分享：火災(zāi)高溫對耐火鋼組織與抗震性能的影響

0.   引言

現(xiàn)代建筑工程都會使用鋼材來增強建筑結(jié)構(gòu)的承載能力[1-2]，而建筑結(jié)構(gòu)在服役過程中可能會經(jīng)歷地震、火災(zāi)等災(zāi)害，因此現(xiàn)代建筑用鋼除了要滿足強度、塑性等指標(biāo)要求外[3]，還需要提升抗震、耐火等性能[4-5]，從而提升服役安全性和壽命。目前，通過添加合金元素精煉—銅板結(jié)晶器水冷澆鑄—控軋控冷—淬火—臨界淬火—回火工藝開發(fā)出的Q460GJEZ35鋼板，具有較高的強塑性和抗低溫沖擊等性能[6]，在超高層建筑和大跨度體育場館中得到了成功應(yīng)用。但是，針對其經(jīng)歷火災(zāi)高溫作用后的抗震性能的研究較少[7]，高溫作用對其組織和性能的影響規(guī)律尚未明確。為此，作者將熱軋態(tài)Q460GJEZ35鋼板在溫度225~625 ℃下保溫60 min以模擬火災(zāi)溫度環(huán)境，研究了溫度對試驗鋼顯微組織、力學(xué)性能和抗震性能的影響，擬為高強抗震耐火鋼的開發(fā)與應(yīng)用提供參考。 

1.   試樣制備與試驗方法

試驗材料為厚度20 mm的Q460GJEZ35熱軋鋼板，采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法測得其化學(xué)成分如表1所示；試驗鋼的顯微組織見圖1，由粒狀貝氏體（GB，鐵素體內(nèi)分布著眾多馬氏體/奧氏體小島的復(fù)相組織[8]）和鐵素體（F）組成，馬氏體/奧氏體小島主要分布在鐵素體邊界處，尺寸不大于2 µm的馬氏體/奧氏體小島多呈粒狀或者不規(guī)則多邊形狀，尺寸大于2 µm的馬氏體/奧氏體小島主要呈團簇形態(tài)。試驗鋼的屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率分別為463 MPa，614 MPa和23.3%，屈強比為0.754。 

圖  1  熱軋態(tài)試驗鋼的光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡形貌

Figure  1.  Optical microscope (a) and scanning electron microscope (b) morphology of hot-rolled test steel

將試驗鋼板加工成尺寸為550 mm×330 mm×20 mm（長×寬×厚）的試樣，對試樣進行表面清洗并烘干后，置于Nabertherm L3/11-L40/12型熱處理爐中模擬火災(zāi)高溫作用過程，溫度為225，325，425，525，575，625 ℃，保溫60 min后取出，空冷至室溫。 

采用線切割在模擬火災(zāi)高溫作用后的試驗鋼上切取塊狀試樣，經(jīng)過打磨、機械拋光和體積分數(shù)3.5%硝酸乙醇溶液腐蝕后，采用日本電子IT 500型鎢燈絲掃描電子顯微鏡（SEM）觀察顯微組織。按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，將試驗鋼加工成如圖2所示的拉伸試樣[9]，在INSTRON 3365型萬能材料試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為2 mm·min−1，測3個試樣取平均值。采用線切割加工出尺寸為?1.8 mm×70 mm的棒狀試樣，按照GB/T 13665—2007《金屬阻尼材料阻尼本領(lǐng)試驗方法 扭擺法和彎曲振動法》，在MFP-A1000型高精度多功能內(nèi)耗儀上進行內(nèi)耗試驗，獲得弛豫型內(nèi)耗（SKK）峰值并計算碳化物析出量[10]，測5個試樣取平均值。 

