分享：火灾高温对耐火钢组织与抗震性能的影响

0.   引言

现代建筑工程都会使用钢材来增强建筑结构的承载能力[1-2]，而建筑结构在服役过程中可能会经历地震、火灾等灾害，因此现代建筑用钢除了要满足强度、塑性等指标要求外[3]，还需要提升抗震、耐火等性能[4-5]，从而提升服役安全性和寿命。目前，通过添加合金元素精炼—铜板结晶器水冷浇铸—控轧控冷—淬火—临界淬火—回火工艺开发出的Q460GJEZ35钢板，具有较高的强塑性和抗低温冲击等性能[6]，在超高层建筑和大跨度体育场馆中得到了成功应用。但是，针对其经历火灾高温作用后的抗震性能的研究较少[7]，高温作用对其组织和性能的影响规律尚未明确。为此，作者将热轧态Q460GJEZ35钢板在温度225~625 ℃下保温60 min以模拟火灾温度环境，研究了温度对试验钢显微组织、力学性能和抗震性能的影响，拟为高强抗震耐火钢的开发与应用提供参考。 

1.   试样制备与试验方法

试验材料为厚度20 mm的Q460GJEZ35热轧钢板，采用电感耦合等离子发射光谱法测得其化学成分如表1所示；试验钢的显微组织见图1，由粒状贝氏体（GB，铁素体内分布着众多马氏体/奥氏体小岛的复相组织[8]）和铁素体（F）组成，马氏体/奥氏体小岛主要分布在铁素体边界处，尺寸不大于2 µm的马氏体/奥氏体小岛多呈粒状或者不规则多边形状，尺寸大于2 µm的马氏体/奥氏体小岛主要呈团簇形态。试验钢的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率分别为463 MPa，614 MPa和23.3%，屈强比为0.754。 

图  1  热轧态试验钢的光学显微镜和扫描电镜形貌

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

将试验钢板加工成尺寸为550 mm×330 mm×20 mm（长×宽×厚）的试样，对试样进行表面清洗并烘干后，置于Nabertherm L3/11-L40/12型热处理炉中模拟火灾高温作用过程，温度为225，325，425，525，575，625 ℃，保温60 min后取出，空冷至室温。 

采用线切割在模拟火灾高温作用后的试验钢上切取块状试样，经过打磨、机械抛光和体积分数3.5%硝酸乙醇溶液腐蚀后，采用日本电子IT 500型钨灯丝扫描电子显微镜（SEM）观察显微组织。按照GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》，将试验钢加工成如图2所示的拉伸试样[9]，在INSTRON 3365型万能材料试验机上进行室温拉伸试验，拉伸速度为2 mm·min−1，测3个试样取平均值。采用线切割加工出尺寸为?1.8 mm×70 mm的棒状试样，按照GB/T 13665—2007《金属阻尼材料阻尼本领试验方法 扭摆法和弯曲振动法》，在MFP-A1000型高精度多功能内耗仪上进行内耗试验，获得弛豫型内耗（SKK）峰值并计算碳化物析出量[10]，测5个试样取平均值。 

图  2  拉伸试样的形状与尺寸

Figure  2.  Shape and size of tensile specimen

2.   试验结果与讨论

2.1   对显微组织的影响

由图3可见，经过低温（225 ℃）和中温（325~425 ℃）保温60 min处理后，试验钢的组织仍由粒状贝氏体和铁素体组成，与热轧态相比，低温热处理后贝氏体组织中尺寸较大的马氏体/奥氏体小岛已经逐渐分解，中温热处理后尺寸大于2 µm的团簇状马氏体/奥氏体小岛分解加剧，尺寸不大于2 µm的马氏体/奥氏体小岛数量增多。 

图  3  低温和中温保温60 min处理后试验钢的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

由图4可见，经高温（525~625 ℃）保温60 min空冷处理后，试验钢组织仍为粒状贝氏体和铁素体，但贝氏体组织中的马氏体/奥氏体小岛进一步分解。当温度为625 ℃时，马氏体/奥氏体小岛基本分解完毕，呈粒状，尺寸大于2 µm的团簇状组织基本消失，铁素体发生不同程度的粗化[11]。综上可知，随着温度升高，尺寸大于2 µm的团簇状马氏体/奥氏体小岛逐渐分解成尺寸细小的粒状组织，多边形马氏体/奥氏体小岛也逐渐圆钝化。 

图  4  高温保温60 min处理后试验钢的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   对拉伸性能的影响

