高強(qiáng)建筑耐火鋼的開發(fā)與組織性能研究

張 芳,郝進(jìn)鋒

(東北石油大學(xué)秦皇島校區(qū),河北 秦皇島 066004)

建筑火災(zāi)的發(fā)生容易造成建筑物的坍塌并給人民生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來巨大影響,在建筑火災(zāi)的高溫作用下,建筑材料的力學(xué)性能會(huì)急劇惡化,并造成整體結(jié)構(gòu)承載能力降低[1],如何提升建筑材料抵抗高溫軟化的能力是建筑結(jié)構(gòu)材料科研工作者共同努力的目標(biāo)。2019年4月發(fā)生的巴黎圣母院大火造成塔尖倒塌事故,以及國內(nèi)高層建筑火災(zāi)造成的危害給我們敲響了警鐘,并在建筑用耐火鋼的性能指標(biāo)方面達(dá)成了某些重要共識(shí)[2-3]:(1)力學(xué)性能和質(zhì)量滿足普通建筑用鋼標(biāo)準(zhǔn);(2)屈強(qiáng)比低于0.85%;(3)600 ℃下其屈服強(qiáng)度不小于常溫下的 2/3等。目前,為了滿足建筑耐火標(biāo)準(zhǔn),國內(nèi)通常采用耐火涂層的方法來實(shí)現(xiàn),而耐火涂層在很大程度上會(huì)造成環(huán)境污染、成本升高和影響身體健康等問題[4-5]。研究采用微合金化和正火處理的方法開發(fā)出新型高強(qiáng)建筑耐火鋼,并分析微量元素和正火溫度對(duì)耐火鋼顯微組織和性能的影響,結(jié)果可為高強(qiáng)建筑耐火鋼的開發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與測試方法

研究共設(shè)計(jì)了2種不同組分的高強(qiáng)建筑耐火鋼,A組為Cu+Ni合金化耐火鋼,B組為Mo合金化耐火鋼,在真空感應(yīng)熔煉爐中冶煉后鍛造成180 mm×90 mm×38 mm板坯,再熱軋成18 mm厚耐火鋼板,主要化學(xué)成分采用納克LAB SPAKR 750A直讀光譜儀測得,結(jié)果見表1。

表1 耐火鋼的化學(xué)成分

在鋼板熱軋過程中,耐火鋼A的開軋溫度為1 068℃、終軋溫度為838 ℃、開冷溫度為738 ℃、終冷溫度為438 ℃;耐火鋼B的開軋溫度為1 038 ℃、終軋溫度為808 ℃、開冷溫度為758 ℃、終冷溫度為438 ℃。熱軋后分別對(duì)2種組分的耐火鋼進(jìn)行正火處理,其中耐火鋼A分別進(jìn)行715 ℃、745 ℃、775 ℃和835 ℃正火處理,依次命名為A1、A2、A3和A4耐火鋼;耐火鋼B分別進(jìn)行715 ℃、745 ℃、775 ℃、805 ℃和835 ℃正火處理,依次命名為B1、B2、B3、B4和B5耐火鋼。

從鋼板同一部分截取金相試樣,在不同級(jí)別砂紙上打磨后進(jìn)行機(jī)械拋光,然后使用4%硝酸酒精溶液腐蝕至試樣表面變灰后,在LEICA DM6M型金相顯微鏡上觀察,并采用附帶Image-Pro Plus 6.0專用分析軟件統(tǒng)計(jì)第二相面積分?jǐn)?shù)[6];室溫拉伸和600 ℃高溫拉伸性能測試在MTS-810型液壓伺服電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,拉伸速率為2 mm/min,并以3根試樣的平均值作為測試結(jié)果;透射電鏡試樣手工預(yù)磨至60 μm后沖壓成Φ3 mm薄片,采用ETP1 型電解雙噴減薄儀進(jìn)行穿孔后,置于JEOL-2100型透射電子顯微鏡上觀察微觀結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

耐火鋼的室溫拉伸性能測試結(jié)果見表2。由表2可知,隨著正火溫度的升高,耐火鋼A的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和屈強(qiáng)比都表現(xiàn)為逐漸減小的特征,且A2、A3和A4耐火鋼的屈強(qiáng)比都小于0.85,滿足抗震鋼板對(duì)于屈強(qiáng)比≤0.85的要求;隨著正火溫度的升高,耐火鋼B的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都表現(xiàn)為先增加而后減小的特征,當(dāng)正火溫度為775 ℃時(shí)取得耐火鋼B的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最大值,且當(dāng)正火溫度在715～835 ℃時(shí)耐火鋼B的屈強(qiáng)比都滿足小于0.85的要求。綜合耐火鋼A和耐火鋼B的室溫拉伸性能可知,Cu+Ni合金化耐火鋼A經(jīng)過正火處理后可獲得490 MPa級(jí)耐火鋼,Mo合金化耐火鋼B經(jīng)過正火處理后可獲得590 MPa級(jí)耐火鋼,且A2和B3耐火鋼分別為A和B系列耐火鋼中綜合性能最優(yōu)。

