火災環境對Q345厚板鐵素體相含量及硬度的影響

徐 浩,緱瑞賓,王 念,于 敏

(1. 安徽科技學院 機械工程學院,安徽 鳳陽 233100;2. 蚌埠市特種設備監督檢驗中心,安徽 蚌埠 233000;3. 安徽科技學院 建筑學院,安徽 蚌埠 233000)

隨著人類經濟的發展和城市化進程的加速,火災事故頻繁發生,火災環境對工程厚板的微觀組織和力學性能產生了不可忽視的影響,進而影響工程厚板的服役安全性能,對人們的生命財產安全造成了嚴重威脅[1]。因此,揭示火災環境下工程厚板微觀組織和力學性能的變化規律,對受火后工程厚板的性能評價和綠色再利用具有重大指導價值。

對于高溫后鋼材微觀組織和力學性能的變化,國內外學者已有諸多研究。在高溫環境對材料微觀組織的影響方面,陳友明等人通過研究熱處理對Q345B鋼基堆焊復合板顯微組織的影響,發現不同熱處理工藝會對珠光體含量變化產生影響[2];Liu等人研究了溫度和保溫時間對1.5 mm厚22MnB5NbV鋼晶粒尺寸的影響,研究表明試驗鋼的晶粒尺寸隨溫度的升高和保溫時間的延長而增大[3]。在高溫環境對材料力學性能的影響方面,Zhou等人分別研究了受火后Q620高速鋼自然、泡沫和浸水3種冷卻方式下的力學性能,提出了溫度和不同冷卻方式作用下Q620高速鋼力學性能預測方程[4];王茹玉等人研究了回火溫度對Ti-V-Mo復合微合金鋼組織及硬度的影響,結果表明:在450～600 ℃回火時,試驗鋼硬度與回火溫度正相關[5]。在高溫環境與材料微觀組織、力學性能關系研究方面,Ge等人建立了高溫環境與薄銅板的強度及伸長率的“溫度-厚度”雙參數預測模型[6]。綜上所述,學者在火災或高溫環境對厚板鐵素體相含量及硬度的影響方面仍待深入研究,尤其是組織與力學性能分布模型方面。因此,隨著火災事故頻發,開展高溫環境作用下工程厚板組織與力學性能的研究迫在眉睫。

為了揭示受火后厚板組織與硬度性能的分布規律,本文以Q345厚板為研究對象,采用模擬火災環境的試驗方法,對試驗鋼的鐵素體相含量和硬度變化進行定量分析。

1 試驗材料與方法

試驗材料為Q345厚鋼板,其化學成分如表1所示。采用加熱爐加熱+保溫的方法,將試塊以10 ℃/min的升溫速率加熱至指定火災溫度(400、600、800 ℃),保溫40 min后水冷至室溫;其次,從試塊中心位置取出試樣;第三,微觀組織及硬度測試點位置沿RD向分為2列L(L1=20 mm、L2=80 mm),沿ND向分為3個距表層距離l(l1=2 mm、l2=10 mm、l3=20 mm),試樣尺寸與測試點位置如圖1所示;第四,采用光學顯微鏡和Matlab軟件對試樣微觀組織進行觀察、測量與分析;最后,借助Zwick維氏硬度計(HV10)測量試樣硬度。

表1 Q345厚板化學成分 w/%

2 結果與分析

2.1 Q345厚鋼板典型微觀組織結果

Q345厚鋼板原始樣與不同火災環境下(400、600、800 ℃,保溫40 min)的典型微觀組織觀測結果如圖2所示。

圖2 不同火災環境下Q345厚鋼板典型微觀組織

由圖2a～c可知,其微觀組織由淺色相鐵素體(F)和深色相珠光體(P)構成,鐵素體與珠光體沿平行于軋制方向(RD)呈層狀分布形成帶狀組織[7]。帶狀組織是軋制過程中最常見的組織缺陷,因溶解在奧氏體中元素的擴散速率差異使鋼中Mn的偏析所致[8]。這些不均勻的帶狀組織會使材料的力學性能呈各向異性,嚴重影響材料的使用性能。如圖2d所示,其微觀組織主要由鐵素體(F)和馬氏體(M)組成,試樣的帶狀組織隨溫度的升高得到改善。其主要因800 ℃時鋼材處于雙相區,在加熱過程中奧氏體發生形核、生長,以及組織中的滲碳體通過碳原子擴散逐漸溶解到奧氏體中[9],原始碳偏聚程度減小,進而弱化了帶狀組織現象。

