46.5%，44.5%，42.5%。与GB/T 5313标准中Z向钢最高级别Z35（ZZ≥35%）的要求相比，Q420GJC钢板的Z向断面收缩率均在40%以上，显示了该钢具有良好的抗层状撕裂性能。

3.4 焊接性能

对40 mm厚度的Q420GJC钢进行了埋弧、手工两种方式的焊接试验。试验采用不对称X形坡口，两块钢板试样横向对接焊，焊接材料及焊接工艺参数见表4，焊接接头力学性能见表5。

表4 40mm厚Q420GJC钢板焊接工艺参数

表5 钢板焊接接头力学性能

40 mm厚Q420GJC钢板经埋弧、手工焊接后，拉伸试验均在母材部位断裂，强度符合技术条件要求，满足与母材等强匹配的要求。此外，接头各区冲击性能均符合要求。

3.5 微观组织

取24 mm、40 mm厚度Q420GJC钢t/4部位金相试样进行组织、晶粒度检验，结果如图3所示。

图3 试验钢板金相组织

钢材的屈服行为受其组织类型、晶粒尺寸、各相的体积分数、形态及位错密度等因素影响［2］，为了获取较理想的屈服强度及屈强比，关键就在于如何控制其组织结构的各特性参数。材料的组织结构可以通过调整其化学成分、合理的轧制工艺、热处理工艺等方式来获得。对以铁素体组织为基体的钢板而言，细化晶粒可同时提高屈服强度和韧性，但其屈强比也随之增大。如果控制合理的终轧温度并适当喷水快冷，则可以提升钢板过冷度，阻止铁素体晶粒长大及珠光体组织粗化，使铁素体组织总含量占到全部组织的50%以上，这种相对软相和硬相的合理比例及分布将使材料获得理想的使用性能［2］。从Q420GJC钢组织检验结果可以看出，各厚度钢板组织均为铁素体+珠光体，而且其铁素体相均占到50%以上，这种强弱相匹配的双相组织结构使Q420GJC钢在获得较好的强韧性匹配的同时，具备了较低的屈强比。

此外，对24 mm厚度Q420GJC钢板取t/4部位薄膜试样，对40 mm厚度Q420GJC钢板取表层、t/4、t/2部位薄膜试样，使用JEM2100F型透射电镜进行析出物观察，结果见图4、图5。

图4 24mm厚钢板析出物形貌及能谱（t/4部位）

图5 40mm钢板析出物形貌及能谱

24 mm厚度Q420GJC钢板t/4部位透射电镜下可见弥散分布的细小NbC、Nb（C，N）第二相质点，形态多为不规则状或椭球状分布，尺寸主要为20～50 nm。40 mm厚度Q420GJC钢板表层析出相主要为10～80 nm的不规则形或球形颗粒，其成分主要为Ti+Nb+微量V（见图5a）；t/4部位析出相尺寸及成分与表层相似（见图5b）；t/2部位析出相尺寸为15～80 nm（见图5c），主要成分与表层相近。

钢中的微小第二相粒子析出及分布状态是决定钢是否具有优良强韧性的关键。在钢中添加Nb、Ti元素，由于其与N、C有极强的亲合力，可形成稳定的碳氮化物。尤其是Nb元素，在热形变时可以显著抑制低碳奥氏体的再结晶，提高原始奥氏体晶粒粗化温度，同时在轧制过程中的奥氏体再结晶温度区域内，Nb的碳氮化合物周围有大量位错堆积，形成累积位错，可以作为奥氏体再结晶晶粒的形核核心，促使铁素体晶粒细化。而在非再结晶温度范围内，弥散分布的Nb的碳氮化合物可以有效钉扎奥氏体晶界，阻止奥氏体晶粒进一步长大，从而细化铁素体晶粒。而Ti的氮化物也能有效钉扎奥氏体晶界，有助于控制奥氏体晶粒的长大，并改善焊接热影响区的低温韧性。

在对Q420GJC钢试样的观察中，发现大量弥散分布的细小复合第二相质点，多呈球状或椭球状分布，尺寸主要为10～80 nm。这种细小第二相质点在钢中的析出，可以阻止奥氏体晶界的迁移，从而使该钢得到细铁素体晶粒，提高钢的韧性。此外，弥散分布的第二相质点可对位错运动起到一定的钉扎作用，从而提高了钢的变形抗力和强度。

4 工程应用

Q420GJC钢已成功应用于由万科筹建的武汉市地标性建筑“张之洞与近代工业博物馆”项目。该项目用Q420GJC钢1 000余t，交货状态为热轧态、正火态。经钢结构制作方使用显示，该系列钢具有高强度、高韧性、优良的抗震性（低屈强比）和抗层状撕裂性能以及优异的焊接性能，钢质纯净度高，性能稳定性好，板厚效应小，完全满足项目设计技术及制造要求。

［1］孙邦明，杨才富.高层建筑用钢的发展［J］.宽厚板，2001，7（3）：1-6.

［2］卜勇，陈晓，童明伟，等.高韧性抗震建筑用钢的研究及应用［C］//中国钢结构协会.2006全国钢结构学术年会论文集，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

张开广，男，1979年生，2002年毕业于重庆大学材料科学与工程专业。现为武汉钢铁（集团）公司研究院工程师，从事建筑结构钢的研制与开发工作。