建筑用钢—特种钢
1. 耐候钢的发展历程 耐候钢是一类耐大气腐蚀的钢材，能在大气环境下数年以后其表面形成稳定、致密、牢 固的钝化层，阻止或延缓材料进一步生锈腐蚀。在非重度污染和非海洋气候条件下，正常大 气环境中耐候钢具有优良的耐蚀性能，采用耐候钢为骨架结构建造的建筑物或构筑物，钢材 表面可以做到到免涂装、免维护，而不影响其正常使用。 耐候钢研发及工程应用起始于上世纪二、三十年代的美国，起初仅用于铁路交通部门， 之后六十年代应用于桥梁建设。1964 年在美国新泽西州建成世界上第一座耐候钢桥梁，而 1974 年建成的“New River Gorge bridge”钢架桥成为耐候钢桥梁应用的经典范例，之后更多 的耐候钢桥梁建成投入使用。这些桥梁已历经数十年甚至半个世纪，仍完好无损正常使用， 足以看出耐候钢在耐大气腐蚀方面的优势。继美国之后，从上世纪开始在欧州、日本等发达 国家，耐候钢被逐渐得到应用，并应用于不同建筑形式，甚至作为一种装饰材料，以其特有 的“巧克力色”广泛应用于外装饰或室外工程，如幕墙、公园装饰、绿地雕塑等。我国对耐 候钢的研究起始于上世纪 60 年代，但应用发展缓慢，80 年代实现工业化生产，之后其的应 用长期局限于铁路车辆和货运集装箱制造，近几年才在建筑领域开始少量应用。其中原因之 一是因为我国钢材生产技术和应用方面的脱节，耐候钢在建筑领域还没有得到广泛的认识； 另一个原因就是我国在建筑规范、标准、法规方面严重滞后，使耐候钢在建筑结构方面的应 用出现瓶颈。当前，随着我国经济改革的深入，在国家大力倡导发展钢结构建筑的大背景下， 耐候钢建筑将迎来崭新的发展时代。 耐候钢结构体系案例：
普通钢工程被大气腐蚀案例：
2. 耐候钢的耐候技术分析及与普通钢结构经济性对比 2.1 普通钢、不锈钢、铝材的腐蚀性
众所周知，普通钢表面暴露在空气中会生锈，生锈的根本原因是空气中的氧气和铁发生 化学反应而出现表面氧化，而且随着时间的推移，锈层会越长越厚，直至材料厚度严重变薄 甚至最终锈穿而不能使用。为了延长使用寿命，不得不在表面涂刷防锈漆。但多年以后漆皮 会脱落，表面又会生锈，再除锈刷漆，周而复始。实际上，任何金属包括不锈钢在内，都会 发生表面氧化，如铝合金表面发乌失去金属光泽即是铝被氧化的结果；镀锌板或纯锌时间长 了金属光泽褪去生成氧化锌；不锈钢表面始终光亮，实际上其表面也生成了极薄且透明的金 属氧化膜。不锈钢、铝、锌合金等能抗腐蚀，其本质是表面生成的金属氧化层能把空气和材 料本体隔离开，阻止氧化层下面的材料进一步被氧化腐蚀。在普通钢表面刷漆，漆皮和这种 氧化膜的作用相同，同样起隔绝空气的作用。所以，如果有一种钢材在在大气环境下，其表 面也能生成像不锈钢、铝合金那样的能隔绝空气防止氧化的保护层就可以不用刷漆而抵抗生 锈腐蚀。这种钢材就是耐大气腐蚀用钢，简称耐候钢。 2.2 耐候钢耐腐蚀性原理 耐候钢，在冶炼过程中通过调整材料配方，在钢中加入铜、磷、铬、镍等元素，就能在 大气环境下数年以后在其表面形成稳定、致密、牢固的锈层，这层稳定性的保护层称为钝化层，与空气中的氧气隔绝，阻止钢材进一步生锈腐蚀。其耐腐蚀能力远远超过普通钢。采用 耐候钢建造的建筑物，钢材表面可不做防腐处理，减少了喷砂（或喷丸）除锈及涂装防锈漆 的工序，节省建设投资、加快建设工期，建筑物投入使用后可达到建筑结构终身免维护。不同金属材料耐大气腐蚀性能比较
| 不锈钢 | 铝合金 | 耐候钢 | 普通钢 |
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| 是否表面氧化 | 是 | 是 | 是 | 是 |
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| 氧化膜成份特征 | 富 Cr | 氧化铝 | 富 Cu、P、Cr、Ni 氧 | 氧化铁 |
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| 化物 |
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| 氧化膜外观 | 极薄透明 | 银白色 | 棕红色 | 棕红色 |
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| 氧化膜致密性 | 致密 | 致密 | 较致密 | 疏松 |
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| 氧化膜稳定性 | 非常稳定 | 非常稳定 | 稳定 | 不稳定 |
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| 氧化膜稳定周期 | 极快，不易察 | 很快，易察觉 | 5-8 年 | 始终不稳定 |
| 觉 |
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| 氧化膜自愈性 | 有 | 有 | 有 | 无 |
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| 大气腐蚀量,mm/ | ≤0.001 | ≤0.001 | 0.0025-0.0165 | 0.05-0.20 |
| 年 |
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耐候钢的耐大气腐蚀能力受不同大气环境的影响，耐蚀能力有所不同，耐候钢不宜在在 严重潮湿、酸雨及盐分含量超高的环境下单独使用。在广大农村、没有重度污染的普通空气 环境下，耐候钢可以充分发挥其优势，表面可免除防腐处理。经过钢铁研究总院技术专家的 多年研究，针对不同大气环境地区，在炼钢过程中调整耐候钢成分设计，以适应不同气候环 境下的耐候性能。 另外，为将耐候钢向钢结构建筑、构筑物及室外工程设施等领域推广，钢铁研究院针对 以上结构体系的施工工艺，开发并生产与其加工安装工艺配套，并发挥同等耐候性能的螺栓 连接件和焊接材料，共同形成完整的抵抗大气腐蚀的结构工艺体系。
