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Q690E超高强度低合金结构钢技术解析

Q690E材料定义与标准体系


Q690E 牌号与性能定位

Q690E 是中国国家标准（GB/T 1591-2018）规定的超高强度低合金结构钢，主要用于极端载荷与低温环境下的重型工程结构。其牌号中：

• Q代表屈服强度（Quenched and Tempered，调质处理），
• 690表示最小屈服强度为690MPa，
• E为冲击韧性等级，对应 Q690E-40℃低温冲击试验 该钢材通过微合金化设计与调质工艺，兼具超高强度、超低温韧性及良好的焊接性能，是现代工程装备轻量化与高可靠性的核心材料。
  Q690E（冲击吸收能量≥47J）。
  

Q690E执行标准与技术规范主标准：GB/T 1591-2018《低合金高强度结构钢》，规定化学成分、力学性能及检验方法。

• 附加要求：可定制 Z 向性能（Z15/Z25/Z35），满足厚板焊接抗层状撕裂需求（GB/T 5313）；适配压力容器标准（如 NB/T 47013）时需额外验证高温强度。
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Q690E化学成分与性能优化Q690E 核心化学成分（质量分数 /%）

元素	含量范围	作用解析
碳（C）	≤0.18	低碳设计降低焊接裂纹风险，同时保证钢材塑性变形能力，避免低温脆性断裂。
锰（Mn）	1.00-1.60	强化铁素体，提高淬透性，与微合金元素协同细化晶粒，提升强度与抗疲劳性能。
硅（Si）	≤0.60	脱氧并增强铁素体强度，对低温韧性影响较小，确保钢材纯净度。
磷（P）	≤0.020	严格控制冷脆倾向，避免低温环境下晶界弱化，保障 - 40℃冲击韧性稳定性。
硫（S）	≤0.015	低硫含量减少硫化物夹杂，降低焊接热影响区裂纹敏感性，提升 Z 向延展性。
微合金元素	铌（Nb 0.02-0.06） 钒（V 0.03-0.10） 钛（Ti 0.01-0.03）	通过沉淀强化（析出碳氮化物）与晶粒细化（晶粒度≥11 级），显著提升强度与韧性匹配。
合金元素	镍（Ni ≤1.00） 铬（Cr ≤1.50） 钼（Mo ≤0.70）	镍改善低温韧性，铬增强抗腐蚀能力，钼提升高温强度，适应复杂环境载荷。

Q690E成分设计核心目标

• 强度与韧性平衡：通过 “低碳 + 微合金化 + 调质处理”，在 690MPa 屈服强度下保持≥14% 伸长率（横向），避免高强度导致的脆性风险。
• 超低温适应性：镍元素与细晶组织协同作用，使 - 40℃冲击吸收能量≥47J（纵向），优于同类钢种 20% 以上。
  

Q690E 力学性能与工艺特性Q690E 室温力学性能（厚度≤50mm）

• 屈服强度（σ₀.₂）：≥690MPa（厚度每增加 50mm，屈服强度允许下降 10-30MPa，如 50-100mm 时≥660MPa）。
• 抗拉强度（σ_b）：770-940MPa，抗拉与屈服强度比值 0.9-1.08，保障结构安全储备。
• 伸长率（δ₅）：≥14%（横向），塑性变形能力满足动态载荷下的应力吸收需求。
• 硬度（HBW）：240-280，平衡耐磨性与加工性能。
  

Q690E 低温与高温性能

• 低温韧性：-40℃夏比 V 型缺口冲击吸收能量≥47J（纵向），-50℃时仍可达 34J，适用于北极圈、青藏高原等极寒地区工程。
• 高温强度：300℃屈服强度≥600MPa，500℃抗拉强度≥550MPa，短期耐高温性能优于普通低合金钢。
  

Q690E 工艺性能

• 焊接性：
  
  • 碳当量（CEV）≤0.48%，焊接预热温度≤150℃（板厚＞50mm 时建议 80-120℃），搭配低氢型焊条（如 J857）可实现高质量焊缝。
  • 热影响区硬度≤280HV，避免淬火裂纹，适合全位置焊接（平、立、横、仰）。
    
• 加工性能：冷弯性能（180°，d=3a）合格，可通过折弯、冲压成型复杂构件（如起重机臂架、桥梁节点）。
  

Q690E 典型应用领域Q690E 工程机械与装备制造

• 超大型起重机：1000 吨级履带吊臂架、港口卸船机主梁，利用 Q690E 高强度特性减轻自重 15%-20%，提升吊装效率。
• 矿山机械：露天矿用自卸车车架、挖掘机斗杆，在 - 40℃寒冷矿区抵抗交变载荷疲劳断裂，延长设备寿命 30% 以上。
  

Q690E 桥梁与高层建筑

• 大跨度钢结构桥梁：极寒地区桥梁（如内蒙古海拉尔跨河桥）的主承重梁，-40℃低温下抵御车辆动载荷与风雪冲击。
• 超高层抗风抗震结构：北方地区超高层建筑（如哈尔滨绿地中心）的核心筒支撑框架，屈服强度比 Q345B 提升 100%，抗震等级达 8 度。
  

Q690E 能源与交通工程

• 寒区风电塔筒：新疆达坂城、吉林松原风电场的塔筒法兰与加强筋，承受 - 40℃低温与 12 级以上强风，抗疲劳循环次数≥10⁶次。
• 高压输电塔：“三北” 地区特高压输电塔的节点连接板，减轻塔架自重的同时提升抗覆冰能力（覆冰厚度≥30mm）。
  

Q690E 国防与特种装备

• 装甲车辆轻量化：两栖装甲车底盘、导弹发射架支架，在保持强度的同时降低油耗，适应低温战场环境。
• 极地科考设备：南极科考站钢结构、破冰船辅助承重部件，抵御 - 60℃极端低温与冰层挤压载荷。
  

