高強度耐火鋼高溫下力學性能試驗研究

　　摘要：通過國產 Q345FR、Q420FR、Q460FR 耐火鋼的高溫下穩態拉伸試驗和熱膨脹變形試驗研究，得到了 20℃~800℃下各等級耐火鋼的破壞模式、應力-應變關系曲線、力學性能參數及熱膨脹系數，并與普通結構鋼高溫性能以及歐洲、中國的抗火設計規范的相關規定進行了對比。國產高強耐火鋼在溫度低于 350℃~400℃時，屈服強度、抗拉強度高于常溫，當溫度超過 400℃后，強度開始快速下降。歐洲規范 EC3 給出的高溫下普通結構鋼的彈性模量、強度計算公式不適用于高強度耐火鋼，《建筑鋼結構防火技術規范》GB 51249-2017 中耐火鋼高溫力學性能取值與本文 Q345FR 耐火鋼試驗結果較接近，但明顯小于本文 Q420FR、Q460FR 高強耐火鋼試驗結果。本文針對 Q420FR、Q460FR 高強耐火鋼，提出了高溫下彈性模量、屈服強度、抗拉強度變化系數擬合公式，可用于耐火鋼結構抗火設計。

　　本文源自樓國彪; 費楚妮; 王彥博; 陳林恒， 建筑結構學報 發表時間：2021-06-02

　　關鍵詞：耐火鋼;高溫;拉伸試驗;熱膨脹變形試驗;力學性能

　　0 引言

　　雖然鋼結構憑借承載力大、抗震性能好、施工快速等優點被廣泛應用，但高溫對鋼材材性的影響很大，容易導致鋼結構承載能力下降，且在較短時間內就達到極限狀態，這極易造成結構損傷破壞甚至導致倒塌。針對這一問題，日本、美國和我國先后研發了高性能抗火鋼材——耐火鋼。耐火鋼指的是在普通C-Mn鋼中加入Mo、 Nb、V 等合金元素來獲得具有較好耐火性能的鋼材。耐火鋼除了在室溫下的力學性能滿足普通建筑用鋼標準外，在溫度為 600℃時，其屈服強度可保持在室溫屈服強度的 2/3 以上，能有效避免或延遲鋼結構在火災下的破壞甚至倒塌[1]。

　　國內外學者對普通碳素鋼的高溫力學性能開展了較為廣泛的研究。李國強等[2]對 Q345 普通鋼進行了高溫下材性試驗研究，并根據其試驗結果提出了屈服強度和彈性模量隨溫度變化的變化系數擬合公式。香港大學[3]對比進行了高強鋼和低碳鋼在高溫下的力學性能。屈立軍等[4] 對我國 10 個鋼廠生產的 16Mn 鋼進行恒溫加載試驗研究，依據其試驗結果構建了鋼材折線應力-應變曲線和彈性模量。韓國學者 Kwon 和 Shin[5]對 SM490(相當于 Q345)進行了高溫材性試驗，給出了不同溫度下 0.2%和 1%應變的屈服強度和彈性模量，并提出了隨溫度變化的屈服強度和彈性模量計算公式。

　　目前，國內外對耐火鋼在高溫下的力學性能的研究相 對 較 少 。 日 本 學 者 Sakumoto 和 Yamaguchi[6] 對 SM-50A-NFR(fy≥324MPa)進行高溫材性試驗，并與相應等級傳統鋼進行對比;Sha 等[7]對從新日鐵獲得的兩種日本耐火鋼進行了全面的微觀結構表征和力學測試。 Jo 等[8]研究了 Mo 和 Nb 對鋼材耐火性能的影響。Kumar 等[9]對比了兩種耐火鋼與普通鋼高溫下的力學性能。我國寶鋼、武鋼等企業相繼開發出耐火厚板、H 型鋼等品種。劉明等[10]進行了 345MPa 低 Mo 和無 Mo 耐火鋼的耐火性能對比。班慧勇等[11]對我國新研制的 10.9 級高強螺栓在不同高溫下的材料性能進行了測試。近年來，南京鋼鐵開發了 Q420FR、Q460FR 級高強耐火鋼，利用 Nb 與 Mo 的相似性(Nb 常溫下固溶，而在著火高溫時沉淀析出)，用 Nb 部分替代 Mo 以降低成本，并保證鋼的高溫強度。本文主要針對南鋼集團開發的高強耐火鋼的高溫材料特性進行試驗研究，并對試驗結果進行對比分析。

