高強(qiáng)度耐火鋼高溫冷卻后力學(xué)性能試驗(yàn)研究

樓國(guó)彪，費(fèi)楚妮，王彥博，陳林恒

(1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；2. 同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3. 南京鋼鐵股份有限公司，南京 210035)

目前，主要有兩種方法來(lái)提高鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能和耐火極限：第一，采用防火涂料對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，通過(guò)延緩構(gòu)件升溫的速度來(lái)達(dá)到防火效果；第二，提高鋼材的耐火力學(xué)性能，即生產(chǎn)出耐火鋼。1988 年日本學(xué)者在普通C-Mn 鋼材中添加耐高溫的合金元素Mo、Cr、Nb、V 等提高其高溫強(qiáng)度。國(guó)內(nèi)馬鋼、寶鋼、武鋼、鞍鋼等在20 世紀(jì)90 年代后期研制了Q235 級(jí)、Q345 級(jí)耐火鋼，并在上海中福城高層鋼結(jié)構(gòu)住宅、北京國(guó)家大劇院鋼結(jié)構(gòu)外殼等建筑中都得到了應(yīng)用[1]。

通常規(guī)定在600 ℃耐火鋼的屈服強(qiáng)度不低于常溫屈服強(qiáng)度的2/3，同時(shí)保證耐火鋼在常溫下的機(jī)械性能和可焊性能不低于相應(yīng)等級(jí)的普通鋼。以往的耐火鋼采用了較多的Mo 元素，成本高、且強(qiáng)度等級(jí)較低，主要為Q235 級(jí)、Q345 級(jí)耐火鋼[2]。為此，南鋼集團(tuán)開(kāi)發(fā)了Q460FR、Q420FR、Q345FR級(jí)新型高強(qiáng)度耐火鋼，用Nb 元素部分替代Mo 元素，大幅降低了成本，并保證其高溫強(qiáng)度[3]。

在絕大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)中，鋼結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生根本性破壞，為保證后續(xù)使用安全，需對(duì)其進(jìn)行火災(zāi)后安全性鑒定和必要的加固[4-5]。因此，有必要研究鋼材高溫過(guò)火后的力學(xué)性能。Lu 等[6]對(duì)Q235、Q345 和Q420 等熱軋鋼和Q235 冷彎型鋼進(jìn)行了高溫冷卻后力學(xué)性能試驗(yàn)研究。Gunalan 等[7]和Qiang 等[8-9]分別對(duì)G 系列(G300、G500、G550)鋼和S 系列(S460、S690、S960)高強(qiáng)度鋼進(jìn)行了高溫冷卻后的力學(xué)性能研究。李國(guó)強(qiáng)等[10]和胡婉穎等[11]都對(duì)Q690 高強(qiáng)度鋼進(jìn)行了高溫冷卻后力學(xué)性能試驗(yàn)。樓國(guó)彪等[12]對(duì)8.8S 和10.9S 高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行了高溫冷卻后力學(xué)性能試驗(yàn)研究。目前，國(guó)內(nèi)外的研究中較缺乏針對(duì)高強(qiáng)度耐火鋼的力學(xué)性能的研究，本文主要針對(duì)南鋼產(chǎn)Q460FR、Q420FR、Q345FR 級(jí)別的新型高強(qiáng)度耐火鋼在高溫冷卻后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

1 高溫后力學(xué)性能試驗(yàn)方案

1.1 試樣設(shè)計(jì)

試樣由Q460FR、Q420FR、Q345FR 級(jí)的高強(qiáng)度耐火鋼制成，耐火鋼具體化學(xué)成分如表1 所示。本次試驗(yàn)所用鋼材與文獻(xiàn)[3]中為同一批鋼材。試樣設(shè)計(jì)遵循金屬拉伸試驗(yàn)方法[13-14]中規(guī)定，三種耐火鋼均使用20 mm 板厚的母材加工圓棒拉伸試樣，具體尺寸及構(gòu)造如圖1 所示。試驗(yàn)共設(shè)200 ℃、300 ℃、400 ℃、450 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、650 ℃、700 ℃、750 ℃、800 ℃等11 個(gè)溫度點(diǎn)。

