高強度耐火鋼高溫冷卻后力學性能試驗研究

樓國彪，費楚妮，王彥博，陳林恒

(1. 同濟大學土木工程學院，上海 200092；2. 同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092；3. 南京鋼鐵股份有限公司，南京 210035)

目前，主要有兩種方法來提高鋼結構的抗火性能和耐火極限：第一，采用防火涂料對鋼結構進行保護，通過延緩構件升溫的速度來達到防火效果；第二，提高鋼材的耐火力學性能，即生產出耐火鋼。1988 年日本學者在普通C-Mn 鋼材中添加耐高溫的合金元素Mo、Cr、Nb、V 等提高其高溫強度。國內馬鋼、寶鋼、武鋼、鞍鋼等在20 世紀90 年代后期研制了Q235 級、Q345 級耐火鋼，并在上海中福城高層鋼結構住宅、北京國家大劇院鋼結構外殼等建筑中都得到了應用[1]。

通常規定在600 ℃耐火鋼的屈服強度不低于常溫屈服強度的2/3，同時保證耐火鋼在常溫下的機械性能和可焊性能不低于相應等級的普通鋼。以往的耐火鋼采用了較多的Mo 元素，成本高、且強度等級較低，主要為Q235 級、Q345 級耐火鋼[2]。為此，南鋼集團開發了Q460FR、Q420FR、Q345FR級新型高強度耐火鋼，用Nb 元素部分替代Mo 元素，大幅降低了成本，并保證其高溫強度[3]。

在絕大多數鋼結構建筑火災中，鋼結構沒有發生根本性破壞，為保證后續使用安全，需對其進行火災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火后的力學性能。Lu 等[6]對Q235、Q345 和Q420 等熱軋鋼和Q235 冷彎型鋼進行了高溫冷卻后力學性能試驗研究。Gunalan 等[7]和Qiang 等[8-9]分別對G 系列(G300、G500、G550)鋼和S 系列(S460、S690、S960)高強度鋼進行了高溫冷卻后的力學性能研究。李國強等[10]和胡婉穎等[11]都對Q690 高強度鋼進行了高溫冷卻后力學性能試驗。樓國彪等[12]對8.8S 和10.9S 高強度螺栓進行了高溫冷卻后力學性能試驗研究。目前，國內外的研究中較缺乏針對高強度耐火鋼的力學性能的研究，本文主要針對南鋼產Q460FR、Q420FR、Q345FR 級別的新型高強度耐火鋼在高溫冷卻后進行力學性能試驗。

1 高溫后力學性能試驗方案

1.1 試樣設計

試樣由Q460FR、Q420FR、Q345FR 級的高強度耐火鋼制成，耐火鋼具體化學成分如表1 所示。本次試驗所用鋼材與文獻[3]中為同一批鋼材。試樣設計遵循金屬拉伸試驗方法[13-14]中規定，三種耐火鋼均使用20 mm 板厚的母材加工圓棒拉伸試樣，具體尺寸及構造如圖1 所示。試驗共設200 ℃、300 ℃、400 ℃、450 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、650 ℃、700 ℃、750 ℃、800 ℃等11 個溫度點。

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

圖1 試樣尺寸Fig. 1 Specimen dimensions

1.2 試驗方法

拉伸試驗主要使用高溫電子材料試驗機(圖2)，最大負荷達到300 kN，負荷速率為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 ℃，等溫區間的長度為150 mm。在高溫爐中插入K 型熱電偶，測量高溫爐內的空氣溫度，用綁定在樣品中部的熱電偶測量樣品溫度[3]。

圖2 試驗設備Fig. 2 Test equipment

耐火鋼高溫冷卻后拉伸試驗包括3 個階段：1)將試件升溫至預設溫度，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)進行常溫靜力拉伸試驗。以位移控制方式對樣品進行負荷，將負荷速度控制在2 mm/min 的同時，使用接觸式引伸計測量試件的變形量，量程為2.5 mm，標距為50 mm。試驗結束后，可根據力、位移數據可以得到鋼材高溫過火后的應力-應變關系曲線、屈服強度fy,T、抗拉強度fu,T、彈性模量ET及斷后伸長率AT。

2 高溫后力學性能試驗結果及其分析

2.1 試驗現象

試件拉伸破壞形態如圖3 所示。經高溫冷卻后，試件顏色根據過火溫度的不同，發生了一定程度的變化，當過火溫度為200 ℃時，試件呈金黃色；當過火溫度為300 ℃時，試件稍微發藍；當過火溫度升至400 ℃～700 ℃時，試件的光澤度漸漸喪失，顏色逐漸變暗，向灰黑色轉變；當過火溫度為750 ℃～800 ℃時，試件呈紅褐色(見圖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 應力-應變關系曲線

圖4 為三種牌號耐火鋼經過高溫自然冷卻后的應力-應變( σ-ε)關系曲線。從圖4 可以看出，與常溫下的應力-應變曲線相比，高溫后的應力-應變曲線出現了明顯的屈服平臺，且都呈現較為一致的曲線形狀，其中過火溫度超過600 ℃的曲線的屈服平臺較明顯[15]。從三種牌號的鋼材曲線圖中也可以看出，過火溫度為650 ℃時，鋼材強度提高最為顯著，而當過火溫度T持續上升到800 ℃時，鋼材強度突然下降。

