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摘要：大型体育场馆上部建筑中，节点件是关键件，是上部各部件连接中枢，是使整个穹顶联接天衣无缝、美观、自然的关键，本文着重对节点用材料进行分析，为节点件的制造提供较为明确关注点。
关键词：节点、铁素体、奥氏体、固溶
1.前言
在当今的大型体育场馆、剧院、展览馆等大跨度顶部结构的复杂链接中大多采用铸钢节点。铸钢是钢品种中很重要组成部分，铸钢件既有液态成型的一切长处，又可保有各种钢所特有的优异性能。铸钢按化学成分主要分为铸造碳钢和铸造合金钢，其中有些钢种，有些零件本身性能特点，不可能用机加工、焊接、轧制、锻造等手段获得，只能用铸造方法。节点产品就属于只能用铸造方法加工的产品。铸钢节点用钢要求低硫磷含量，高纯净度和高的低温冲击性能，屈服强度 >300Mpa，抗拉强度 =500-650MPa，伸长率A≥22%，冲击功（J/-40℃）>27。本文从节点材料的热处理性能及铸造性能入手论证节点选材的可行性。
2.实际应用举例
以伊拉克AL-MENNA 体育场节点为例（见下图）：首先，节点外型复杂，有五个联接用法兰，有八个形状复杂的索槽。其次，节点材料属于低碳低合金焊接结构碳钢，此材料使用铸造工艺可提高效率、节约成本。节点产品使用环境特殊，要求使用寿命长、不易更换、安全系数高、抗震。所以材料抗拉强度、屈服强度、延伸率、抗冲击性能等综合性能要有严格要求，从而对化学成分也有严格规定。
3.1 G20Mn5QT的热处理性能
本件含碳量在0.2%左右，在热处理中达到正火温度后，也就是使组织达到γ相区，此时基本组织为γ相或者说奥氏体，随着温度降低，组织向α相转变，转变为α铁，但是Mn和Ni都有扩大γ相区的作用，能使在常温下获得奥氏体组织，所以含碳0.2%的钢通过正火、回火处理后，组织存在相当数量的奥氏体和铁素体，所以材料具有很好的延伸率和冲击韧性。Mn、Ni不仅有扩大γ相区的作用，并都有提高强度的作用。铁素体、奥氏体自身的强度都比较低，都不超过400MPa，但是由于有Mn、Ni、Si的存在，使机械性能得到改善，强度提高，综合性能满足上表要求。
合金元素的存在状态有多种：①合金元素以原子状态，固溶于铁素体、奥氏体。②元素部分与碳形成碳化物。③与钢中的O、N、S化合，形成非金属夹杂物。④有的元素以游离状态存在。本产品的特点是低碳、低硫、低磷。再加Mn、Ni、Si自身特点，所以Mn、Ni、Si在合金组织中的存在形式是以固溶于铁素体、奥氏体为主。Mn不仅有扩大γ相区，形成无限固溶体，对铁素体及奥氏体均有较强的固溶强化作用，与S形成熔点较高的MnS，可防止因FeS而导致的热脆现象，降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善钢的机械性能，为低合金钢的重要合金元素之一，并为无Ni及少Ni奥氏体钢的主要奥氏体化元素。Ni扩大γ相区，形成无限固溶体，在α铁中最大溶解度约10%，不形成碳化物，细化铁素体晶粒，在强度相同条件下，提高钢的塑性和韧性，特别是低温韧性，为主要奥氏体形成元素，并改善钢的耐腐蚀性能。Si有缩小γ相区，形成γ相圈作用，在α铁及γ铁中溶解度分别为18.5%及2.15%，不形成碳化物，对提高钢的综合性能，特别是弹性极限有利，可增强在自然条件下的耐蚀性。P缩小γ相圈，与S、Mn联合使用增强钢的被切削性，在钢中偏析严重，增加钢的回火脆性及冷脆敏感性，但本产品中P、S含量很低，其作用也很低，所以S、P在本产品中的作用可不作讨论。
3.2 G20Mn5QT的铸造性能
合金元素对铸造性能具有影响，首先是C，C有利于改善钢水的流动性，但本产品C含量低，只有0.2%，所以对钢水的流动性不利。Si能降低熔点，改善流动性，本产品含硅量为0.6%，含量不高，Si有良好的脱氧作用，钢水流动性会有所改善，Mn有缩小结晶范围，提高流动性的作用，但Mn增加体收缩和线收缩，增加冷、热裂倾向。P能改善流动性，但也增大冷、热裂倾向，S降低流动性，增大冷热裂倾向，本产品P、S含量很低，影响自然比较小。但综合上述影响比较大的当属C、Si、Mn，综合比较，铸造性能不属于很不好，只要合理设计铸造工艺，严格执行工艺要求，就能生产出性能合格、外观完美的节点产品。