由表2可知，随着温度升高，试验钢的屈服强度和抗拉强度基本先增大后减小，断后伸长率降低，当温度为575 ℃时屈服强度和抗拉强度最大。随着温度升高，尺寸大于2 µm的团簇状马氏体/奥氏体小岛逐渐分解成尺寸细小的粒状组织[12]，多边形马氏体/奥氏体小岛逐渐圆钝化，因此试验钢强度增大[13]；但当温度过高（625 ℃）时，铁素体发生粗化[14]，使得试验钢强度减小，而由于温度升高加剧团簇状组织分解所产生的强化效果仍然较高，因此强度仍保持在较高水平。相比于热轧态试验钢，在温度225，325 ℃保温60 min后试验钢的强塑性变化不大，屈强比保持在0.8以下；当温度升至不低于425 ℃时，由于尺寸较大的马氏体/奥氏体小岛分解，尺寸不大于2 µm的马氏体/奥氏体小岛数量增多，试验钢的屈服强度显著上升，抗拉强度增加幅度相对较小，表现为屈强比略有上升。 

GB/T 19879—2023《建筑结构用钢板》规定，Q460GJ钢的屈服强度在460~590 MPa，抗拉强度在570~720 MPa，断后伸长率不小于18%，屈强比不大于0.85；GB/T 28415—2023《耐火结构用钢板和钢带》规定，Q460FR钢的屈服强度在460~600 MPa，抗拉强度大于570 MPa，断后伸长率不小于18%，屈强比不大于0.85。可知，试验钢在225~525 ℃火灾环境保温60 min后，其拉伸性能（屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和屈强比）均满足建筑用钢标准要求[15]，且当温度为525 ℃时试验钢的强度最高。 

2.3   对抗震性能的影响

由图5可知：随着温度升高，试验钢的室温内耗整体呈降低趋势，屈强比呈升高趋势；屈强比与室温内耗基本呈线性负相关性，即随着屈强比升高，室温内耗减小。较高的室温内耗有助于提升建筑用钢的耗散能力[16]，从而提高抗震性能。屈强比是保证建筑结构抗震性能的重要设计参数[17]，其设计理念要求钢材在地震作用下能达到屈服状态，并保证结构在受力过程中产生延性变形而不崩溃；当屈强比较低时，钢材的抗震性能更好[18-19]。温度对试验钢室温内耗和屈强比的影响规律与室温内耗和屈强比对抗震性能的影响规律一致。在温度不高于525 ℃的环境中保温60 min后时，试验钢的室温内耗较高，屈服强度不大于0.85，说明抗震性能较好。由此可知，在温度525 ℃及以下的火灾环境中保温60 min后试验钢仍能够满足抗震钢的使用要求。 

图  5  不同温度保温60 min处理后试验钢的室温内耗和屈强比以及室温内耗-屈强比曲线

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

测得热轧态试验钢的SKK峰值为4.542×10−4，由SKK峰值计算可知热轧态试验钢中无碳化物析出。由表3可知，随着温度升高，试验钢的SKK峰值减小，碳化物析出量增加。这是因为热轧态试验钢中的碳元素主要存在于马氏体/奥氏体小岛的复相组织中[20]，在225~625 ℃温度保温60 min过程中，马氏体/奥氏体小岛会发生不同程度分解，原本以固溶形式存在的碳元素析出形成碳化物，并且温度越高，组织分解越彻底，碳化物含量越高[21]。通过SKK峰值计算得到的碳化物析出量变化趋势与显微组织的定性试验结果基本相符。 

3.   结论

（1）在温度225~625 ℃保温60 min空冷后，Q460GJEZ35钢的组织与热轧态相同，均由粒状贝氏体和铁素体组成，贝氏体中马氏体/奥氏体小岛的分解程度随温度升高而加剧。 

（2）随温度升高，试验钢的屈服强度和抗拉强度先增大后减小，断后伸长率降低，当温度不高于325 ℃时，屈强比保持在0.8以下，当温度升高至不低于425 ℃时，屈强比在0.818~0.887。当温度不高于525 ℃时，试验钢的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和屈强比符合标准要求，说明经历60 min温度在525 ℃及以下的火灾过程时试验钢的拉伸性能仍能满足标准要求。 

（3）随着温度升高，试验钢的SKK峰值减小，析出的碳化物面积分数从225 ℃时的9.00%增至625 ℃时的67.18%，试验钢的室温内耗整体呈降低趋势，屈强比增大，抗震性能变差；屈强比与室温内耗基本呈线性负相关性。在温度不高于525 ℃下保温60 min时，试验钢的室温内耗较高，屈强比不大于0.85，抗震性能较好。试验钢经历60 min温度不高于525 ℃的火灾环境时，仍能满足使用要求。

文章来源——材料与测试网