不同钢材耐大气腐蚀能力比较 耐候钢在不同大气环境下的耐蚀能力比较
2.3 耐候钢与普通钢的经济性对比
普通钢防腐工艺一般有两种方式，即防锈漆防腐处理和热镀锌防腐处理。工艺及成本分 析如下： 普通钢防腐处理工艺为：先喷丸或喷砂（预处理），然后喷防锈漆（底漆），再喷面漆。 多年后漆面脱落需要再次做除锈和防锈漆维护。普通钢结构生产工艺全套防腐处理费用很高，而工程投入使用后，按照 70 年全寿命周期至少需定期维修防腐处理涂装 4次，结构防腐成本非常高，若涉及高空作业时维护费用还会进一步增加。 热镀锌防腐处理工艺为：型材先酸洗（盐酸），然后清水洗（一般热水），再热镀锌，构 件要求双面镀锌。钢结构镀锌防腐不能和建筑钢结构期望寿命同步，存在很大的局限性。另外，众所周知，传统镀锌生产工艺产生的有害物质易对环境的造成极大破坏，尤其是土法镀锌危害性更大，近年来我国各级政府对镀锌生产工艺的监管力度越来越大，镀锌生产成本也随之增长。 而耐候钢可直接暴露在大气环境中，其表面逐渐形成稳定、致密、牢固的钝化层，阻止 了钢材进一步生锈腐蚀，能够做到免涂装免维护。从工程施工进度上可省去防腐处理工艺的 时间消耗，加快建设工期。同时，减少喷砂粉尘和油漆作业的有毒挥发性物质对人体健康的 伤害以及对大气环境的污染。若按建筑物的 70 年寿命周期计算，耐候钢相对腐蚀量远远不足 1mm，而耐久年限确远远超过镀锌钢和普通钢。生产耐候钢的成本相比普通钢虽然高出约 15%， 但因其免除了钢结构的防腐处理工艺，其综合建设成本会大大降低。而普通钢结构使用过程 中的防腐维护成本虽钢结构的寿命周期会逐渐增加。 综上所述，耐候钢的耐蚀性能，无论在建设期综合成本，还是在全寿命期维护成本方面， 以及加快建设工期方面，耐候钢性能具有绝对优势，是钢结构体系材料应用的一次革命，在 今后钢结构建筑及其他领域发展中具有广阔的应用前景。
2.4 耐候钢的使用要求
2.4.1 使用环境要求：耐候钢适用于无重度污染的大气环境，可用于广大城市和农村、山区等环境。应用范围涵盖了建筑物、构筑物、室外景观等方面，尤其暴露在大气环境中的结 构件，更可充分发挥耐候钢的耐候优势。但应注意：沿海地区使用时，使用地距离海边 的最近距离不低于 10Km；另外耐候钢不适宜用在水中环境；
2.4.1 耐候钢仅体现其优越的耐候性能，在力学性能方面，耐候钢与同等强度级别的普钢完全一致，如与 Q234、Q345、Q390、Q420 等强度级别普钢在受力计算方面一致。耐候钢与普钢的区别是有效提高钢材的耐候性能，而不改变原有的力学性能。同等强度级别的耐候钢和普钢，在力学性能上可等强度代换，不改变材料的结构受力。设计人可完全按照现有的钢结构设计规范设计，而采用等强度的耐候钢材料应用于结构设计体系。
3.2 新型建筑用钢研究开发 长期以来，钢铁研究总院在材料研究、冶金工艺研究及材料工程应用研究方面得到国家 大力支持，同时和大型知名企业签订科研合作项目，取得了丰硕的成果。在系列耐大气腐蚀 用钢、高强度、高韧性工程结构钢、建筑耐火钢研究方面，居国内领先水平。以下是我们近 期开展的针对建筑用钢的研究工作及成果介绍。 (一) 新型高强度建筑钢板 在国家“973”项目支持下，采用 M3 组织调控思想成功研发第三代低合金钢，具有高强 韧性、高塑性及优良焊接性、自适应调整等特点。钢材屈服强度 500～700MPa，0.85 以下低 屈强比、高延伸率、600℃强度大于常温时设计强度 2/3 的水平，可满足建筑钢结构工程高强、 抗震、耐火、耐候等性能要求，同时 12.9S 级高强度建筑螺栓研发取得显著进展，是绿色建 筑高性能材料。 
低合金钢的发展历程 智能经济型抗震耐火钢
(二) 新型屈服强度 600MPa 级高强度耐候结构钢研究 在大幅度降低磷含量，确保低温韧性的前提下，得到耐候性能超过传统耐候钢的新系列 高强度低合金耐候原型钢。 Ø 不同模拟环境下的腐蚀试验实验室模拟环境腐蚀试验表明，新型耐候钢的耐候性能优于传统耐候钢。
(c) (d)
(e) (f)
用三种溶液腐蚀后，新型耐候钢（LCBS）不同试样的拉伸强度随腐蚀试验变化曲线 (a)(b) Cl-NaCl 溶液；(c)(d) S-NaHSO3 溶液；(e)(f) Cl+S-NaCl+NaHSO3 溶液 Ø 耐候钢表面稳定钝化层的形成 腐蚀坑生成后易于横向扩展，相邻腐蚀坑合并，钝化层/基体界面向钢基体一侧推进，在空间、 时间尺度上体现为均匀腐蚀，一般不会形成很深的点蚀，而通过平均腐蚀深度基本可以表征其腐 蚀程度，减少了在实际工程应用中的危险性。
新型耐候钢（LCBS）在海洋大气环境中腐蚀不同时间后的基体表面 (A) 腐蚀 7 天；(B) 腐蚀 28 天 Ø 钝化层保护性的起源以及腐蚀过程中的演化行为 耐候钢在腐蚀初期形成的钝化层都是疏松的（包含大量孔洞），液态水易于渗入，在冰冻 -解冻循环过程中，由于水的液固相变的体积膨胀效应产生的应力使钝化层中产生裂纹。在较 长时间的加速腐蚀后，形成了逐渐密实，液态水不能渗入其中，进一步的冷冻不会对其造成 损伤。致密钝化层不会受到冰冻-解冻循环的影响，这是耐候钢安全使用的保障。随着使用时间延长，钝化层密度提高，钝化层的保护能力随着腐蚀时间的延长而得到加强。
冬季室外（洒水+日晒）试验的钝化层形貌 (a)新型耐候钢 20 天；(b)09CuPCrNiA 钢 20 天；(c)新型耐候钢 60 天；(d) 09CuPCrNiA 钢 60 天 
(a) (b)