表2 耐火鋼的室溫拉伸性能

耐火鋼的600 ℃高溫拉伸性能測試結(jié)果見表3。由表3可知,A2和B3耐火鋼600 ℃屈服強(qiáng)度分別為345 MPa和420 MPa,室溫屈服強(qiáng)度/600 ℃屈服強(qiáng)度的比值分別為0.683和0.700,高于耐火鋼對(duì)600 ℃下其屈服強(qiáng)度不小于常溫下的 2/3的要求。此外,B3耐火鋼的600 ℃高溫屈服強(qiáng)度明顯高于A2耐火鋼。

表3 耐火鋼的600 ℃高溫拉伸性能

正火溫度對(duì)耐火鋼A顯微組織的影響如圖1所示。由圖1可知,正火溫度為715 ℃、745 ℃、775 ℃和835 ℃的A1、A2、A3和A4耐火鋼的顯微組織都為鐵素體+馬氏體,只是不同正火溫度下耐火鋼中鐵素體和馬氏體形態(tài)與含量有所不同。在較低的正火溫度下(715 ℃和745 ℃),鐵素體主要呈條狀或者針狀,晶界較為模糊;隨著正火溫度升高,條狀鐵素體逐漸向塊狀鐵素體轉(zhuǎn)變,且在正火溫度為835 ℃時(shí)幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀鐵素體。

正火溫度對(duì)耐火鋼B顯微組織的影響如圖2所示。由圖2可知,正火溫度為715 ℃、745 ℃、775 ℃、805 ℃和835 ℃的B1、B2、B3、B4和B5耐火鋼的顯微組織都主要為鐵素體+馬氏體,并含有少量貝氏體和珠光體。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,B1、B2、B3、B4和B5耐火鋼中馬氏體含量分別為3.09%、18.33%、23.60%、5.15%和4.49%,可見隨著正火溫度的升高,耐火鋼B中馬氏體含量呈現(xiàn)先升高而后減小的特征,在正火溫度為775 ℃時(shí)取得最大值。在較低的正火溫度下(715 ℃和745 ℃),鐵素體主要呈條狀,而較高正火溫度下(805 ℃和835 ℃),鐵素體幾乎都為塊狀。B3耐火鋼中較高的馬氏體含量是造成耐火鋼具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的原因之一[7],此外,正火后耐火鋼中尺寸不等的強(qiáng)化相析出也是造成強(qiáng)度改變的重要原因[8]。對(duì)比圖1的不同正火溫度下耐火鋼A的顯微組織可知,耐火鋼A中主要為針狀或者條狀鐵素體,而耐火鋼B主要是鐵素體和馬氏體,這主要是由于2種耐火鋼中微合金化元素的作用不同所致[9]。

圖1 正火溫度對(duì)耐火鋼A顯微組織的影響Fig.1 Effect of normalizing temperature on microtissue of fire resistant steel A

圖2 正火溫度對(duì)耐火鋼B顯微組織的影響Fig.2 Effect of normalizing temperature on microtissue of fire resistant steel B

耐火鋼的透射電鏡顯微組織觀察結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,B3耐火鋼中含有較多的M-A島和尺寸不等的納米級(jí)析出相,局部可見板條馬氏體;透射電鏡下,納米級(jí)析出相在晶界和晶內(nèi)都有析出,結(jié)合文獻(xiàn)[10]可知,這些析出相主要為Mo(C,N)相,在室溫塑性變形過程中可以起到釘扎位錯(cuò)和阻礙滑移等作用[11],從而對(duì)耐火鋼起到第二相強(qiáng)化的作用,且由于這種析出相具有較高的熱穩(wěn)定性,在600 ℃高溫拉伸過程中仍然可以起到第二相強(qiáng)化作用而保持較高的強(qiáng)度。

圖3 B3耐火鋼的TEM形貌Fig.3 TEM profile of B3 fire-resistant steel

3 結(jié)論

(1) 隨著正火溫度的升高,耐火鋼A的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和屈強(qiáng)比都表現(xiàn)為逐漸減小的特征,且A2、A3和A4耐火鋼的屈強(qiáng)比都小于0.85。隨著正火溫度的升高,耐火鋼B的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都表現(xiàn)為先增加而后減小的特征,當(dāng)正火溫度為775℃時(shí)取得耐火鋼B的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最大值,且當(dāng)正火溫度在715～835℃時(shí)耐火鋼B的屈強(qiáng)比都滿足小于0.85的要求。

(2) A2和B3耐火鋼600 ℃屈服強(qiáng)度分別為345 MPa和420 MPa,室溫屈服強(qiáng)度/600 ℃屈服強(qiáng)度的比值分別為0.683和0.700,高于耐火鋼對(duì)600 ℃下其屈服強(qiáng)度不小于常溫下的 2/3的要求。

(3) 隨著正火溫度的升高,耐火鋼B中馬氏體含量呈現(xiàn)先升高而后減小的特征,在正火溫度為775 ℃時(shí)取得最大值;B3耐火鋼中含有較多的M-A島和尺寸不等的納米級(jí)析出相,局部可見板條馬氏體,納米級(jí)析出相可以起到第二相強(qiáng)化作用,從而保證耐火鋼具有較高的室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度。