ASTM A709/A709M-24 美国桥梁结构钢标准课堂讲义
一、标准概述
1. 标准定位与适用范围
发布单位：美国材料与试验协会（ASTM International）
核心用途：规范桥梁及重要结构用钢板、型材、棒材的技术要求，涵盖碳钢、高强度低合金钢、淬火回火合金钢及不锈钢
适用场景：公路桥、铁路桥、高层建筑钢框架、港口机械、压力容器等，尤其强调动态载荷和低温环境下的结构安全性
2024 版关键更新：
删除 "断裂关键构件" 术语，采用 AASHTO LRFD 规范的非冗余钢张力构件（NSTM）分类
新增 HPS 系列高性能钢的 TMCP（热机械控制工艺）要求
明确 QST（淬火自回火）工艺参数控制范围（1100-1300°F）
强化耐候钢焊接工艺规范（附录 X3）
2. 标准核心特点
双单位体系：英寸 - 磅单位与 SI 单位独立生效，不可混用
分级明确：5 个屈服强度级别，12 个钢号，满足不同强度和环境需求
韧性导向：对张力构件强制要求缺口韧性测试，基于 AASHTO 标准
补充要求：可根据采购订单指定额外测试（如探伤、厚度方向性能）
二、钢号（牌号）体系与材质分类
1. 钢号命名规则
| 命名元素 | 含义说明 | 示例 |
| 基础数字 | 屈服强度（ksi） | 36=250MPa，50=345MPa，70=485MPa |
| 后缀 S | 特殊韧性要求 | 50S（345S） |
| 后缀 W | 耐大气腐蚀 | 50W（345W） |
| 前缀 QST | 淬火自回火工艺 | QST 50（QST 345） |
| 前缀 HPS | 高性能钢 | HPS 70W（HPS 485W） |
| 后缀 CR | 耐腐蚀增强型 | 50CR（345CR） |
2. 完整钢号列表（按屈服强度分级）
| 屈服强度级别 | 钢号（US/SI） | 对应关联标准 | 核心特性 |
| 250MPa（36ksi） | 36（250） | ASTM A36/A36M | 基础碳钢，通用性强 |
| 345MPa（50ksi） | 50（345） | ASTM A572/A572M | 高强度低合金，通用结构 |
| 345MPa（50ksi） | 50S（345S） | ASTM A992/A992M | 特殊韧性，低温适用 |
| 345MPa（50ksi） | 50W（345W） | ASTM A588/A588M | 耐候型，户外结构 |
| 345MPa（50ksi） | 50CR（345CR） | ASTM A588/A588M | 超强耐蚀，海洋环境 |
| 345MPa（50ksi） | QST 50（QST 345） | ASTM A913/A913M | 淬火自回火，高硬度 |
| 345MPa（50ksi） | QST 50S（QST 345S） | ASTM A913/A913M | 淬火自回火 + 高韧性 |
| 345MPa（50ksi） | HPS 50W（HPS 345W） | - | 高性能耐候，桥梁专用 |
| 450MPa（65ksi） | QST 65（QST 450） | ASTM A913/A913M | 中高强度，淬火工艺 |
| 485MPa（70ksi） | QST 70（QST 485） | ASTM A913/A913M | 高强度，高韧性 |
| 485MPa（70ksi） | HPS 70W（HPS 485W） | - | 高性能耐候，大跨度桥梁 |
| 690MPa（100ksi） | HPS 100W（HPS 690W） | - | 超高强度，极端环境 |
3. 钢号替代规则
高屈服强度钢不可随意替代低强度钢：HPS 70W/HPS 100W 不得替代 36/50/50S/50W/HPS 50W
耐候钢替代限制：50W/HPS 50W 替代 36/50/50S 需采购方与供应商书面同意
三、核心化学成分要求（质量分数，%）
1. 基础系列（36/50/50S）
| 元素 | 36（250） | 50（345） | 50S（345S） | 备注 |
| C ≤ | 0.25 | 0.20 | 0.18 | 低碳设计提升可焊性 |
| Si ≤ | 0.40 | 0.40 | 0.40 | - |
| Mn ≤ | 1.35 | 1.50 | 1.50 | 固溶强化，提升韧性 |
| P ≤ | 0.04 | 0.04 | 0.03 | 有害元素控制 |
| S ≤ | 0.05 | 0.05 | 0.03 | 有害元素控制 |
| Nb | - | 0.005~0.05 | 0.005~0.05 | 微合金化细化晶粒 |
| V | - | - | 0.01~0.10 | 强化屈服强度 |
2. 耐候钢系列（50W/50CR/HPS 系列）
| 元素 | 50W（345W） | 50CR（345CR） | HPS 70W（485W） | 核心作用 |
| C ≤ | 0.19 | 0.18 | 0.11 | 控制焊接冷裂风险 |
| Cu | 0.25~0.40 | 0.30~0.50 | 0.25~0.40 | 耐蚀核心元素 |
| Cr | 0.40~0.70 | 0.60~0.90 | 0.45~0.70 | 协同耐蚀，提升硬度 |
| Ni | - | 0.20~0.40 | 0.25~0.40 | 低温韧性改善 |
| Mo | - | - | 0.02~0.08 | 强度与耐蚀协同 |
| Al | - | - | 0.010~0.040 | 细化晶粒 |
| N ≤ | - | - | 0.015 | 避免时效脆化 |
3. QST 系列（淬火自回火）
| 元素 | QST 50（345） | QST 70（485） | 关键控制 |