随时间延长，钝化层的保护能力提高 (a)钝化层密度（致密性）；(b)开路电位（反映保护能力）变化。Ø 钝化层损伤后的继续腐蚀行为及钝化层与基体的结合问题 钝化层内部由压痕产生的裂纹和原先观测不到的微裂纹都得到扩展。但从未观察到裂纹 沿钢基体/钝化层界面扩展。钝化层/钢基体界面的断裂韧性高于钝化层本身，这使得钝化层 一般不会沿钢基体/钝化层界面彻底脱落
。 
钝化层热震循环试验（注意修改图号） (a)热震前锈层微裂纹；(b)热震循环 10 次后锈层，微裂纹扩展； (c)热震前锈层和基体结合部，无裂纹；(d) 热震循环 10 次后和基体结合部，无裂纹。 Ø 耐候钢基体和钝化层的结合部的稳固性 为什么钝化层/基体界面的断裂韧性高于钝化层本身？利用金相显微镜观察钝化层截面 形貌可以看出，在偏振光条件下钝化层外部呈光亮和暗黑色交替的斑点状，而接近钢基体的 钝化层为暗黑色。由 XRD 结果知，钝化层中存在着由细小的 Fe3O4，γ-Fe2O3 或 α-FeOOH 组成 的非晶相 X 射线无定形锈。在偏振光条件下各向异性晶体结构在特定的角度，晶粒将呈现光 亮色；而对于各向同性非晶相结构，在所有的角度均呈暗黑色，产生消光现象。钝化层接近钢基体的区域是主要由各向同性的非晶相组成，而钝化层外部则是晶态相和非晶相共存。钝 化层中接近钢基体处存在的高含量的非晶相有利于提高钝化层与钢基体的结合性能和抗热震 性能。
耐候钢钝化层/基体界面形貌 (a)普通显微镜观察；(b) 偏振光显微镜观察。 4. S20系列产品及其配套材料 4.1. S20 系列耐候钢Ø 特点： 适用于城市高层住宅楼、办公写字楼、公共建筑、构筑物、农村住宅、别墅式住宅等钢 结构用钢建设，可焊接，耐大气腐蚀，免涂装作业。
Ø 产品规格及截面尺寸允许偏差： 热轧板卷，宽度 1000～1800mm，厚度 2.0～20mm，卷重 25～30 吨，可冷弯加工成各种 规格形式的构件如矩管、方管、冷弯角钢、C 型钢等系列，也可焊接 H 型钢和 T 型钢等规格； 中板，宽度 2000-3800mm，厚度 6.0mm～50mm，长度 8000～12000mm； 板卷和中板尺寸偏差执行 GB/T 709 热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差； 型钢规格执行下列标准，若需特殊截面，需双方协商； GB/T 706-2008 热轧型钢； GB/T 11263-2010 热轧 H 型钢和剖分 T 型钢；
Ø 产品性能：
Ø 热轧耐候钢板和钢带力学及工艺性能
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| 拉伸试验（横向） |
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| 180°弯曲试验（横 |
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| 向） |
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| 屈服强度ReL, MPa |
| 抗拉强 | 屈强比 |
| 断后伸长率A，% |
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| 牌号 |
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| 度 |
| 不小于 |
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| 弯心直径 |
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| ReL/Rm |
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| Rm，MPa |
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| ≤16 | ＞16～50 | ＞50～ | ＞100 | ≤16 | ＞16～ | ＞50～ |
| ＞ | ≤6 |
| ＞6～ |
| ＞16 |
| 不大于 |
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| 100 |
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| 50 | 100 |
| 100 |
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| 16 |
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| S20-235 | ≥ | 235～ |
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| 400～ | 0.80 | 23 | 23 | - |
| - | a |
| 2a |
| 3a |
| 235 | 345 |
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| 510 |
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| S21-235 | ≥ | 235～ | 225 ～ | 215 ～ | 400～ | 0.80 | 23 | 23 | 23 |
| 23 | a |
| 2a |
| 3a |
| 235 | 345 | 335 | 325 | 510 |