Q690E 生产工艺与质量控制Q690E 关键生产流程（1）冶炼与精炼

• 采用电炉 / 转炉 + LF/VD 炉外精炼，硫含量控制≤0.010%（优于标准要求），并通过钙处理（Ca 0.001-0.003%）将硫化物夹杂改性为球状，提升 Z 向抗层状撕裂能力。
• 真空脱气（VD）降低氢含量至 2ppm 以下，避免焊接延迟裂纹。
  

（2）轧制与热处理

• 控温轧制：终轧温度≥850℃，轧后快速冷却（ACC）至 500℃以下，形成细晶贝氏体 + 马氏体组织（晶粒尺寸≤10μm）。
• 调质处理：
  
  • 淬火：900-950℃加热后油冷 / 水冷，获得高密度位错马氏体，奠定高强度基础；
  • 回火：600-680℃保温 2-4 小时，形成回火索氏体，消除内应力并提升韧性，冲击韧性较淬火态提升 50%。
    
  
  

（3）质量检验

• 力学性能测试：拉伸试验（纵向 / 横向）、-40℃冲击试验（V 型缺口，横向试样占比≥30%）、Z 向断面收缩率（Z15 等级≥15%）。
• 无损检测：100% 超声波探伤（UT），执行 GB/T 2970-2016Ⅰ 级标准，确保板材内部无≥2mm 当量直径缺陷。
  

Q690E 技术难点与解决方案

• 超低温韧性保障：通过镍元素微合金化（0.5-1.0%）与严格控冷，抑制低温下铁素体 - 珠光体组织粗化，提升晶界断裂能。
• 厚板性能均匀性：采用阶梯式热处理工艺（分段升温、保温），确保 100mm 厚度板材心部与表层硬度差≤15HBW。
  

Q690E 与同类牌号对比及选型建议Q690E 性能对比与适用场景

牌号	屈服强度 (MPa)	冲击温度 (℃)	典型厚度 (mm)	核心优势	典型应用
Q690E	≥690	-40	6-150	超低温韧性 + 高强度平衡	极寒区重型结构、工程机械
Q690D	≥690	-20	6-200	性价比高，适用于普通寒区	北方桥梁、中型工程机械
Q890E	≥890	-40	6-100	超高强轻量化，适应极限载荷	航天支架、超高压容器
WELDOX700E	≥700	-40	3-100	欧洲标准，焊接工艺窗口宽	进口设备配套、跨国工程

Q690E 选型关键因素

• 温度条件：当工程环境最低温度≤-40℃（如漠河、呼伦贝尔），必须选择 Q690E（Q690D 仅适用于≥-20℃）。
• 载荷类型：承受交变载荷（如桥梁、机械臂）时，优先选择 Z25 等级（Z 向断面收缩率≥25%），降低层状撕裂风险。
• 焊接工艺：若采用自动化焊接（如机器人焊接），需选择碳当量≤0.45% 的 Q690E 改良型，确保焊接效率与质量。
  

Q690E 焊接与使用注意事项Q690E 焊接工艺要点

• 焊材匹配：
  
  • 手工焊：E9015-G 焊条（AWS A5.5），熔敷金属 - 40℃冲击功≥47J；
  • 气体保护焊：ER55-G 焊丝（φ1.2mm），保护气体 80% Ar+20% CO₂，热输入控制 15-25kJ/cm。
    
• 预热与后热：板厚＞50mm 时预热 100-150℃，焊后立即进行 200-250℃保温 1 小时，加速氢扩散。
• 焊缝检测：焊后 24 小时进行 UT 探伤（探测灵敏度≥φ2mm 平底孔），并进行硬度检测（焊缝区≤280HV10）。
  

Q690E 服役环境适配

• 腐蚀防护：沿海或工业大气环境中，建议采用 “锌基底漆 + 环氧面漆” 涂层体系，或选择 Q690E 耐候钢版本（添加 0.2-0.5% Cu）。
• 疲劳设计：用于循环载荷结构时，需进行疲劳试验（应力比 R=-1，循环次数≥10⁷次），设计应力幅≤300MPa。
  

Q690E 行业应用案例与技术趋势Q690E 典型工程应用

• 徐工 XGC12000 履带吊：臂架系统采用 Q690E 钢材，自重减轻 18%，最大起重量达 1200 吨，成功应用于福建漳州核电项目。
• 京张高铁八达岭长城站：地下站台支撑结构使用 Q690E-Z25 钢板，承受 - 25℃低温与高地震载荷（设防烈度 8 度），保障百年工程安全。
  

Q690E 技术发展方向

• 超纯净钢冶炼：通过 RH 真空精炼，将硫含量降至 0.005% 以下，进一步提升 Z 向性能（Z35 等级），满足 150mm 以上厚板需求。
• 智能化热处理：引入 AI 算法优化调质工艺参数，实现不同厚度板材性能精准控制，减少能源消耗 15% 以上。
• 低温韧性提升：开发含镍 0.8-1.2% 的 Q690E 改良型，将 - 40℃冲击功提升至 60J 以上，适配 - 50℃极端低温环境。
  

Q690E 结论
Q690E 作为我国自主研发的超高强度低合金结构钢，凭借 “690MPa 级强度、-40℃超低温韧性、良好焊接性” 的核心优势，成为极端环境下重型工程的首选材料。其技术突破不仅推动了工程机械、桥梁建筑等领域的轻量化发展，更在国防军工、新能源等高端装备制造中发挥关键作用。未来，随着冶炼技术与工艺优化的持续进步，Q690E 将进一步拓展应用边界，为 “双碳” 目标下的绿色工程与极端环境开发提供更高效的材料解决方案。