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科普！鎳對(duì)提高鋼材強(qiáng)度和耐腐蝕性有何關(guān)鍵作用？

2022-06-10 15:23:30 作者：材料基來(lái)源：材料基分享至：

鎳的優(yōu)勢(shì)

鎳具有一定的強(qiáng)度、良好的延展性。不銹鋼中添加鎳，可以增強(qiáng)鋼材的耐腐蝕性，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌、可延展和堅(jiān)固的焊接，進(jìn)而確保不銹鋼可用于堅(jiān)固耐用的結(jié)構(gòu)中。類似結(jié)構(gòu)包括由 Renzo Piano設(shè)計(jì)的意大利新圣喬治大橋。新橋是在舊橋發(fā)生災(zāi)難性倒塌后建造的。鋼筋是確保橋梁耐用性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)采用不銹鋼加固，確保新橋機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性。

新圣喬治大橋

2018年8月，熱那亞莫蘭迪橋倒塌。之后的一份獨(dú)立報(bào)告指出，維護(hù)不善以及橋梁設(shè)計(jì)和建造存在缺陷是造成致命事故的可能原因。其中一座橋塔南側(cè)斜拉索頂部的纜索腐蝕被認(rèn)為是主要原因。此外，據(jù)說(shuō)定期檢查不足導(dǎo)致檢修人員對(duì)纜索的實(shí)際退化狀態(tài)缺乏足夠的了解。

自莫蘭迪橋事故以來(lái)，人們不斷增強(qiáng)對(duì)橋梁設(shè)計(jì)的堅(jiān)固性和耐用性的認(rèn)識(shí)。熱那亞的新圣喬治大橋（新橋，見(jiàn)圖1）由Renzo Piano設(shè)計(jì)，并于2020年落成。與原橋的斜拉設(shè)計(jì)不同，新橋采用不銹鋼鋼筋，既保證了機(jī)械強(qiáng)度，又保證了耐腐蝕性。

在設(shè)計(jì)階段，最關(guān)鍵的區(qū)域都選用的是不銹鋼材料。例如，人行天橋區(qū)域選用的是不銹鋼鋼筋，且放置在靠近橋面核心的鋼筋旁邊。碳鋼和不銹鋼相互接觸，用混凝土澆筑后就不會(huì)增加碳鋼腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

在需要的地方加固

不銹鋼可防止經(jīng)常暴露于大氣介質(zhì)的結(jié)構(gòu)部件發(fā)生腐蝕、開裂或剝落。事實(shí)上，在非常惡劣的環(huán)境條件下，例如海洋和港口結(jié)構(gòu)，使用具有正確特性的材料非常有必要。在不使用不銹鋼的情況下，外部因素會(huì)引發(fā)碳鋼鋼筋腐蝕，導(dǎo)致其體積增大，混凝土也會(huì)隨著時(shí)間的推移而開裂，結(jié)構(gòu)進(jìn)一步惡化。

在混凝土覆蓋層較薄且更容易受到腐蝕的結(jié)構(gòu)部分，將不同直徑的304L（UNS S30403）/1.4307不銹鋼鋼筋放置在混凝土結(jié)構(gòu)的外表面。如果不存在暴露問(wèn)題（例如在大部分混凝土中），碳鋼鋼筋還可確保混凝土的結(jié)構(gòu)完整性。

長(zhǎng)期價(jià)值

圣喬治大橋采用 9000噸碳鋼鋼筋，另外還使用了250 噸不銹鋼鋼筋，使用比例僅3%，對(duì)于暴露于腐蝕條件下的鋼筋混凝土項(xiàng)目，通常采用1%-5%的使用比例是比較典型的做法，遵循該比率原則也有利于降低基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的總成本。

在應(yīng)對(duì)惡劣海洋環(huán)境的挑戰(zhàn)時(shí)，不銹鋼可以顯著節(jié)省橋梁的整體維護(hù)成本，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，被證明是最經(jīng)濟(jì)的解決方案。不銹鋼在海洋環(huán)境中還具備其他重要優(yōu)勢(shì)，如卓越的機(jī)械強(qiáng)度、高延展性和地震時(shí)出色的能量吸收能力。

關(guān)鍵連接點(diǎn)

堅(jiān)固螺栓的優(yōu)點(diǎn)

因過(guò)載、疲勞或腐蝕引起的螺栓失效可能會(huì)造成非常大的損失，特別是在維修時(shí)因螺栓導(dǎo)致必須停止關(guān)鍵操作的時(shí)候。