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| S20-345 | ≥ | 345～ | - | - | 490～ | 0.80 | 22 | 22 | - |
| - | a |
| 2a |
| 3a |
| 345 | 455 |
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| 610 |
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| S21-345 | ≥ | 345～ | 335～ | 325～ | 490～ | 0.80 | 22 | 22 | 22 |
| 22 | a |
| 2a |
| 3a |
| 345 | 455 | 445 | 435 | 610 |
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| S20-390 | ≥ | 390～ | - | - | 510～ | 0.83 | 20 | 20 | - |
| - | a |
| 2a |
| 3a |
| 390 | 510 |
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| 660 |
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| S21-390 | ≥ | 390～ | 380～ | 370～ | 510～ | 0.83 | 20 | 20 | 20 |
| 20 | a |
| 2a |
| 3a |
| 390 | 510 | 500 | 490 | 660 |
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| S20-420 | ≥ | 420～ | - | - | 530～ | 0.83 | 20 | 20 | - |
| - | a |
| 2a |
| 3a |
| 420 | 550 |
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| 680 |
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| S21-420 | ≥ | 420～ | 410～ | 400～ | 530～ | 0.83 | 20 | 20 | 20 |
| 20 | a |
| 2a |
| 3a |
| 420 | 550 | 540 | 530 | 680 |
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| S20-460 | ≥ | 460～ | - | - | 570～ | 0.83 | 18 | 18 | - |
| - | a |
| 2a |
| 3a |
| 460 | 600 |
|
| 720 |
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| S21-460 | ≥ | 460～ | 450～ | 440～ | 570～ | 0.83 | 18 | 18 | 18 |
| 18 | a |
| 2a |
| 3a |
| 460 | 600 | 590 | 580 | 720 |
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Ø 表 冲击性能（V型缺口纵向冲击试验）
| 质量等级 | 试验温度，℃ |
| 冲击功KV2，J | 备注 |
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| 平均值 |
| 最小值 |
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| A | - | - |
| - |
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| B | 20 | ≥47 |
| ≥33 |
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| C | 0 | ≥47 |
| ≥33 |
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| D | -20 | ≥47 |
| ≥33 |
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| E | -40 | ≥47 |
| ≥33 |
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当钢带和钢板厚度≤6mm，不做冲击试验。冲击试样尺寸随着钢板厚度作出调整，加工余量允许的条件下，尽可能采用较大宽度试样。钢板厚度≥12mm时，试样尺寸为10mm×10mm×55mm；钢板厚度＞8且＜ 12mm时，试样尺寸为7.5mm×10mm×55mm；钢板厚度＞6～8mm时，试样尺寸为5mm×10mm×55mm。其冲击吸收能量规定值应分别不小于表4规定值的100％、75％和50％。 
Ø 耐大气腐蚀性要求
Ø 耐腐蚀性能指数I值≥6.0，根据测算公式计算：
I=26.01(Cu)+3.88(Ni)+1.20(Cr)+1.49(Si)+17.28(P)-7.29(Cu)(Ni)-9.10(Ni)(P)-33.39(Cu)2