表1 耐火鋼的化學(xué)成分表[3]Table 1 Chemical composition of fire-resistant steel

圖1 試樣尺寸Fig. 1 Specimen dimensions

1.2 試驗(yàn)方法

拉伸試驗(yàn)主要使用高溫電子材料試驗(yàn)機(jī)(圖2)，最大負(fù)荷達(dá)到300 kN，負(fù)荷速率為0.001 mm/min～250 mm/min，搭配有GW900 高溫爐(圖2)，工作溫度范圍為200 ℃～1100 ℃，等溫區(qū)間的長(zhǎng)度為150 mm。在高溫爐中插入K 型熱電偶，測(cè)量高溫爐內(nèi)的空氣溫度，用綁定在樣品中部的熱電偶測(cè)量樣品溫度[3]。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備Fig. 2 Test equipment

耐火鋼高溫冷卻后拉伸試驗(yàn)包括3 個(gè)階段：1)將試件升溫至預(yù)設(shè)溫度，升溫速率為10 ℃/min～15 ℃/min，并保溫15 min 恒定，使試件受熱均勻；2)試件自然冷卻至室溫，并在自然條件下放置3 d；3)進(jìn)行常溫靜力拉伸試驗(yàn)。以位移控制方式對(duì)樣品進(jìn)行負(fù)荷，將負(fù)荷速度控制在2 mm/min 的同時(shí)，使用接觸式引伸計(jì)測(cè)量試件的變形量，量程為2.5 mm，標(biāo)距為50 mm。試驗(yàn)結(jié)束后，可根據(jù)力、位移數(shù)據(jù)可以得到鋼材高溫過(guò)火后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線、屈服強(qiáng)度f(wàn)y,T、抗拉強(qiáng)度f(wàn)u,T、彈性模量ET及斷后伸長(zhǎng)率AT。

2 高溫后力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試件拉伸破壞形態(tài)如圖3 所示。經(jīng)高溫冷卻后，試件顏色根據(jù)過(guò)火溫度的不同，發(fā)生了一定程度的變化，當(dāng)過(guò)火溫度為200 ℃時(shí)，試件呈金黃色；當(dāng)過(guò)火溫度為300 ℃時(shí)，試件稍微發(fā)藍(lán)；當(dāng)過(guò)火溫度升至400 ℃～700 ℃時(shí)，試件的光澤度漸漸喪失，顏色逐漸變暗，向灰黑色轉(zhuǎn)變；當(dāng)過(guò)火溫度為750 ℃～800 ℃時(shí)，試件呈紅褐色(見(jiàn)圖3，從左到右溫度依次為20 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、450 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、650 ℃、700 ℃、750 ℃、800 ℃)。

圖3 高溫冷卻后拉伸試樣破壞情況Fig. 3 Failure of tensile specimen after fire

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

圖4 為三種牌號(hào)耐火鋼經(jīng)過(guò)高溫自然冷卻后的應(yīng)力-應(yīng)變( σ-ε)關(guān)系曲線。從圖4 可以看出，與常溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線相比，高溫后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)了明顯的屈服平臺(tái)，且都呈現(xiàn)較為一致的曲線形狀，其中過(guò)火溫度超過(guò)600 ℃的曲線的屈服平臺(tái)較明顯[15]。從三種牌號(hào)的鋼材曲線圖中也可以看出，過(guò)火溫度為650 ℃時(shí)，鋼材強(qiáng)度提高最為顯著，而當(dāng)過(guò)火溫度T持續(xù)上升到800 ℃時(shí)，鋼材強(qiáng)度突然下降。

圖4 耐火鋼過(guò)火后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig. 4 Post-fire stress-strain curves of fire-resistant steel