3.3 采用铸造合金钢的优点
铸钢件不论其重量大小，批量多少，均易于按设计者的构思制成具有合理外形和内部轮廓、刚度高、形状复杂且应力集中不显著的零件。单件或小量生产时，可用木模具或聚苯乙烯气化模具，生产准备周期短，生产成本低。批量生产时，可用塑料或金属模具，并用适当的造型工艺，是铸件具有符合要求的尺寸精度和表面质量。这些优点是用其他方法制作难以达到的。
4.结论
节点产品结构比较复杂，要求严格，是因为它的重要。对于如此重要的产品要了解每一个细节，对元素的含量及作用要了解，对它的性能要了解，对它的使用及环境要了解，总之，对所有应了解的东西都了解后，才能设计合理的铸造工艺，和合理的浇注系统。每个产品都可以设计出多种工艺方案，每一种方案都能生产出合格铸件，但哪种方案成品率高，节约工时材料，降低成本，提高效率，区别可能是很大的，所以我们要分析产品，从产品的每一个细节着手，包括材料，外形，精度要求等等，根据各厂条件制定出一套完整、可行、好的工艺。综上所述采用G20Mn5QT作为节点材料，经过适当的热处理完全能够达到节点的机械性能要求，通过合理的铸造工艺也能生产出高品质的结构复杂节点铸件。
参考文献：
[1]侯增寿，樊东黎编 《热处理手册》[M] 北京：机械工业出版社，2002年1月第3版，第2次印刷，第一卷21-221
[2]余茂祚编《铸造手册》[M] 北京 ：机械工业出版社，1991年12月第一版，第二卷62-132
[3]安继儒，刘耀恒编 《热处理工艺规范数据手册》[M]北京：化学工业出版业，2008年1月第一版，20-32
[4]毛卫民，赵新兵著 《金属的再结晶与晶粒长大》[M]北京：冶金工业出版社，1994年6月第一版，35-80
作者简介：卢东岳（1975-，男，河北省定兴县人，主要研究方向：缆索索夹及起重滑车。
关键词：节点、铁素体、奥氏体、固溶
1.前言
在当今的大型体育场馆、剧院、展览馆等大跨度顶部结构的复杂链接中大多采用铸钢节点。铸钢是钢品种中很重要组成部分，铸钢件既有液态成型的一切长处，又可保有各种钢所特有的优异性能。铸钢按化学成分主要分为铸造碳钢和铸造合金钢，其中有些钢种，有些零件本身性能特点，不可能用机加工、焊接、轧制、锻造等手段获得，只能用铸造方法。节点产品就属于只能用铸造方法加工的产品。铸钢节点用钢要求低硫磷含量，高纯净度和高的低温冲击性能，屈服强度 >300Mpa，抗拉强度 =500-650MPa，伸长率A≥22%，冲击功（J/-40℃）>27。本文从节点材料的热处理性能及铸造性能入手论证节点选材的可行性。
2.实际应用举例
以伊拉克AL-MENNA 体育场节点为例（见下图）：首先，节点外型复杂，有五个联接用法兰，有八个形状复杂的索槽。其次，节点材料属于低碳低合金焊接结构碳钢，此材料使用铸造工艺可提高效率、节约成本。节点产品使用环境特殊，要求使用寿命长、不易更换、安全系数高、抗震。所以材料抗拉强度、屈服强度、延伸率、抗冲击性能等综合性能要有严格要求，从而对化学成分也有严格规定。
3.1 G20Mn5QT的热处理性能
本件含碳量在0.2%左右，在热处理中达到正火温度后，也就是使组织达到γ相区，此时基本组织为γ相或者说奥氏体，随着温度降低，组织向α相转变，转变为α铁，但是Mn和Ni都有扩大γ相区的作用，能使在常温下获得奥氏体组织，所以含碳0.2%的钢通过正火、回火处理后，组织存在相当数量的奥氏体和铁素体，所以材料具有很好的延伸率和冲击韧性。Mn、Ni不仅有扩大γ相区的作用，并都有提高强度的作用。铁素体、奥氏体自身的强度都比较低，都不超过400MPa，但是由于有Mn、Ni、Si的存在，使机械性能得到改善，强度提高，综合性能满足上表要求。