| C ≤ | 0.20 | 0.22 | 碳当量 CE≤0.45%（QST 70） |
| Si | 0.15~0.40 | 0.15~0.40 | - |
| Mn | 1.00~1.60 | 1.20~1.80 | 提升淬火有效性 |
| P ≤ | 0.03 | 0.03 | - |
| S ≤ | 0.03 | 0.03 | - |
| V | 0.01~0.10 | 0.02~0.15 | 增强回火稳定性 |
四、关键力学性能指标
1. 基础力学性能（室温，厚度≤20mm）
| 钢号 | 屈服强度 σs（MPa）≥ | 抗拉强度 σb（MPa） | 伸长率 δ5（%）≥ | 冲击功 AkV（J）≥（0℃） |
| 36（250） | 250 | 400~550 | 23 | 27 |
| 50（345） | 345 | 450~620 | 18 | 34 |
| 50S（345S） | 345 | 450~620 | 20 | 41（-20℃） |
| 50W（345W） | 345 | 450~620 | 18 | 34 |
| QST 50（345） | 345 | 515~655 | 16 | 27 |
| QST 70（485） | 485 | 620~795 | 14 | 34（-30℃） |
| HPS 70W（485W） | 485 | 585~760 | 19 | 48（-30℃） |
| HPS 100W（690W） | 690 | 760~930 | 15 | 60（-40℃） |
2. 厚度影响修正（≥20mm）
屈服强度每增加 25mm 厚度，允许降低 10MPa（-Mn13耐磨钢-降低 30MPa）
伸长率要求不变，但冲击功允许降低 5J（需满足-Mn13耐磨钢-限值）
3. 2024 版新增韧性要求
非冗余钢张力构件（NSTM）：-30℃冲击功≥41J
HPS 100W：强制要求 - 40℃低温冲击测试
QST 工艺钢：焊接热影响区（HAZ）冲击功≥34J
五、用途与工程应用
1. 按钢号特性分类应用
| 钢号系列 | 核心应用场景 | 典型工程案例 |
| 36（250） | 一般桥梁支座、建筑次结构、机械底座 | 美国州际公路小型桥梁 |
| 50（345）/50S（345S） | 桥梁主梁、厂房钢框架、压力容器 | 上海超高层建筑核心筒 |
| 50W（345W）/50CR（345CR） | 户外桥梁、高速公路护栏、港口设施 | 黄河大桥主梁（减重 15%） |
| QST 系列 | 动态载荷结构、工程机械臂架、矿山设备 | 大型钻机耐磨部件 |
| HPS 系列 | 大跨度桥梁、跨海大桥、极端环境结构 | 港珠澳大桥连接线（焊接合格率 99.2%）、加拿大魁北克桥梁（-30℃服役 10 年） |
2. 非桥梁领域拓展应用
高层建筑：300 米以上摩天大楼钢框架（HPS 70W）
港口机械：起重机臂架（50CR）
压力容器：中低压容器壳体（50S）
高速铁路：轨道支撑结构（50W）
3. 材料选择原则
环境适配：海洋 / 高湿度环境优先选 50CR/HPS 系列
温度适配：-20℃以下低温选 50S/QST 70/HPS 系列
载荷适配：动态载荷选 QST 系列，大跨度结构选 HPS 系列
施工适配：现场焊接量大选低碳钢（36/50），厚板（>50mm）选低氢焊接适配钢号
六、工艺要点与质量控制
1. 焊接工艺要求
| 钢号类型 | 焊接方法 | 预热温度 | 焊材选择 | 关键控制 |
| 基础碳钢 / 低合金 | 电弧焊、气体保护焊 | ≥5℃无需预热，℃预热至 80-120℃ | E7018（50 系列）、E6013（36 系列） | 层间温度≤200℃ |
| 耐候钢（50W/50CR） | 低氢焊接 | 环境温度≥5℃预热至 100℃ | E8018-C3 | 避免焊后热处理 > 1100°F |
| QST 系列 | 低氢焊接 | 强制预热至 120-150℃ | E8018-B2 | 禁止焊后整体热处理 |
| HPS 系列 | TMCP 工艺匹配焊接 | 厚板（>50mm）预热至 150℃ | E9018-B3 | 消氢处理（250℃保温 2 小时） |
2. 热处理规范
36/50/50S：正火（890-940℃）或控轧
50W/50CR：正火 + 回火（620-680℃）
QST 系列：在线淬火 + 自回火（1100-1300°F）
HPS 100W：正火 + 回火（优先选择）
3. 质量检测要求
常规检测：拉伸试验（每炉批）、弯曲试验、外观检测
特殊检测：冲击试验（低温环境必做）、超声波探伤（厚度 > 25mm）
补充要求：需在采购订单中明确（如 Z 向性能、磁粉检测）
七、课堂小结与拓展思考
1. 核心知识点梳理
标准定位：桥梁及重要结构用钢，2024 版强化韧性与工艺控制
钢号识别：通过屈服强度数字 + 后缀判断材质特性
性能关键：屈服强度、冲击功、耐蚀性的平衡设计
应用逻辑：环境 - 载荷 - 施工工艺三维适配
2. 拓展思考题目
对比 ASTM A709Gr50 与中国 GB/T 1591 Q355B 的化学成分与力学性能差异，分析替代可行性。
为什么 HPS 系列钢在跨海大桥中应用广泛？从成分设计和工艺角度解释其耐蚀性优势。
QST 工艺钢为何禁止高温焊后热处理？结合其显微组织变化分析原因。
3. 参考资料
ASTM A709/A709M-24 标准原文
AASHTO LRFD 桥梁设计规范（韧性要求参考）
附录 X3（ASTM A6/A6M）：可焊性技术指南
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