2.3 彈性模量

變化系數(shù)定義為高溫過(guò)火后試驗(yàn)值與未過(guò)火試驗(yàn)值的比值，用以反映高溫過(guò)火冷卻的影響。

表2 顯示了耐火鋼高溫過(guò)火冷卻后的彈性模量變化系數(shù)ηE的變化。圖5 為耐火鋼過(guò)火后的力學(xué)參數(shù)變化曲線。由表2 和圖5(a)可知，過(guò)火溫度不超過(guò)800 ℃時(shí)，對(duì)彈性模量的影響在3%以內(nèi)。

圖5 耐火鋼過(guò)火后力學(xué)參數(shù)變化曲線Fig. 5 Variation curves of mechanical parameters of fireresistant steel after fire

表2 耐火鋼過(guò)火后彈性模量參數(shù)Table 2 Elastic modulus parameters of fire-resistantsteel after fire

2.4 屈服強(qiáng)度

當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線有明顯的屈服平臺(tái)時(shí)，屈服強(qiáng)度取上屈服點(diǎn)[16]；在沒(méi)有明顯屈服平臺(tái)的情況下，屈服強(qiáng)度將采取對(duì)應(yīng)于0.2%殘余應(yīng)變的應(yīng)力值。由表3 和圖5(b)可知，三種牌號(hào)耐火鋼的屈服強(qiáng)度變化趨勢(shì)大體一致，當(dāng)過(guò)火溫度不超過(guò)550 ℃時(shí)，屈服強(qiáng)度變化不大；超過(guò)550 ℃時(shí)，屈服強(qiáng)度開(kāi)始隨溫度的升高而增大，其原因主要是該溫度下材料呈不完全奧氏體化狀態(tài)，由奧氏體和未轉(zhuǎn)變的殘余相形成的混合相組織增加了材料強(qiáng)度；當(dāng)超過(guò)700 ℃時(shí)，屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)急速下降的趨勢(shì)。耐火鋼高溫冷卻后屈服強(qiáng)度在過(guò)火溫度為650 ℃～700 ℃達(dá)到最大峰值。

表3 耐火鋼過(guò)火后屈服強(qiáng)度參數(shù)Table 3 Yield strength parameters of fire-resistant steel after fire

2.5 抗拉強(qiáng)度

表4 為耐火鋼高溫冷卻后的抗拉強(qiáng)度及其變化系數(shù)。從表4 和圖5(c)可知，當(dāng)過(guò)火溫度不超過(guò)600 ℃時(shí)，Q345FR 和Q420FR 的抗拉強(qiáng)度變化系數(shù)上下波動(dòng)幅度不超過(guò)4%；當(dāng)溫度超過(guò)600 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度隨溫度升高先增大后減小，且在650 ℃～700 ℃區(qū)間內(nèi)達(dá)到峰值。相比于Q345FR和Q420FR 的抗拉強(qiáng)度在過(guò)火后相比常溫有升高，Q460FR 的抗拉強(qiáng)度在過(guò)火后都小于常溫下的抗拉強(qiáng)度，隨著溫度的升高，抗拉強(qiáng)度會(huì)先上升至峰值而后減小，同樣在650 ℃～700 ℃區(qū)間內(nèi)達(dá)到峰值。

表4 耐火鋼過(guò)火后抗拉強(qiáng)度參數(shù)Table 4 Tensile strength parameters of fire-resistant steel after fire

出現(xiàn)以上現(xiàn)象的主要原因是：高溫過(guò)火、冷卻對(duì)耐火鋼的微觀結(jié)構(gòu)造成了改變。過(guò)火溫度在500 ℃～700 ℃時(shí)，耐火鋼材料處于未完全奧氏體化的階段，剩余的滲碳體量比鐵素體量大，奧氏體和未轉(zhuǎn)變的殘余相形成了混合相組織，材料強(qiáng)度隨之增大；當(dāng)溫度超過(guò)700 ℃，奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，獲得塊狀鐵素體加珠光體組織，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均降低。應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)了明顯的屈服平臺(tái)段。

