“在发达国家，耐候钢已被逐渐当作一种普通钢种来广泛使用，应用体系已日趋完善，而我国扩大耐候钢的应用也是必然的趋势。”4月28日，在2016高性能桥梁钢在桥梁建设中的应用与发展技术交流会上，中国工程院院士柯伟介绍了耐候钢的发展情况与研究现状。

柯伟指出，腐蚀会消耗大量的资源，并导致自然环境污染和生态环境破坏，其中基础设施的腐蚀占有相当大的份额。为了解决钢在大气中容易腐蚀的问题，人们研制开发了耐候钢。据了解，钢的腐蚀是一个普遍而严重的问题，其中大气腐蚀造成的损失约占全部腐蚀损失的一半，给国民经济带来了巨大损失，更不符合我国绿色发展的理念。目前，全世界每年因钢结构腐蚀造成的经济损失已高达数千亿美元以上。有统计表明，我国每年因大气腐蚀而损耗的钢铁达到500多万吨。鉴于目前我国耐候钢在研究与市场推广方面与国外形成的较大差距，在当下开发耐候钢对于延长钢材寿命、节约钢材、改善钢铁企业的产品结构和基础设施用钢结构意义重大。柯伟强调，加强调查研究是扩大使用耐候钢应用的前提。

国外耐候钢研究波折前行

耐候钢是指添加少量合金元素(如Cu、P、Cr、Ni、Mn、Mo、Al、V、Ti、RE等)，使其耐大气腐蚀性能获得明显改善的低合金钢。它的表面能形成保护性锈层，有效阻滞腐蚀介质的渗入和传输，往往使用时间愈长，其耐候的作用愈突出。

柯伟介绍，1900年，人们已经开始关注不同合金元素对钢材耐大气腐蚀能力的作用，一种铜钢已在市场上出现。1916年ASTM（美国材料与试验协会）对260种试验钢在不同地带开展了大气曝晒试验。1920年，美国钢铁公司（USS）进行更大规模的曝晒试验表明，含适量Cu、P、Ni、Cr元素的低合金钢具有优良的耐大气腐蚀性能。1933年，美国钢铁公司研制了高P、Cu+Cr、Ni的CortenA系列和以Cr、Mn、Cu合金化为主的CortenB系列耐候钢，其耐腐蚀性能为碳钢的4~8倍。

耐候钢通常分成两类：对焊接性能要求不高的耐候钢和焊接结构用耐候钢。对焊接性能要求不高的耐候钢以Cu、P（0.07%~0.15%）系为主，屈服强度一般在345兆帕以下，板厚一般不超过16毫米，如美国的ASTM A242系列和日本JIS中的SPA系列。焊接结构用耐候钢以Cr-Ni系为主，含P量在0.04%以下，如美国的ASTM A588和A514系列、日本的JIS SMA系列。1964年，美国开始用裸耐候钢建设公路桥，1968年制定了A588标准，1977年建成世界最大跨度上承式耐候钢拱桥，1983建成耐候钢斜拉桥。 “这些使用耐候钢建造的桥梁大多数运行良好，但也出现过一些问题。因此，1988年，密歇根州禁止在全州范围裸用耐候钢建桥。之后的1989年，联邦公路局制定了无涂装耐候钢结构设计指南。”柯伟表示。1974年，ASTM A709中出现了70W和100W等高强度耐候桥梁钢，但是，这些钢中碳含量较高（≥0.12%），对焊接工艺要求也高。1997年，ASTM A709系列中出现了HPS70W钢，近期HPS100W钢也将被纳入标准。这些钢中的碳含量比70W和100W有了一定程度的降低，焊接性能也有所改善。1955年，日本开始从美国引进耐候钢的专利，并于1967年已经开始将耐候钢用于桥梁建设。1968年、1971年，日本分别制定了焊接结构和高耐大气腐蚀热轧结构钢标准。据统计，1978年日本的耐候钢产量为15万吨，其中35%用于桥梁。1983年，日本修订了《JIS G3114焊接用耐候性热轧结构钢》标准，1985年制定了无涂装耐候性桥梁设计施工要领。

