科普！镍对提高钢材强度和耐腐蚀性有何关键作用？

2022-06-10 15:23:30 作者：材料基来源：材料基分享至：

镍的优势

镍具有一定的强度、良好的延展性。不锈钢中添加镍，可以增强钢材的耐腐蚀性，可实现强韧、可延展和坚固的焊接，进而确保不锈钢可用于坚固耐用的结构中。类似结构包括由 Renzo Piano设计的意大利新圣乔治大桥。新桥是在旧桥发生灾难性倒塌后建造的。钢筋是确保桥梁耐用性的关键环节。通过采用不锈钢加固，确保新桥机械强度和耐腐蚀性。

新圣乔治大桥

2018年8月，热那亚莫兰迪桥倒塌。之后的一份独立报告指出，维护不善以及桥梁设计和建造存在缺陷是造成致命事故的可能原因。其中一座桥塔南侧斜拉索顶部的缆索腐蚀被认为是主要原因。此外，据说定期检查不足导致检修人员对缆索的实际退化状态缺乏足够的了解。

自莫兰迪桥事故以来，人们不断增强对桥梁设计的坚固性和耐用性的认识。热那亚的新圣乔治大桥（新桥，见图1）由Renzo Piano设计，并于2020年落成。与原桥的斜拉设计不同，新桥采用不锈钢钢筋，既保证了机械强度，又保证了耐腐蚀性。

在设计阶段，最关键的区域都选用的是不锈钢材料。例如，人行天桥区域选用的是不锈钢钢筋，且放置在靠近桥面核心的钢筋旁边。碳钢和不锈钢相互接触，用混凝土浇筑后就不会增加碳钢腐蚀的风险。

在需要的地方加固

不锈钢可防止经常暴露于大气介质的结构部件发生腐蚀、开裂或剥落。事实上，在非常恶劣的环境条件下，例如海洋和港口结构，使用具有正确特性的材料非常有必要。在不使用不锈钢的情况下，外部因素会引发碳钢钢筋腐蚀，导致其体积增大，混凝土也会随着时间的推移而开裂，结构进一步恶化。

在混凝土覆盖层较薄且更容易受到腐蚀的结构部分，将不同直径的304L（UNS S30403）/1.4307不锈钢钢筋放置在混凝土结构的外表面。如果不存在暴露问题（例如在大部分混凝土中），碳钢钢筋还可确保混凝土的结构完整性。

长期价值

圣乔治大桥采用 9000吨碳钢钢筋，另外还使用了250 吨不锈钢钢筋，使用比例仅3%，对于暴露于腐蚀条件下的钢筋混凝土项目，通常采用1%-5%的使用比例是比较典型的做法，遵循该比率原则也有利于降低基础设施项目的总成本。

在应对恶劣海洋环境的挑战时，不锈钢可以显著节省桥梁的整体维护成本，从长远来看，被证明是最经济的解决方案。不锈钢在海洋环境中还具备其他重要优势，如卓越的机械强度、高延展性和地震时出色的能量吸收能力。

关键连接点

坚固螺栓的优点

因过载、疲劳或腐蚀引起的螺栓失效可能会造成非常大的损失，特别是在维修时因螺栓导致必须停止关键操作的时候。

紧固件可由多种合金钢制成。因此，为避免失效，需确保选择的钢材是正确的，对应用细节有一定的了解是非常重要的。除了要承载的负荷外，要考虑的问题还包括连接的可及性、环境（温度、水暴露、腐蚀性）和被连接的材料。可复用性和安装过程也是重要的考虑因素。为保证使用寿命期间不发生故障，并将生命周期成本维持在较低水平，必须考虑选择正确的钢种和性能。

在要求苛刻的应用中至关重要

不锈钢紧固件广泛用于水处理、风能、化工、船舶以及海底设备等要求苛刻的工业领域，而在这些领域中，碳钢紧固件是无法满足要求的。有各种牌号和使用条件的不锈钢紧固件可供选择，具有不同的强度、耐腐蚀性以及在高温和低温下运行的能力。连接不锈钢构件时，必须使用不锈钢螺栓，除此之外，不锈钢螺栓还能连接镀锌钢和铝构件。例如，海洋平台上铝制直升机甲板的结构构件也可以由不锈钢螺栓连接。

长期成本优势

尽管不锈钢比碳钢更贵，但在要求苛刻的应用中，因其长寿命、低维护特性而节省下来的成本很容易超过初始成本。例如，在2019年，约有6000个双相和超级双相不锈钢紧固件用于不锈钢桥梁的建造以及英国伦敦在维多利亚时代修建的老旧下水管道内衬的建造。由于项目会造成桥梁不能通行或管道暂停使用等情况以及检修困难的原因，一个具有120年设计寿命的低维护解决方案显得极其重要。此外，结构需要紧凑并能够承载高负荷。镍含量为5%到7%的高强度双相不锈钢螺栓成为人们的必然选择。利用双相不锈钢的高强度，可以缩小连接件的尺寸，节省材料和成本，也因材料处理工作的减少，对健康和安全也有好处。图2所示为葡萄牙波尔图机场使用不锈钢支撑连接顶篷。

寻求有实用价值的新合金

历史证明，新金属合金的研发是一个成本高、效率低且耗时长的试错过程。通常是基于冶金知识制定新的合金成分，并确定成型和热处理工艺，尝试在已有合金的基础上增强材料的性能。需要开展一系列试验，对材料进行熔化、测试，以调试其性能。

大约二十年前，集成计算材料工程（ICME）研发问世，标志着试验从物理实验转向虚拟模拟。Questek Innovations 公司已经用这种方法开发出几种性能增强的含镍合金。对于Ferrium的系列产品，Questek公司研发了一种含镍、高强度、耐腐蚀的钢——Ferrium S53。它是采用 ICME 设计的第一个获得航空航天材料规范（AMS）和金属材料特性开发和标准化（MMPDS）资格的材料，并作为美国空军T-38训练机上的安全关键起落架的材料。Ferrium S53是一种超高强度钢，可用于航空航天结构和通常使用AISI 4340的其他应用。Ferrium S53的机械性能可与这些合金相媲美，但增加了一个耐大气腐蚀的优势，无需使用镉涂层。该公司开发的另一个产品是含镍钢Ferrium C64，它是高性能齿轮钢（如AISI 9310）的替代品（见图3）。这种材料具有超高强度和高断裂韧性，并具有出色的抗疲劳性和耐热性。可用于关键的航空航天和汽车制造，例如旋翼飞机和赛车传动齿轮以及能源领域。