2.6 伸長(zhǎng)率

按照《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》(GB/T 228.1-2010)[13]規(guī)定測(cè)量斷開(kāi)后的標(biāo)距，具體的方法是：將試樣破壞的部分牢牢地粘在一起，保證其軸線在同一直線上，測(cè)試試樣斷后的標(biāo)距。測(cè)量時(shí)使用的游標(biāo)卡尺精度為0.01 mm，伸長(zhǎng)率測(cè)量誤差為0.01%。并按下式計(jì)算斷后伸長(zhǎng)率A：

表5 耐火鋼過(guò)火后伸長(zhǎng)率參數(shù)Table 5 Elongation parameters of fire-resistant steel after fire

3 高溫冷卻后力學(xué)性能指標(biāo)建議取值

將耐火鋼屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度與同等級(jí)的結(jié)構(gòu)鋼Q345[17]、Q460[18]進(jìn)行對(duì)比(圖6 和圖7)，發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有研究中提出的結(jié)構(gòu)鋼的高溫冷卻后的本構(gòu)模型不適用于高強(qiáng)度耐火鋼。

圖6 屈服強(qiáng)度對(duì)比曲線Fig. 6 Contrast curve of yield strength

圖7 抗拉強(qiáng)度對(duì)比曲線Fig. 7 Contrast curve of tensile strength

3.1 彈性模量

從圖5(a)可知，各種耐火鋼的高溫冷卻后彈性模量變化均很小，可以直接取未過(guò)火耐火鋼的彈性模量。

3.2 屈服強(qiáng)度

與Q460 結(jié)構(gòu)鋼相比(圖6)，過(guò)火溫度低于500 ℃時(shí)，耐火鋼高溫冷卻后的屈服強(qiáng)度變化系數(shù)均小于Q460 結(jié)構(gòu)鋼；500 ℃～700 ℃時(shí)，耐火鋼屈服強(qiáng)度變化系數(shù)隨溫度的升高而顯著增大，而Q460 結(jié)構(gòu)鋼和Q345 結(jié)構(gòu)鋼則為下降；當(dāng)溫度超過(guò)750 ℃時(shí)，耐火鋼的屈服強(qiáng)度迅速下降。

高強(qiáng)度耐火鋼高溫冷卻后的屈服強(qiáng)度變化系數(shù)可按下式計(jì)算(圖8)，平均誤差為3.67%，方差

圖8 過(guò)火后屈服強(qiáng)度變化系數(shù)擬合公式曲線Fig. 8 Recommended formula curve of yield strength variation coefficient after fire

3.3 抗拉強(qiáng)度

圖9 過(guò)火后抗拉強(qiáng)度變化系數(shù)擬合公式曲線Fig. 9 Recommended formula curve of tensile strength variation coefficient after fire

4 結(jié)論

對(duì)比分析了耐火鋼高溫冷卻后的彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等主要力學(xué)性能指標(biāo)，本文得到了其變化規(guī)律。主要結(jié)論如下：

(1) 隨著過(guò)火溫度的升高，高溫冷卻后耐火鋼表面顏色呈現(xiàn)金黃色、淡藍(lán)色、灰黑色、紅褐色的變化趨勢(shì)。試樣斷裂時(shí)斷口截面隨溫度升高，越來(lái)越小。

(2) 與常溫下不同的是，耐火鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在高溫冷卻后出現(xiàn)了明顯的屈服平臺(tái)。當(dāng)過(guò)火溫度在700 ℃以下范圍，鋼材過(guò)火后的強(qiáng)度高于未受火情況下強(qiáng)度。

(3) 超過(guò)600 ℃時(shí)，伴隨著過(guò)火溫度的上升，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度會(huì)先上升然后急劇下降，且屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都有一個(gè)較明顯的突增點(diǎn)，伸長(zhǎng)率則在550 ℃左右有一個(gè)突增，彈性模量輕微上下浮動(dòng)，變化不大。

(4) 針對(duì)工程應(yīng)用，本文給出了高強(qiáng)度耐火鋼高溫冷卻后的彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度計(jì)算的擬合公式，可以用來(lái)評(píng)估耐火鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)后的承載性能。