圖4 耐火鋼過火后的應力-應變關系曲線Fig. 4 Post-fire stress-strain curves of fire-resistant steel

2.3 彈性模量

變化系數定義為高溫過火后試驗值與未過火試驗值的比值，用以反映高溫過火冷卻的影響。

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

圖5 耐火鋼過火后力學參數變化曲線Fig. 5 Variation curves of mechanical parameters of fireresistant steel after fire

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

2.4 屈服強度

當應力-應變關系曲線有明顯的屈服平臺時，屈服強度取上屈服點[16]；在沒有明顯屈服平臺的情況下，屈服強度將采取對應于0.2%殘余應變的應力值。由表3 和圖5(b)可知，三種牌號耐火鋼的屈服強度變化趨勢大體一致，當過火溫度不超過550 ℃時，屈服強度變化不大；超過550 ℃時，屈服強度開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，由奧氏體和未轉變的殘余相形成的混合相組織增加了材料強度；當超過700 ℃時，屈服強度呈現急速下降的趨勢。耐火鋼高溫冷卻后屈服強度在過火溫度為650 ℃～700 ℃達到最大峰值。

表3 耐火鋼過火后屈服強度參數Table 3 Yield strength parameters of fire-resistant steel after fire

2.5 抗拉強度

表4 為耐火鋼高溫冷卻后的抗拉強度及其變化系數。從表4 和圖5(c)可知，當過火溫度不超過600 ℃時，Q345FR 和Q420FR 的抗拉強度變化系數上下波動幅度不超過4%；當溫度超過600 ℃時，抗拉強度隨溫度升高先增大后減小，且在650 ℃～700 ℃區間內達到峰值。相比于Q345FR和Q420FR 的抗拉強度在過火后相比常溫有升高，Q460FR 的抗拉強度在過火后都小于常溫下的抗拉強度，隨著溫度的升高，抗拉強度會先上升至峰值而后減小，同樣在650 ℃～700 ℃區間內達到峰值。

表4 耐火鋼過火后抗拉強度參數Table 4 Tensile strength parameters of fire-resistant steel after fire

出現以上現象的主要原因是：高溫過火、冷卻對耐火鋼的微觀結構造成了改變。過火溫度在500 ℃～700 ℃時，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，奧氏體和未轉變的殘余相形成了混合相組織，材料強度隨之增大；當溫度超過700 ℃，奧氏體發生共析轉變，獲得塊狀鐵素體加珠光體組織，屈服強度和抗拉強度均降低。應力-應變曲線出現了明顯的屈服平臺段。

2.6 伸長率

按照《金屬材料拉伸試驗 第1 部分：室溫試驗方法》(GB/T 228.1-2010)[13]規定測量斷開后的標距，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，測試試樣斷后的標距。測量時使用的游標卡尺精度為0.01 mm，伸長率測量誤差為0.01%。并按下式計算斷后伸長率A：

表5 耐火鋼過火后伸長率參數Table 5 Elongation parameters of fire-resistant steel after fire

3 高溫冷卻后力學性能指標建議取值

將耐火鋼屈服強度、抗拉強度與同等級的結構鋼Q345[17]、Q460[18]進行對比(圖6 和圖7)，發現在現有研究中提出的結構鋼的高溫冷卻后的本構模型不適用于高強度耐火鋼。

圖6 屈服強度對比曲線Fig. 6 Contrast curve of yield strength

圖7 抗拉強度對比曲線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，可以直接取未過火耐火鋼的彈性模量。

3.2 屈服強度

與Q460 結構鋼相比(圖6)，過火溫度低于500 ℃時，耐火鋼高溫冷卻后的屈服強度變化系數均小于Q460 結構鋼；500 ℃～700 ℃時，耐火鋼屈服強度變化系數隨溫度的升高而顯著增大，而Q460 結構鋼和Q345 結構鋼則為下降；當溫度超過750 ℃時，耐火鋼的屈服強度迅速下降。

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

圖8 過火后屈服強度變化系數擬合公式曲線Fig. 8 Recommended formula curve of yield strength variation coefficient after fire

3.3 抗拉強度

圖9 過火后抗拉強度變化系數擬合公式曲線Fig. 9 Recommended formula curve of tensile strength variation coefficient after fire

4 結論

對比分析了耐火鋼高溫冷卻后的彈性模量、屈服強度、抗拉強度等主要力學性能指標，本文得到了其變化規律。主要結論如下：

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

(2) 與常溫下不同的是，耐火鋼的應力-應變曲線在高溫冷卻后出現了明顯的屈服平臺。當過火溫度在700 ℃以下范圍，鋼材過火后的強度高于未受火情況下強度。

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

(4) 針對工程應用，本文給出了高強度耐火鋼高溫冷卻后的彈性模量、屈服強度、抗拉強度計算的擬合公式，可以用來評估耐火鋼結構火災后的承載性能。