鎳的優(yōu)勢

鎳具有一定的強度、良好的延展性。不銹鋼中添加鎳，可以增強鋼材的耐腐蝕性，可實現(xiàn)強韌、可延展和堅固的焊接，進(jìn)而確保不銹鋼可用于堅固耐用的結(jié)構(gòu)中。類似結(jié)構(gòu)包括由 Renzo Piano設(shè)計的意大利新圣喬治大橋。新橋是在舊橋發(fā)生災(zāi)難性倒塌后建造的。鋼筋是確保橋梁耐用性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過采用不銹鋼加固，確保新橋機械強度和耐腐蝕性。

新圣喬治大橋

2018年8月，熱那亞莫蘭迪橋倒塌。之后的一份獨立報告指出，維護(hù)不善以及橋梁設(shè)計和建造存在缺陷是造成致命事故的可能原因。其中一座橋塔南側(cè)斜拉索頂部的纜索腐蝕被認(rèn)為是主要原因。此外，據(jù)說定期檢查不足導(dǎo)致檢修人員對纜索的實際退化狀態(tài)缺乏足夠的了解。 

自莫蘭迪橋事故以來，人們不斷增強對橋梁設(shè)計的堅固性和耐用性的認(rèn)識。熱那亞的新圣喬治大橋（新橋，見圖1）由Renzo Piano設(shè)計,并于2020年落成。與原橋的斜拉設(shè)計不同， 新橋采用不銹鋼鋼筋，既保證了機械強度，又保證了耐腐蝕性。 

在設(shè)計階段，最關(guān)鍵的區(qū)域都選用的是不銹鋼材料。例如，人行天橋區(qū)域選用的是不銹鋼鋼筋，且放置在靠近橋面核心的鋼筋旁邊。碳鋼和不銹鋼相互接觸，用混凝土澆筑后就不會增加碳鋼腐蝕的風(fēng)險。 

在需要的地方加固 

不銹鋼可防止經(jīng)常暴露于大氣介質(zhì)的結(jié)構(gòu)部件發(fā)生腐蝕、開裂或剝落。事實上，在非常惡劣的環(huán)境條件下，例如海洋和港口結(jié)構(gòu)，使用具有正確特性的材料非常有必要。在不使用不銹鋼的情況下，外部因素會引發(fā)碳鋼鋼筋腐蝕，導(dǎo)致其體積增大，混凝土也會隨著時間的推移而開裂，結(jié)構(gòu)進(jìn)一步惡化。 

在混凝土覆蓋層較薄且更容易受到腐蝕的結(jié)構(gòu)部分，將不同直徑的304L（UNS S30403）/1.4307不銹鋼鋼筋放置在混凝土結(jié)構(gòu)的外表面。如果不存在暴露問題（例如在大部分混凝土中），碳鋼鋼筋還可確保混凝土的結(jié)構(gòu)完整性。

長期價值

圣喬治大橋采用 9000噸碳鋼鋼筋，另外還使用了250 噸不銹鋼鋼筋，使用比例僅3%，對于暴露于腐蝕條件下的鋼筋混凝土項目，通常采用1%-5%的使用比例是比較典型的做法，遵循該比率原則也有利于降低基礎(chǔ)設(shè)施項目的總成本。 

在應(yīng)對惡劣海洋環(huán)境的挑戰(zhàn)時，不銹鋼可以顯著節(jié)省橋梁的整體維護(hù)成本，從長遠(yuǎn)來看，被證明是最經(jīng)濟(jì)的解決方案。不銹鋼在海洋環(huán)境中還具備其他重要優(yōu)勢，如卓越的機械強度、高延展性和地震時出色的能量吸收能力。

關(guān)鍵連接點

堅固螺栓的優(yōu)點

因過載、疲勞或腐蝕引起的螺栓失效可能會造成非常大的損失，特別是在維修時因螺栓導(dǎo)致必須停止關(guān)鍵操作的時候。

緊固件可由多種合金鋼制成。因此，為避免失效，需確保選擇的鋼材是正確的，對應(yīng)用細(xì)節(jié)有一定的了解是非常重要的。除了要承載的負(fù)荷外，要考慮的問題還包括連接的可及性、環(huán)境（溫度、水暴露、腐蝕性）和被連接的材料。可復(fù)用性和安裝過程也是重要的考慮因素。為保證使用壽命期間不發(fā)生故障，并將生命周期成本維持在較低水平，必須考慮選擇正確的鋼種和性能。