2.2 Q345厚鋼板鐵素體相含量統計結果

為揭示火災環境對Q345厚板鐵素體含量VF的影響規律,分別在每個觀測點內獲取6張微觀組織圖像,利用Matlab軟件測定出各組織圖像的VF并取平均值,其統計結果見圖3。

(a) 20 ℃-0 min

(b) 400 ℃-40 min

(c) 600 ℃-40 min

(d) 800 ℃-40 min圖3 不同火災環境下Q345厚鋼板鐵素體相含量

由圖3可知,鐵素體相含量VF總體波動范圍分別為:57.3～71.2%(20 ℃)、57.6～62.5%(400 ℃)、58.9～72.0%(600 ℃)和36.4～41.0%(800 ℃)。當溫度低于600 ℃時,試樣組織未發生相變,仍由鐵素體+珠光體組成,因此,組織中鐵素體相含量的變化范圍相近;800 ℃時,珠光體分解為鐵素體+滲碳體,由于溫度不夠高,部分鐵素體轉化為奧氏體,經水冷后奧氏體轉變為馬氏體,導致鐵素體相含量明顯降低[10]。當受火溫度相同時,VF隨l的增加而總體增加,l3=20 mm與l1=2 mm位置相比,VF的最大增幅分別為:18.4%(20 ℃)、5.8%(400 ℃)、16.4%(600 ℃)和16.5%(800 ℃),這主要因高溫后材料芯部冷卻緩慢導致奧氏體向鐵素體轉變所造成[11]。綜上所述,火災溫度對Q345厚鋼板鐵素體相含量的變化具有一定影響。

2.3 Q345厚鋼板硬度統計結果

圖4為原始樣與不同火災環境下Q345厚鋼板硬度H的統計結果。由圖4a～d可知,H總體變化范圍分別為:131.3～140.1 HV(20 ℃)、139.9～151.4 HV(400 ℃)、150.7～175.3 HV(600 ℃)和195.5～204.1 HV(800 ℃)。當溫度低于600 ℃時,Q345厚鋼板硬度值相近;800 ℃時,經水冷后組織中析出的馬氏體使Q345厚鋼板硬度值增加[12]。對比400、600和800 ℃三種受火溫度下,800 ℃時試樣硬度值的總體波動范圍明顯低于400和600 ℃,細小的鐵素體和馬氏體組織是導致其硬度值波動較小的主要原因[13]。綜上可知,受火溫度對Q345厚鋼板硬度的非均勻分布影響顯著。

(a) 20 ℃-0 min

(b) 400 ℃-40 min

(c) 600 ℃-40 min

(d) 800 ℃-40 min圖4 不同火災環境下Q345厚鋼板硬度

3 火災溫度與Q345厚板組織性能關系

為了揭示火災環境下Q345厚板組織與力學性能的變化規律,采用指數函數對Q345厚鋼板鐵素體相含量VF、硬度H與火災溫度T之間的內在關系進行研究。有

(1)

式中:V0、H0為偏移量;AV、AH為系數;tV、tH為常數。

3.1 鐵素體相含量

鐵素體相含量擬合結果如圖5所示,可以看出:Q345厚板L1與L2位置處各觀測點的VF總體上隨火災溫度T的增加而減小。由20 ℃到800 ℃時,L1位置處各觀測點VF的值分別為:59.8 - 36.4%(#1-1)、62.0 - 41.1%(#1-2)、和70.8 - 42.4%(#1-3);L2位置處各觀測點VF的值分別為:57.3 - 42.0%(#2-1)、71.2 - 41.0%(#2-2)、和66.7 - 48.1%(#2-3)。