“根据日本建设省土木研究所推算，60年后普通钢桥的费用为耐候钢桥费用的1.5倍，100年后将在2倍以上。”柯伟补充说，在耐候钢研究初期，技术人员主要研究低合金化对于抗大气腐蚀的影响，进行新钢种开发，累计工程数据，开展应用调查；上世纪60年代以后，开始注重环境因素对耐候钢表面腐蚀产物的影响，并阐明了耐候钢抗大气腐蚀机理；上世纪90年代至今，很多研究者将目光转向低成本、高强度、耐蚀性能更高的新型高性能耐候钢开发，并且取得了一定成果。

我国耐候钢研究特点明显

“我国耐候钢的开发虽然较晚，但也有相当长的历史。1960年前后，武钢首先在国内进行了含铜耐候钢的研究和开发工作，1965年已开始在全国推广，1967年首次用于铁路车辆，1978年~1985年试制客货车辆，1990年起新车已全部采用耐候钢。统计资料表明，虽然车辆成本增加20%~30%，但寿命约延长1倍” 。我国开发耐候钢种的主要特点是：钢中不含Ni、Cr，以添加Cu或者P，或者Cu+P为主，并结合了我国丰富的V、Ti、Nb、Al、RE资源。

在我国桥梁用钢研究初期，耐蚀性并非最优先的考量因素。过去，因为追求大跨度，高强度、低屈强比、低温韧性、可焊性和厚板均一性是桥梁钢获得应用的必要条件。而近年来，耐候钢的经济性、桥梁美学和疲劳性能日渐受到重视。

而现在，高强度耐候桥梁钢的发展与现代冶炼、轧制技术和装备的发展密切相关：采用高纯净化的冶炼和浇注，尽量减少成分偏析；采用低碳（0.07%~0.11%）TMCP（控制加热温度并实施冷却）控轧控冷工艺；不用调质处理，钢板愈厚其焊接敏感性系数愈高，在焊接时需要预热；在采用大线能量焊接时，还存在韧性降低的问题。微观组织为超低碳（小于0.05%）贝氏体或针状铁素体，具有高强度、高韧性和可焊接性，组织均匀，微区间电极电位差较小，增强了耐蚀能力。添加Cu、P、Cr、Ni等合金元素改善钝化性能和锈层结构，可以提高耐候性。同时，在低成本耐候钢研究与开发过程中，可利用合金元素Mn、Cu间协同作用发展低成本耐候钢，进行低成本Mn-Cu合金型耐候钢的组织控制，对传统铜磷耐候钢的进行性能改进，并发挥RE的作用。Mn-Cu耐候钢的海岸大气腐蚀试验结果表明：随暴露时间延长，锰铜低合金钢的腐蚀量明显小于低碳钢、16Mn钢和普通含铜钢。鹰潭大桥江面腐蚀试验结果是随暴露时间延长，锰铜低合金钢的腐蚀量普遍大于低碳钢。以上研究说明，Mn、Cu作为合金元素符合降低成本、节约资源的需要。Mn、Cu具有协同改善锈层性能的作用。但是，海岸和工业酸雨大气化学环境的差异会造成Mn-Cu耐候钢耐蚀性能的差异。

耐候桥梁钢应用需多方面考虑

“我国已经具备规模化应用高性能耐候桥梁钢的技术基础。在桥梁建设中，只要运用适当，耐候钢就能发挥作用。桥梁设计、材料研发、腐蚀控制和配套的国家标准是扩大耐候钢应用的4个重要环节。”柯伟表示，近期内，铁路桥梁用钢的抗拉强度级别应在500兆帕~800兆帕，且要求低屈强比、厚板无预热焊接、优良的低温抗冲击性能，以及钢材的抗疲劳性能。

柯伟认为，是否注意耐候钢桥梁设计的特点细节，可能是成败的关键，这方面已有相当成熟的经验可以借鉴。其中包括：在设计阶段考虑对锈蚀层的折减计算；带锈钢材疲劳性能的评价，建造无伸缩缝钢桥；在耐候钢构件上局部采用涂层保护；简化耐候钢构件的设计和装配，注意防止局部腐蚀和缝隙腐蚀；对各类污染环境设定临界标准，等等。

柯伟建议，应从经济、技术创新和美学等多角度来看高性能桥梁。同时，还要普及公众对耐候性的认知程度，深入对钢材耐候性规律和应用特点了解，加强调查研究是扩大使用耐候钢应用的前提；对耐候钢的使用做持续追踪调查，按安全寿命周期的理念详细进行经济分析。此外，正确的国家战略、政策和腐蚀管理对扩大耐候钢应用十分重要。

--本文摘自特殊钢技术