在要求苛刻的應(yīng)用中至關(guān)重要

不銹鋼緊固件廣泛用于水處理、風(fēng)能、化工、船舶以及海底設(shè)備等要求苛刻的工業(yè)領(lǐng)域，而在這些領(lǐng)域中，碳鋼緊固件是無法滿足要求的。有各種牌號和使用條件的不銹鋼緊固件可供選擇，具有不同的強度、耐腐蝕性以及在高溫和低溫下運行的能力。連接不銹鋼構(gòu)件時，必須使用不銹鋼螺栓，除此之外，不銹鋼螺栓還能連接鍍鋅鋼和鋁構(gòu)件。例如，海洋平臺上鋁制直升機甲板的結(jié)構(gòu)構(gòu)件也可以由不銹鋼螺栓連接。

長期成本優(yōu)勢

盡管不銹鋼比碳鋼更貴，但在要求苛刻的應(yīng)用中，因其長壽命、低維護(hù)特性而節(jié)省下來的成本很容易超過初始成本。例如，在2019年，約有6000個雙相和超級雙相不銹鋼緊固件用于不銹鋼橋梁的建造以及英國倫敦在維多利亞時代修建的老舊下水管道內(nèi)襯的建造。由于項目會造成橋梁不能通行或管道暫停使用等情況以及檢修困難的原因，一個具有120年設(shè)計壽命的低維護(hù)解決方案顯得極其重要。此外，結(jié)構(gòu)需要緊湊并能夠承載高負(fù)荷。鎳含量為5%到7%的高強度雙相不銹鋼螺栓成為人們的必然選擇。利用雙相不銹鋼的高強度，可以縮小連接件的尺寸，節(jié)省材料和成本，也因材料處理工作的減少，對健康和安全也有好處。圖2所示為葡萄牙波爾圖機場使用不銹鋼支撐連接頂篷。

尋求有實用價值的新合金

歷史證明，新金屬合金的研發(fā)是一個成本高、效率低且耗時長的試錯過程。通常是基于冶金知識制定新的合金成分，并確定成型和熱處理工藝，嘗試在已有合金的基礎(chǔ)上增強材料的性能。需要開展一系列試驗，對材料進(jìn)行熔化、測試，以調(diào)試其性能。 

大約二十年前，集成計算材料工程（ICME）研發(fā)問世，標(biāo)志著試驗從物理實驗轉(zhuǎn)向虛擬模擬。Questek Innovations 公司已經(jīng)用這種方法開發(fā)出幾種性能增強的含鎳合金。對于Ferrium的系列產(chǎn)品，Questek公司研發(fā)了一種含鎳、高強度、耐腐蝕的鋼——Ferrium S53。它是采用 ICME 設(shè)計的第一個獲得航空航天材料規(guī)范（AMS）和金屬材料特性開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化（MMPDS） 資 格 的 材 料，并 作 為 美 國 空 軍T-38訓(xùn)練機上的安全關(guān)鍵起落架的材料。Ferrium S53是一種超高強度鋼，可用于航空航天結(jié)構(gòu)和通常使用AISI 4340的其他應(yīng)用。Ferrium  S53的機械性能可與這些合金相媲美，但增加了一個耐大氣腐蝕的優(yōu)勢，無需使用鎘涂層。該公司開發(fā)的另一個產(chǎn)品是含鎳鋼Ferrium C64，它是高性能齒輪鋼（如AISI 9310）的替代品（見圖3）。這種材料具有超高強度和高斷裂韌性，并具有出色的抗疲勞性和耐熱性。可用于關(guān)鍵的航空航天和汽車制造，例如旋翼飛機和賽車傳動齒輪以及能源領(lǐng)域。 

ICME方法提高了含鎳合金的研發(fā)速度。