利用式(1)分別對圖 5中各Q345厚鋼板的VF值進行擬合,構建了L1、L2各觀測點鐵素體含量VF與火災溫度T之間的關系曲線。擬合公式如式(2),結果參數如表2所示。

(a) L1=20 mm

(b) L2=80 mm圖5 鐵素體相含量擬合結果

(2)

表2 VF-T預測模型(式2)參數結果

根據預測式(2)對Q345厚板L1、L2位置處各觀測點內VF值進行計算,對比結果如圖6所示,預測值與試驗值偏差均小于12.2%。表明式(2)能較好地預測受火后Q345厚板L1、L2位置處各觀測點的鐵素體相含量。

3.2 硬度

硬度擬合結果如圖7所示,可以看出:Q345厚板L1與L2位置處各觀測點硬度H隨火災溫度T的升高而增大。與室溫(20 ℃)相比,L1位置處各觀測點H的最大增幅分別為:55.5%(#1-1)、44.56%(#1-2)和48.38%(#1-3);L2位置處各觀測點H的最大增幅分別為:44.02%(#2-1)、50.1%(#2-2)和48.65%(#2-3)。

采用式(1)對硬度H進行擬合,分別構建了L1、L2位置處各觀測點硬度H與火災溫度T之間的關系曲線,擬合參數如表3所示。

表3 H-T預測模型(式(4))參數結果

(a) L1=20 mm

(b) L2=80 mm圖6 鐵素體相含量試驗值與預測值對比

(a) L1=20 mm

(b) L2=80 mm圖7 硬度擬合結果

由表3可知,對于H0、AH、tH三個參數,H0對H的影響程度最大,因此,對H0的變化規律進行分析,并采用線性函數進行擬合,建立L1、L2處距表層距離l與H0關系,即

(3)

將式(3)帶入式(1),得到Q345厚板L1與L2位置處各硬度H、距表層距離l和火災暴露溫度T之間的關系,即

(4)

根據式(4)對Q345厚板各觀測點硬度H進行計算,并與試驗值進行對比,對比結果如圖8所示。預測值與試驗值的最大計算偏差小于12.6%,表明式(4)能夠預測火災環境下Q345厚板L1、L2位置處各觀測點的硬度。

3.3 鐵素體相含量與硬度關系

如前所述,火災溫度對Q345厚鋼板鐵素體相含量及硬度影響顯著。因此,為評價火災環境下Q345厚板鐵素體相含量對其硬度的影響,對其相互關系進行統計分析,結果見圖9。

VF=64.1-1.1*10-38H17.05,R2=0.76.

(5)

由圖9可知,當試樣中鐵素體相含量低于50%時,其硬度明顯提高。基于試驗結果,發現火災環境下Q345厚板鐵素體含量與硬度符合式(5)函數模型,且模型精度較高。因此,該模型可為火災環境下Q345厚板組織對其力學性能的影響提供理論依據。

(a) L1=20 mm

(b) L2=80 mm圖8 硬度試驗值與預測值對比

圖9 鐵素體相含量對硬度的影響

4 結論

1) 相同受火溫度下,Q345厚鋼板鐵素體含量及硬度沿厚向的變化趨勢不明顯;試樣同一觀測點位置的鐵素體相含量隨溫度的增加而下降,硬度則不斷增大。

2) Q345厚板鐵素體含量VF、硬度H均與火災溫度T之間符合指數函數關系;分別構建了Q345厚板鐵素體含量的“VF-T”預測模型,以及硬度的“H-l-T”雙參數預測模型。對比試驗值與預測值,Q345厚板VF與H預測模型的最大誤差分別為12.2%和12.6%,具有較好的準確性。

3) 基于火災環境下Q345厚板鐵素體含量VF及硬度H試驗結果,發現兩者之間符合指數函數關系,為火災環境下Q345厚板組織對其力學性能的影響提供理論依據。