本文介绍了550MPa级、590MPa级建筑结构用TMCP钢板的设计理念与特性。这两种钢板在大热输入焊接中具有优异的热影响区（HAZ）韧性和焊接性能。该产品充分依托TMCP技术，辅以热影响区组织调控手段，兼顾了焊接热影响区韧性及钢材整体焊接性能。即便在表层板与内隔板板厚比约为0.7的电渣焊（ESW）中，焊接后冷却速率缓慢且对热影响区韧性不利的情况下，仍能保证70J以上的热影响区韧性。

建筑用厚钢板常用于建筑结构中的柱、梁等部件。近年来，随着建筑结构设计条件与施工环境的变化，对厚钢板的性能要求也日益多样化。为实现空间的有效利用，建筑结构多采用高层化且柱间距（跨度）较大的设计。在高层、大跨度的建筑结构中，柱和梁所承受的荷载较大，因此所使用的钢材呈现出高强度化、厚壁化的发展趋势。建筑结构需具备可靠抗震性能以抵御潜在强震，保障整体服役安全。大量震害实例表明，焊接接头极易成为结构断裂的薄弱起始位置，因此对钢板而言，确保安全性所需的焊接热影响区（HAZ）韧性的要求日益提高。此外，从提高焊接施工效率、减少能源消耗的角度出发，要求钢材能够实现无预热焊接。

为响应这些需求，研发了焊接性能及热影响区韧性优异的高强度建筑结构用TMCP钢板。本文重点介绍抗拉强度为550MPa级的KCL A385C-ST和590MPa级的KCL A440C-ST，阐述其设计理念、力学性能及接头特性。

表1列出了成分标准值。为确保焊接性能，采用了降低碳当量（C_eq）和焊接裂纹敏感性指数（P_CM）的成分设计。表2列出了母材特性的标准值。接头特性方面，在BOX柱表层板/内隔板接合部位所采用的电渣焊（ESW）中，要求在试验温度0℃下，热影响区韧性达到70J以上。这是确保高安全性的重要性能要求。

采用钢板加工的箱型柱构件，内部填充混凝土的箱型钢管混凝土（CFT，Concrete-Filled Tube）结构正逐步推广应用。采用CFT结构可提高轴向抗压屈曲承载力，从而实现表层板的薄壁化。其结果是，表层板与内隔板板厚差较大的结构日益增多。板厚差增大时，表层板的热散失会减少。如图1和图2所示，表层板的热影响区（HAZ）会随之扩大。内隔板厚度（t_d）与表层板厚度（t_s）的比值（板厚比：t_s/t_d）越小，表层板的热散失越受限制，焊接后的冷却速率也越慢。根据下村等人的分析结果，当板厚比降至0.7左右时，板厚比越小，冷却速率越慢。

此次钢板的设计目标是，即便在冷却速率较慢、板厚比约为0.7的条件下，仍能确保70J以上的热影响区韧性。

电渣焊（ESW）的特点是，与角接头、柱/柱接头等其他部位的焊接方法相比，焊接线能量更大。焊接线能量越大，热影响区（HAZ）处于熔解温度附近高温环境的时间越长，焊接后的冷却速率也越低。其结果是，ESW部位的热影响区组织中，原奥氏体（γ）晶粒会粗大化，同时会形成晶界铁素体、上贝氏体以及硬质的马氏体-奥氏体组元（M-A组元）。由于M-A组元会成为脆性裂纹的起点，且粗大的晶界铁素体和上贝氏体对裂纹扩展的抵抗力较弱，因此热影响区韧性会下降。

为保证钢材在冷却速率较慢、板厚比约为0.7的条件下，焊接热影响区韧性仍能达到70J以上，此次产品开发重点围绕抑制裂纹的产生与扩展进行组织控制。

首先，为抑制裂纹产生，减少作为裂纹起点的M-A组元是有效的手段。M-A组元是在冷却过程中，未转变的奥氏体因碳富集而实现热稳定化，在低温下转变为马氏体后形成的。新开发钢板通过降低碳含量，抑制了奥氏体的热稳定性，相较于传统钢材有明显改进。此外，促进未转变奥氏体向铁素体和珠光体转变，减少残余奥氏体，也有助于抑制M-A组元的生成。奥氏体向铁素体、珠光体的相变，除了碳原子的扩散外，还需伴随向铁素体、珠光体中富集的元素扩散才能进行。新开发钢板中，元素向铁素体的富集效应显著，通过减少会抑制珠光体析出的硅（Si）元素的添加量，促进了未转变奥氏体向珠光体组织转变析出，从而抑制了M-A组元的生成。碳及其他添加元素是确保钢材强度所必需的，而通过利用TMCP技术，可在减少这些元素添加量的同时，兼顾M-A组元的减少与母材强度。

其次，为提高裂纹扩展抵抗力，需要细化热影响区组织。为实现热影响区组织的细化，有效措施包括抑制原奥氏体（γ）晶粒的粗大化，以及细化由原奥氏体（γ）转变形成的组织，这些均可通过合理利用多种元素来实现。

关于抑制原奥氏体（γ）晶粒粗大化，可利用氮化钛（TiN）的微细弥散分布来实现。KCL A385C-ST和KCL A440C-ST采用了不同的组织控制技术：KCL A385C-ST的热影响区组织以铁素体为主，为提高铁素体的生成频率，将氮化钛（TiN）、氮化硼（BN）作为形核位点进行弥散析出；KCL A440C-ST的热影响区组织以上贝氏体为主，为提高贝氏体铁素体的形核频率，添加了铜（Cu）、铬（Cr）、镍（Ni）等弱碳化物形成元素。

4.1母材特性

表3和表4列出了KCL A385C-ST和KCL A440C-ST的化学成分，两种钢板均满足确保焊接性能所需的碳当量（C_eq）及焊接裂纹敏感性指数（P_CM）标准。表5和表6列出了KCL A385C-ST和KCL A440C-ST的母材特性，通过利用TMCP技术，实现了高强度与低屈强比（YR）的兼顾。

4.2焊接性能

为评估焊接性能，进行了Y形坡口焊接裂纹试验。在表7所示的试验条件下，即使不进行预热（试验温度0℃），也未发现断面裂纹。

4.3接头特性

表8列出了电渣焊（ESW）的坡口形状及焊接条件。作为对热影响区韧性不利的组合，KCL A385C-ST采用表层板厚40mm（板厚比0.67）的试件，KCL A440C-ST采用表层板厚45mm（板厚比0.69）的试件。

随后，依据日本钢结构协会（JSSC）《建筑钢结构焊接部力学性能试验方法》，对电渣焊（ESW）部位的热影响区韧性进行了评估。按照图3所示位置采集夏比冲击试样，评估0℃下的平均吸收功，结果如图4和图5所示。在所有缺口位置，热影响区韧性的平均值均达到70J以上。

本文介绍了适用于大热输入焊接、且热影响区韧性与焊接性能优异的TMCP钢板KCL A385C-ST和KCL A440C-ST的设计理念与特性。为抑制裂纹产生，通过成分设计降低了未转变奥氏体的热稳定性，抑制了马氏体转变，从而减少了M-A组元的生成；为提高裂纹扩展抵抗力，通过成分设计提高了晶内形核频率，实现了转变组织的细化。其结果是，即便在对热影响区韧性不利的电渣焊（ESW）条件下，该钢板仍展现出70J以上的优异热影响区韧性。此外，通过最大限度地利用TMCP技术，该钢板在母材特性方面也实现了高强度与低屈强比（YR）的兼顾。