焊接性能：满足手工电弧焊，埋弧自动焊、高频电阻焊、气体保护焊要求，配套专用H20 耐候钢焊材。
4.2. S20 系列耐候钢焊接材料
Ø 特点： 适用于城市高层住宅楼、办公写字楼、公共建筑、构筑物、农村住宅、别墅式住宅等钢 结构施工过程中的耐候钢钢结构件的焊接。
Ø 产品牌号和规格：
| 钢材牌号 |
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| 焊材牌号 |
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| 焊条 |
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| 气体保护焊丝 |
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| 埋弧焊丝 |
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| 埋弧焊剂 |
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| S20 |
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| E20 |
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| ER20 |
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| H20 |
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| SJ121 |
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| S20 耐候钢配套焊接材料产品规格执行下列标准，若需特殊要求，需双方协商。 |
| GB/T 5117 |
| 非合金钢及细晶粒钢焊条 |
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| GB/T 12470 |
| 埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂 |
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| GB/T 5293 |
| 埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂 |
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| GB/T 8110 |
| 气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝 |
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| Ø 熔敷金属和焊接接头力学性能： |
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| 焊接 |
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| 拉伸性能 |
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| 冲击性能 |
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| 耐大气腐蚀性能 |
| 牌号 |
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| 屈服强度 |
| 抗拉强度 |
| 断后伸长率 |
| 温度℃ |
| 冲击 |
| 耐腐蚀性 | 暴露试验减薄 |
| 方法 |
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| ReL, MPa |
| Rm，MPa |
| A，% |
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| 功，J |
| 能指数 I | 量 |
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| 手工电弧焊 | E20 |
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| 5 年 |
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| ≤0.090mm； |
| 气体保护焊 | ER20 | ≥390 |
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| ≥490 |
| ≥22 |
| -40 |
| ≥47 |
| ≥6.0 |
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| 70 年估计 |
| 埋弧自动焊 | H20 |
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| ≤0.300mm |
| SJ121 |
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耐腐蚀性指数I值公式：I=26.01(Cu)+3.88(Ni)+1.20(Cr)+1.49(Si)+17.28(P)-7.29(Cu)(Ni)-9.10(Ni)(P)-33.39(Cu)2