圖  2  拉伸試樣的形狀與尺寸

Figure  2.  Shape and size of tensile specimen

2.   試驗結(jié)果與討論

2.1   對顯微組織的影響

由圖3可見，經(jīng)過低溫（225 ℃）和中溫（325~425 ℃）保溫60 min處理后，試驗鋼的組織仍由粒狀貝氏體和鐵素體組成，與熱軋態(tài)相比，低溫?zé)崽幚砗筘愂象w組織中尺寸較大的馬氏體/奧氏體小島已經(jīng)逐漸分解，中溫?zé)崽幚砗蟪叽绱笥? µm的團簇狀馬氏體/奧氏體小島分解加劇，尺寸不大于2 µm的馬氏體/奧氏體小島數(shù)量增多。 

圖  3  低溫和中溫保溫60 min處理后試驗鋼的SEM形貌

Figure  3.  SEM morphology of test steel after holding at low temperatures (a–b) and medium temperatures (c–f) for 60 min: (a, c, e) at low magnification and (b, d, f) at high magnification

由圖4可見，經(jīng)高溫（525~625 ℃）保溫60 min空冷處理后，試驗鋼組織仍為粒狀貝氏體和鐵素體，但貝氏體組織中的馬氏體/奧氏體小島進一步分解。當(dāng)溫度為625 ℃時，馬氏體/奧氏體小島基本分解完畢，呈粒狀，尺寸大于2 µm的團簇狀組織基本消失，鐵素體發(fā)生不同程度的粗化[11]。綜上可知，隨著溫度升高，尺寸大于2 µm的團簇狀馬氏體/奧氏體小島逐漸分解成尺寸細小的粒狀組織，多邊形馬氏體/奧氏體小島也逐漸圓鈍化。 

圖  4  高溫保溫60 min處理后試驗鋼的SEM形貌

Figure  4.  SEM morphology of test steel after holding at high temperatures for 60 min: (a, c, e) at low magnification and (b, d, f) at high magnification

2.2   對拉伸性能的影響

由表2可知，隨著溫度升高，試驗鋼的屈服強度和抗拉強度基本先增大后減小，斷后伸長率降低，當(dāng)溫度為575 ℃時屈服強度和抗拉強度最大。隨著溫度升高，尺寸大于2 µm的團簇狀馬氏體/奧氏體小島逐漸分解成尺寸細小的粒狀組織[12]，多邊形馬氏體/奧氏體小島逐漸圓鈍化，因此試驗鋼強度增大[13]；但當(dāng)溫度過高（625 ℃）時，鐵素體發(fā)生粗化[14]，使得試驗鋼強度減小，而由于溫度升高加劇團簇狀組織分解所產(chǎn)生的強化效果仍然較高，因此強度仍保持在較高水平。相比于熱軋態(tài)試驗鋼，在溫度225，325 ℃保溫60 min后試驗鋼的強塑性變化不大，屈強比保持在0.8以下；當(dāng)溫度升至不低于425 ℃時，由于尺寸較大的馬氏體/奧氏體小島分解，尺寸不大于2 µm的馬氏體/奧氏體小島數(shù)量增多，試驗鋼的屈服強度顯著上升，抗拉強度增加幅度相對較小，表現(xiàn)為屈強比略有上升。 

GB/T 19879—2023《建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》規(guī)定，Q460GJ鋼的屈服強度在460~590 MPa，抗拉強度在570~720 MPa，斷后伸長率不小于18%，屈強比不大于0.85；GB/T 28415—2023《耐火結(jié)構(gòu)用鋼板和鋼帶》規(guī)定，Q460FR鋼的屈服強度在460~600 MPa，抗拉強度大于570 MPa，斷后伸長率不小于18%，屈強比不大于0.85?？芍囼炰撛?25~525 ℃火災(zāi)環(huán)境保溫60 min后，其拉伸性能（屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率和屈強比）均滿足建筑用鋼標(biāo)準(zhǔn)要求[15]，且當(dāng)溫度為525 ℃時試驗鋼的強度最高。 

