摘要日本JFE公司应用先进的TMCP工艺开发出高性能H型钢。
日本钢铁工程控股公司（以下简称JFE）应用先进的热机械控制工艺（TMCP）开发出高性能H型钢。为了生产高强度高韧性H型钢，通过合理的合金设计、理想的热轧条件和热轧后加速冷却来获得细化的贝氏体显微组织至关重要。JFE近期开发了高性能H型钢，如具有优良韧性、焊接性能和抗震性能，用于高层建筑物的520MPa级（抗拉强度）H型钢，以及低温韧性优良的490MPa级H型钢。在特定的热轧条件下实现显微组织细化的合金设计和型钢加速快冷设施，是开发高性能H型钢的关键因素。
市场需要H型钢专用的TMCP
TMCP就是在热轧过程中，在控制加热温度、轧制温度和压下量的基础上，再实施空冷、控制冷却和加速冷却的技术总称。
一方面，近年来钢结构向高层、大型和更大跨度发展，因此要求H型钢向更大规格尺寸发展。为适应这一市场需求，JFE开发并生产了大型的定外形尺寸的H型钢（以下简称SHH型钢），其腹板高度达到1000毫米。另一方面，为了使建筑物的设计更加高效节能，须要尽量减轻钢结构的厚度和重量，这对钢构件的设计强度提出了更高的要求。
强烈地震会严重破坏钢结构的梁端连接部。因此，需要具有低屈强比、高韧性（包括焊接部分）和优良焊接性能的高品质钢。
厚钢板用于箱形柱、其他柱体以及作为结构性柱体的钢管，这类钢板可采用TMCP生产，利用热轧工艺和加速冷却技术的进步开发出高强度、高性能钢板。TMCP也是实现高强度H型钢生产的有效技术。但是，由于H型钢的复杂形状和各种规格是在热轧过程中成型的，必须设计出不同于钢板TMCP技术的专用于H型钢轧制的TMCP技术。
TMCP技术在H型钢的创新
H型钢轧制特点和奥氏体再结晶行为。在H型钢轧制工艺中，为了保证孔型轧制和万能轧制过程中的成型性，材料被加热到1250℃或更高的温度，高于板材轧制的加热温度。在这一高温下，奥氏体晶粒会快速长大。而且，在H型钢热轧工艺中，每个道次的压下量和总压缩比均小于钢板轧制。因此，为了保证延性和韧性，热轧过程中初期奥氏体晶粒尺寸的充分细化变得尤为重要。
含铌钢则表现为由奥氏体细晶和粗晶共同组成的混合显微组织，这是因为奥氏体的再结晶行为受到铌的抑制。如果此时进行加速冷却，将形成贝氏体粗晶，会降低材料的延性和韧性。通过分散于钢中稳定的精细析出物来抑制奥氏体晶粒生长，是促使奥氏体进一步细化的有效途径。
适用于H型钢轧制的TMCP技术。为了促进初始奥氏体晶粒的细化和热轧过程中奥氏体相的再结晶，有必要设计合适的化学成分。虽然铌是TMCP钢中有用的元素，但生产H型钢时必须审慎地选择铌的添加量和轧制程序。在热轧中，首先要保证高温区的压缩量，以确保初始奥氏体粗晶的充分再结晶，随后进行快速冷却，可生产出高强度、高延性和高韧性的优质H型钢。
为了研究传统控制轧制钢和TMCP钢的强度和韧性，JFE在实验室中模拟了H型钢轧制过程。TMCP钢的显微组织与传统控制轧制钢的比较显示：传统控制轧制钢的显微组织是铁素体+珠光体组织，而TMCP钢的显微组织是精细的贝氏体组织。虽然在强度方面TMCP钢与传统控制轧制钢处于同一水平，但TMCP钢具有更好的韧性。
低屈强比H型钢综合性能良好
化学成分和生产条件。低屈强比SM520级SHH型钢的典型化学成分见表1，它与通用的430MPa级（抗拉强度）钢具相同的含碳量和碳当量。其生产工艺是：在1250℃以上的温度保温后，在高温下进行热轧（综合考虑压下率和轧制温度），再用型钢加速冷却装置（Super-OLACS）进行快速冷却。JFE所生产的该钢种为：H900毫米×400毫米×19毫米×40毫米和H1000毫米×400毫米×16毫米×32毫米定外型尺寸H型钢。