緊固件可由多種合金鋼制成。因此，為避免失效，需確保選擇的鋼材是正確的，對(duì)應(yīng)用細(xì)節(jié)有一定的了解是非常重要的。除了要承載的負(fù)荷外，要考慮的問(wèn)題還包括連接的可及性、環(huán)境（溫度、水暴露、腐蝕性）和被連接的材料。可復(fù)用性和安裝過(guò)程也是重要的考慮因素。為保證使用壽命期間不發(fā)生故障，并將生命周期成本維持在較低水平，必須考慮選擇正確的鋼種和性能。

在要求苛刻的應(yīng)用中至關(guān)重要

不銹鋼緊固件廣泛用于水處理、風(fēng)能、化工、船舶以及海底設(shè)備等要求苛刻的工業(yè)領(lǐng)域，而在這些領(lǐng)域中，碳鋼緊固件是無(wú)法滿足要求的。有各種牌號(hào)和使用條件的不銹鋼緊固件可供選擇，具有不同的強(qiáng)度、耐腐蝕性以及在高溫和低溫下運(yùn)行的能力。連接不銹鋼構(gòu)件時(shí)，必須使用不銹鋼螺栓，除此之外，不銹鋼螺栓還能連接鍍鋅鋼和鋁構(gòu)件。例如，海洋平臺(tái)上鋁制直升機(jī)甲板的結(jié)構(gòu)構(gòu)件也可以由不銹鋼螺栓連接。

長(zhǎng)期成本優(yōu)勢(shì)

盡管不銹鋼比碳鋼更貴，但在要求苛刻的應(yīng)用中，因其長(zhǎng)壽命、低維護(hù)特性而節(jié)省下來(lái)的成本很容易超過(guò)初始成本。例如，在2019年，約有6000個(gè)雙相和超級(jí)雙相不銹鋼緊固件用于不銹鋼橋梁的建造以及英國(guó)倫敦在維多利亞時(shí)代修建的老舊下水管道內(nèi)襯的建造。由于項(xiàng)目會(huì)造成橋梁不能通行或管道暫停使用等情況以及檢修困難的原因，一個(gè)具有120年設(shè)計(jì)壽命的低維護(hù)解決方案顯得極其重要。此外，結(jié)構(gòu)需要緊湊并能夠承載高負(fù)荷。鎳含量為5%到7%的高強(qiáng)度雙相不銹鋼螺栓成為人們的必然選擇。利用雙相不銹鋼的高強(qiáng)度，可以縮小連接件的尺寸，節(jié)省材料和成本，也因材料處理工作的減少，對(duì)健康和安全也有好處。圖2所示為葡萄牙波爾圖機(jī)場(chǎng)使用不銹鋼支撐連接頂篷。

尋求有實(shí)用價(jià)值的新合金

歷史證明，新金屬合金的研發(fā)是一個(gè)成本高、效率低且耗時(shí)長(zhǎng)的試錯(cuò)過(guò)程。通常是基于冶金知識(shí)制定新的合金成分，并確定成型和熱處理工藝，嘗試在已有合金的基礎(chǔ)上增強(qiáng)材料的性能。需要開展一系列試驗(yàn)，對(duì)材料進(jìn)行熔化、測(cè)試，以調(diào)試其性能。

大約二十年前，集成計(jì)算材料工程（ICME）研發(fā)問(wèn)世，標(biāo)志著試驗(yàn)從物理實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向虛擬模擬。Questek Innovations 公司已經(jīng)用這種方法開發(fā)出幾種性能增強(qiáng)的含鎳合金。對(duì)于Ferrium的系列產(chǎn)品，Questek公司研發(fā)了一種含鎳、高強(qiáng)度、耐腐蝕的鋼——Ferrium S53。它是采用 ICME 設(shè)計(jì)的第一個(gè)獲得航空航天材料規(guī)范（AMS）和金屬材料特性開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化（MMPDS）資格的材料，并作為美國(guó) 空軍T-38訓(xùn)練機(jī)上的安全關(guān)鍵起落架的材料。Ferrium S53是一種超高強(qiáng)度鋼，可用于航空航天結(jié)構(gòu)和通常使用AISI 4340的其他應(yīng)用。Ferrium S53的機(jī)械性能可與這些合金相媲美，但增加了一個(gè)耐大氣腐蝕的優(yōu)勢(shì)，無(wú)需使用鎘涂層。該公司開發(fā)的另一個(gè)產(chǎn)品是含鎳鋼Ferrium C64，它是高性能齒輪鋼（如AISI 9310）的替代品（見(jiàn)圖3）。這種材料具有超高強(qiáng)度和高斷裂韌性，并具有出色的抗疲勞性和耐熱性。可用于關(guān)鍵的航空航天和汽車制造，例如旋翼飛機(jī)和賽車傳動(dòng)齒輪以及能源領(lǐng)域。