Ø 焊接接头弯曲性能 | 焊材牌号 |
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| 弯心直径 |
| 弯曲角度 |
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| mm |
| (°) |
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| E20、 ER20、 H20/SJ121 |
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| 3a |
| 120 |
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| Ø 焊条、气体保护焊丝的抗裂性能 |
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| 焊材牌号 |
| 表面裂纹率 |
| 断面裂纹率 | 根部裂纹率 |
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| % |
| % |
| % |
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| E20、 ER20 |
| 0 |
| 0 |
| 0 |
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4.3. S20 系列耐候钢用螺栓连接副
Ø 特点： 适用于城市高层住宅楼、办公写字楼、公共建筑、构筑物、农村住宅、别墅式住宅等钢 结构建筑施工过程中的耐候钢结构构件连接。
Ø 产品规格：
| B20 耐候钢紧固件产品规格执行下列标准，若需特殊截面，需双方协商 |
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| GB/T 1228 | 钢结构高强度大六角头螺栓 |
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| GB/T 1231 | 钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角头螺母、垫圈技术 |
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| 条件 |
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| GB/T 3098.1 | 紧固件机械性能-螺栓、螺钉和螺柱 |
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| GB/T 5780 | 六角头螺栓（产品等级 A 级、B 级） |
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| GB/T 5782 | 六角头螺栓（产品等级 C 级） |
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| Ø 产品性能： |
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| 性能等级 |
| 拉伸试验 |
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| 冲击试验 | 耐大气腐蚀性能 |
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| Rp0.2, MPa | Rm, MPa | A,% | Z,% | 20-25℃KU2，J | 耐蚀性指数 I | 暴露试验减薄量 |
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| 10.9S | ≥940 | ≥1040～1240 | ≥10 | ≥42 | ≥47 | ≥6.0 | 5 年 |
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| ≤0.090mm； |
| 8.8S | ≥660 | ≥830～1030 | ≥12 | ≥45 | ≥63 |
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| 70 年估计 |
| 6.8 | ≥480 | ≥600～770 | ≥17 |
| ≥63 |
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| ≤0.300mm |
| 5.6 | ≥300 | ≥500 | ≥20 | - | ≥63 |
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| 4.6 | ≥240 | ≥400 | ≥22 | - | ≥63 |
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耐腐蚀性指数I值公式：I=26.01(Cu)+3.88(Ni)+1.20(Cr)+1.49(Si)+17.28(P)-7.29(Cu)(Ni)-9.10(Ni)(P)-33.39(Cu)2 业务联系电话： 010——86202866 18611102269 18510099869
联系人： 王小姐 吕先生