合金元素的存在状态有多种：①合金元素以原子状态，固溶于铁素体、奥氏体。②元素部分与碳形成碳化物。③与钢中的O、N、S化合，形成非金属夹杂物。④有的元素以游离状态存在。本产品的特点是低碳、低硫、低磷。再加Mn、Ni、Si自身特点，所以Mn、Ni、Si在合金组织中的存在形式是以固溶于铁素体、奥氏体为主。Mn不仅有扩大γ相区，形成无限固溶体，对铁素体及奥氏体均有较强的固溶强化作用，与S形成熔点较高的MnS，可防止因FeS而导致的热脆现象，降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善钢的机械性能，为低合金钢的重要合金元素之一，并为无Ni及少Ni奥氏体钢的主要奥氏体化元素。Ni扩大γ相区，形成无限固溶体，在α铁中最大溶解度约10%，不形成碳化物，细化铁素体晶粒，在强度相同条件下，提高钢的塑性和韧性，特别是低温韧性，为主要奥氏体形成元素，并改善钢的耐腐蚀性能。Si有缩小γ相区，形成γ相圈作用，在α铁及γ铁中溶解度分别为18.5%及2.15%，不形成碳化物，对提高钢的综合性能，特别是弹性极限有利，可增强在自然条件下的耐蚀性。P缩小γ相圈，与S、Mn联合使用增强钢的被切削性，在钢中偏析严重，增加钢的回火脆性及冷脆敏感性，但本产品中P、S含量很低，其作用也很低，所以S、P在本产品中的作用可不作讨论。
3.2 G20Mn5QT的铸造性能
合金元素对铸造性能具有影响，首先是C，C有利于改善钢水的流动性，但本产品C含量低，只有0.2%，所以对钢水的流动性不利。Si能降低熔点，改善流动性，本产品含硅量为0.6%，含量不高，Si有良好的脱氧作用，钢水流动性会有所改善，Mn有缩小结晶范围，提高流动性的作用，但Mn增加体收缩和线收缩，增加冷、热裂倾向。P能改善流动性，但也增大冷、热裂倾向，S降低流动性，增大冷热裂倾向，本产品P、S含量很低，影响自然比较小。但综合上述影响比较大的当属C、Si、Mn，综合比较，铸造性能不属于很不好，只要合理设计铸造工艺，严格执行工艺要求，就能生产出性能合格、外观完美的节点产品。
3.3 采用铸造合金钢的优点
铸钢件不论其重量大小，批量多少，均易于按设计者的构思制成具有合理外形和内部轮廓、刚度高、形状复杂且应力集中不显著的零件。单件或小量生产时，可用木模具或聚苯乙烯气化模具，生产准备周期短，生产成本低。批量生产时，可用塑料或金属模具，并用适当的造型工艺，是铸件具有符合要求的尺寸精度和表面质量。这些优点是用其他方法制作难以达到的。
4.结论
节点产品结构比较复杂，要求严格，是因为它的重要。对于如此重要的产品要了解每一个细节，对元素的含量及作用要了解，对它的性能要了解，对它的使用及环境要了解，总之，对所有应了解的东西都了解后，才能设计合理的铸造工艺，和合理的浇注系统。每个产品都可以设计出多种工艺方案，每一种方案都能生产出合格铸件，但哪种方案成品率高，节约工时材料，降低成本，提高效率，区别可能是很大的，所以我们要分析产品，从产品的每一个细节着手，包括材料，外形，精度要求等等，根据各厂条件制定出一套完整、可行、好的工艺。综上所述采用G20Mn5QT作为节点材料，经过适当的热处理完全能够达到节点的机械性能要求，通过合理的铸造工艺也能生产出高品质的结构复杂节点铸件。
参考文献：
[1]侯增寿，樊东黎编 《热处理手册》[M] 北京：机械工业出版社，2002年1月第3版，第2次印刷，第一卷21-221
[2]余茂祚编《铸造手册》[M] 北京 ：机械工业出版社，1991年12月第一版，第二卷62-132
[3]安继儒，刘耀恒编 《热处理工艺规范数据手册》[M]北京：化学工业出版业，2008年1月第一版，20-32
[4]毛卫民，赵新兵著 《金属的再结晶与晶粒长大》[M]北京：冶金工业出版社，1994年6月第一版，35-80
作者简介：卢东岳（1975-，男，河北省定兴县人，主要研究方向：缆索索夹及起重滑车。