2.3   對抗震性能的影響

由圖5可知：隨著溫度升高，試驗鋼的室溫內(nèi)耗整體呈降低趨勢，屈強比呈升高趨勢；屈強比與室溫內(nèi)耗基本呈線性負相關(guān)性，即隨著屈強比升高，室溫內(nèi)耗減小。較高的室溫內(nèi)耗有助于提升建筑用鋼的耗散能力[16]，從而提高抗震性能。屈強比是保證建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的重要設(shè)計參數(shù)[17]，其設(shè)計理念要求鋼材在地震作用下能達到屈服狀態(tài)，并保證結(jié)構(gòu)在受力過程中產(chǎn)生延性變形而不崩潰；當(dāng)屈強比較低時，鋼材的抗震性能更好[18-19]。溫度對試驗鋼室溫內(nèi)耗和屈強比的影響規(guī)律與室溫內(nèi)耗和屈強比對抗震性能的影響規(guī)律一致。在溫度不高于525 ℃的環(huán)境中保溫60 min后時，試驗鋼的室溫內(nèi)耗較高，屈服強度不大于0.85，說明抗震性能較好。由此可知，在溫度525 ℃及以下的火災(zāi)環(huán)境中保溫60 min后試驗鋼仍能夠滿足抗震鋼的使用要求。 

圖  5  不同溫度保溫60 min處理后試驗鋼的室溫內(nèi)耗和屈強比以及室溫內(nèi)耗-屈強比曲線

Figure  5.  Room temperature internal friction and yield ratio (a) and room temperature internal friction-yield ratio curve (b) of test steel after holding at different temperatures for 60 min

測得熱軋態(tài)試驗鋼的SKK峰值為4.542×10−4，由SKK峰值計算可知熱軋態(tài)試驗鋼中無碳化物析出。由表3可知，隨著溫度升高，試驗鋼的SKK峰值減小，碳化物析出量增加。這是因為熱軋態(tài)試驗鋼中的碳元素主要存在于馬氏體/奧氏體小島的復(fù)相組織中[20]，在225~625 ℃溫度保溫60 min過程中，馬氏體/奧氏體小島會發(fā)生不同程度分解，原本以固溶形式存在的碳元素析出形成碳化物，并且溫度越高，組織分解越徹底，碳化物含量越高[21]。通過SKK峰值計算得到的碳化物析出量變化趨勢與顯微組織的定性試驗結(jié)果基本相符。 

3.   結(jié)論

（1）在溫度225~625 ℃保溫60 min空冷后，Q460GJEZ35鋼的組織與熱軋態(tài)相同，均由粒狀貝氏體和鐵素體組成，貝氏體中馬氏體/奧氏體小島的分解程度隨溫度升高而加劇。 

（2）隨溫度升高，試驗鋼的屈服強度和抗拉強度先增大后減小，斷后伸長率降低，當(dāng)溫度不高于325 ℃時，屈強比保持在0.8以下，當(dāng)溫度升高至不低于425 ℃時，屈強比在0.818~0.887。當(dāng)溫度不高于525 ℃時，試驗鋼的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率和屈強比符合標(biāo)準(zhǔn)要求，說明經(jīng)歷60 min溫度在525 ℃及以下的火災(zāi)過程時試驗鋼的拉伸性能仍能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。 

（3）隨著溫度升高，試驗鋼的SKK峰值減小，析出的碳化物面積分數(shù)從225 ℃時的9.00%增至625 ℃時的67.18%，試驗鋼的室溫內(nèi)耗整體呈降低趨勢，屈強比增大，抗震性能變差；屈強比與室溫內(nèi)耗基本呈線性負相關(guān)性。在溫度不高于525 ℃下保溫60 min時，試驗鋼的室溫內(nèi)耗較高，屈強比不大于0.85，抗震性能較好。試驗鋼經(jīng)歷60 min溫度不高于525 ℃的火災(zāi)環(huán)境時，仍能滿足使用要求。

文章來源——材料與測試網(wǎng)