表1 SHH型钢的典型化学成分（质量%）
元素
C
Si
Mn
P
S
Ti等
碳当量
含量
0.17
0.33
1.28
0.020
0.003
—
0.40
材料性能。翼缘厚度为40毫米的该H型钢在翼缘1/6宽~1/4宽的部位的微观组织为微细的贝氏体组织。抗拉试验结果和夏比冲击试验结果显示：该H型钢翼缘1/6部、倒角部和腹部都获得了满足标准的高强度，屈服比低于80%；夏比冲击吸收功为200焦以上，说明新开发的H型钢的母材具有良好的强度和韧性。
该H型钢采用CO2气体保护焊，在预热温度5℃、湿度60%的环境下，根据JIS Z3158标准进行了y坡形焊接裂纹试验，结果显示：在预热温度5℃的环境下，没有焊接裂纹，显示了良好的焊接性能。根据JIS Z3101标准进行的短焊道焊接的热影响区最高硬度试验表明：在焊接长度超过20毫米时，焊接热影响区的最高硬度小于HV350，具有能满足日本建筑施工标准（JASS6）的良好焊接性能。
JFE采用CO2气体保护焊对翼缘厚40毫米的该H型钢进行多层堆焊，以检查了其焊接头性能。焊接材料采用MG-56级（直径1.2毫米），实验条件为无预热、道次间最高温度小于250℃，进行9层16道次的焊接，焊接的输入热量为3千焦/毫米。焊接头的试验结果显示：焊接部没有发现熔合不良、裂纹等有害焊接缺陷。同时，断裂强度大于550兆帕，且断裂发生在母材上的现象说明，该H型钢具有良好的焊接接头强度。此外，焊接接头夏比冲击试验结果显示：焊接金属、熔合线和焊接热影响区均有100焦以上的良好夏比吸收能值。
目前，低屈服比SM520级（抗拉强度）SHH型钢已经应用于日本国内的高层建筑物。
寒冷环境使用的低温韧性H型钢
化学成分和生产工艺。SM490Y级（抗拉强度）H型钢的典型化学成分见表2。为满足包括焊接部在内的低温韧性，JFE应用热影响区高韧性化技术（JFEEWEL）对其进行了成分设计。应用先进型TMCP工艺，JFE制造出最大尺寸为H918毫米×303毫米×19毫米×37毫米和最大翼缘厚度为H900毫米×400毫米×19毫米×40毫米的SHH型钢，并将之与添加了Nb、V和Ni等微合金元素的传统H型钢（翼缘厚为24毫米）进行了比较。
表2 SM490Y级H型钢的典型化学成分（质量%）
C
Si
Mn
P
S
其他
传统控轧条件
0.15
0.35
1.45
0.015
0.005
Ni、Nb、V
TMCP条件
0.13
0.27
1.56
0.017
0.003
TiN处理
材料性能。传统H型钢和TMCP钢的强度和韧性试验结果显示：尽管TMCP钢的翼缘厚度大，还是获得了SM490Y级（抗拉强度）的高强度，且-40℃下的夏比冲击功达到200焦以上，具有低温韧脆转变温度低于-50℃的优良低温韧性。
JFE使用YGW-23级（直径1.2毫米）焊接材料，采用MAG焊接（熔化极活性气体保护电弧焊，保护气体为80%Ar+20%CO2）对该H型钢进行了7层13道次的焊接，最大焊接输入热量为3千焦/毫米，道次间温度低于350℃。最终的焊接头试验结果说明：熔合线、焊接热影响区在-40℃低温下均得到大于200焦的高夏比吸收功值，该H型钢（包括焊接部）具有优良的低温韧性。