　　1 高溫力學性能試驗方案

　　1.1 試樣設計

　　金屬室溫與高溫拉伸試樣采用南鋼 Q460FR、 Q420FR、Q345FR 級耐火鋼。南鋼耐火鋼的基本化學成分見表 1。三種牌號試樣設計相同。試驗中同時采用 10mm 厚和 20mm 厚兩種耐火鋼板加工室溫和高溫拉伸試樣，試樣加工成形采用線切割工藝，線切割過程中采用專用冷卻液循環冷卻以吸收切割過程產生的熱量，降低對試件的影響。依據 GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗 第 1 部分：室溫試驗方法》[12]和 GB/T 228.2-2015 《金屬材料拉伸試驗 第 2 部分：高溫試驗方法》[13]， 20mm 板厚的母材采用圓棒拉伸試樣，其具體尺寸及構造如圖 1(a)所示;10mm 板厚的母材采用平板拉伸試樣，其具體尺寸及構造如圖 1(b)所示。試驗共設 12 個溫度點，依次為 20、200、300、400、450、500、550、600、650、 700、750、800℃。

　　1.2 試驗方法

　　目前對于非長期高溫環境工作的建筑鋼結構抗火分析與設計，通常忽略鋼材高溫蠕變效應，其主要理由是：1) 火災持續時間一般都比較短，火災下鋼構件升溫很快，對結構承載力與變形起決定作用的是構件的應力水平和溫度;2) 火災下鋼構件的升溫速率與鋼材高溫材性試驗的試驗條件(5~10℃/min)很接近，故可認為基于鋼材高溫材性試驗所建立的應力-應變本構關系已隱含了鋼材在此類條件下的蠕變、松弛效應[1]。已有研究[14]對 Q345 鋼進行了恒溫加載試驗和恒載升溫試驗，認為在實際火災下蠕變影響較小，故本文不考慮高溫蠕變的影響。

　　耐火鋼高溫拉伸試驗在同濟大學土木工程防災國家重點實驗室完成，所用儀器為 300 kN 高溫電子材料試驗機(圖 2)，控制加載速率在 0.001~250 mm/min。加 熱 裝 置 是 GW900 高 溫 爐 ， 工 作 溫 度 范 圍 為 200~1100℃，分上中下 3 段控制，爐溫最小分辨率為 0.1℃，均溫段長度為 150 mm。高溫爐中插入 K 型熱電偶，以測量爐內溫度，試樣上安裝 K 型熱電偶來測量試樣溫度。選用接觸式高溫引伸計測量高溫下變形，引伸計量程為 2.5mm，標距 50mm，測量精度為 0.001mm。試驗時將高溫引伸計的兩根陶瓷接觸棒與試樣頂緊，兩棒相對位移就是標距長度內試樣的拉伸變形值。

　　耐火鋼常溫拉伸試驗，按照 GB/T228.1-2010，采用兩階段加載速率控制：第一階段采用應變速率控制，速率為 0.003/min;在應變達到 0.012 后，改為位移控制(第二階段)，位移速率為 0.26mm/min，直至破壞。耐火鋼高溫拉伸試驗采用穩態試驗法，將試樣加熱到指定溫度，升溫速率為 10℃/min，恒溫 15 min，待試樣溫度均勻、恒定后開始加載，加載控制方法和速率參照常溫拉伸試驗。

　　2 高溫力學性能試驗結果及其分析

　　2.1 試驗現象

　　耐火鋼高溫拉伸試驗后的表面顏色變化見圖 3。常溫下試件顏色呈銀白色，200℃時轉變為金黃色，溫度達到 300℃時試樣呈淡藍色，是因為在鋼表面形成了一層藍色氧化膜，400℃和 450℃時試樣表面顏色略有加深，并向咖啡色過渡;800℃時試樣顏色呈現黑色，且表面氧化層剝落現象明顯。從圖 4 不同溫度下 Q460FR 鋼試樣的破壞斷口形貌可以看出試樣斷裂時均出現一定程度的頸縮，試樣斷口較平整，呈橢圓形，顏色呈灰色，隨溫度升高，斷口截面越來越小。

　　2.2 應力-應變關系曲線

　　圖 5 為 Q345FR、Q420FR、Q460FR 耐火鋼在不同溫度下的應力-應變(