高强建筑耐火钢的开发与组织性能研究

张 芳,郝进锋

(东北石油大学秦皇岛校区,河北 秦皇岛 066004)

建筑火灾的发生容易造成建筑物的坍塌并给人民生命和财产安全带来巨大影响,在建筑火灾的高温作用下,建筑材料的力学性能会急剧恶化,并造成整体结构承载能力降低[1],如何提升建筑材料抵抗高温软化的能力是建筑结构材料科研工作者共同努力的目标。2019年4月发生的巴黎圣母院大火造成塔尖倒塌事故,以及国内高层建筑火灾造成的危害给我们敲响了警钟,并在建筑用耐火钢的性能指标方面达成了某些重要共识[2-3]:(1)力学性能和质量满足普通建筑用钢标准;(2)屈强比低于0.85%;(3)600 ℃下其屈服强度不小于常温下的 2/3等。目前,为了满足建筑耐火标准,国内通常采用耐火涂层的方法来实现,而耐火涂层在很大程度上会造成环境污染、成本升高和影响身体健康等问题[4-5]。研究采用微合金化和正火处理的方法开发出新型高强建筑耐火钢,并分析微量元素和正火温度对耐火钢显微组织和性能的影响,结果可为高强建筑耐火钢的开发与应用提供参考。

1 试验材料与测试方法

研究共设计了2种不同组分的高强建筑耐火钢,A组为Cu+Ni合金化耐火钢,B组为Mo合金化耐火钢,在真空感应熔炼炉中冶炼后锻造成180 mm×90 mm×38 mm板坯,再热轧成18 mm厚耐火钢板,主要化学成分采用纳克LAB SPAKR 750A直读光谱仪测得,结果见表1。

表1 耐火钢的化学成分

在钢板热轧过程中,耐火钢A的开轧温度为1 068℃、终轧温度为838 ℃、开冷温度为738 ℃、终冷温度为438 ℃;耐火钢B的开轧温度为1 038 ℃、终轧温度为808 ℃、开冷温度为758 ℃、终冷温度为438 ℃。热轧后分别对2种组分的耐火钢进行正火处理,其中耐火钢A分别进行715 ℃、745 ℃、775 ℃和835 ℃正火处理,依次命名为A1、A2、A3和A4耐火钢;耐火钢B分别进行715 ℃、745 ℃、775 ℃、805 ℃和835 ℃正火处理,依次命名为B1、B2、B3、B4和B5耐火钢。

从钢板同一部分截取金相试样,在不同级别砂纸上打磨后进行机械抛光,然后使用4%硝酸酒精溶液腐蚀至试样表面变灰后,在LEICA DM6M型金相显微镜上观察,并采用附带Image-Pro Plus 6.0专用分析软件统计第二相面积分数[6];室温拉伸和600 ℃高温拉伸性能测试在MTS-810型液压伺服电子万能拉伸试验机上进行,拉伸速率为2 mm/min,并以3根试样的平均值作为测试结果;透射电镜试样手工预磨至60 μm后冲压成Φ3 mm薄片,采用ETP1 型电解双喷减薄仪进行穿孔后,置于JEOL-2100型透射电子显微镜上观察微观结构。

2 试验结果及讨论

耐火钢的室温拉伸性能测试结果见表2。由表2可知,随着正火温度的升高,耐火钢A的屈服强度、抗拉强度和屈强比都表现为逐渐减小的特征,且A2、A3和A4耐火钢的屈强比都小于0.85,满足抗震钢板对于屈强比≤0.85的要求;随着正火温度的升高,耐火钢B的屈服强度和抗拉强度都表现为先增加而后减小的特征,当正火温度为775 ℃时取得耐火钢B的屈服强度和抗拉强度最大值,且当正火温度在715～835 ℃时耐火钢B的屈强比都满足小于0.85的要求。综合耐火钢A和耐火钢B的室温拉伸性能可知,Cu+Ni合金化耐火钢A经过正火处理后可获得490 MPa级耐火钢,Mo合金化耐火钢B经过正火处理后可获得590 MPa级耐火钢,且A2和B3耐火钢分别为A和B系列耐火钢中综合性能最优。

表2 耐火钢的室温拉伸性能

耐火钢的600 ℃高温拉伸性能测试结果见表3。由表3可知,A2和B3耐火钢600 ℃屈服强度分别为345 MPa和420 MPa,室温屈服强度/600 ℃屈服强度的比值分别为0.683和0.700,高于耐火钢对600 ℃下其屈服强度不小于常温下的 2/3的要求。此外,B3耐火钢的600 ℃高温屈服强度明显高于A2耐火钢。

表3 耐火钢的600 ℃高温拉伸性能

正火温度对耐火钢A显微组织的影响如图1所示。由图1可知,正火温度为715 ℃、745 ℃、775 ℃和835 ℃的A1、A2、A3和A4耐火钢的显微组织都为铁素体+马氏体,只是不同正火温度下耐火钢中铁素体和马氏体形态与含量有所不同。在较低的正火温度下(715 ℃和745 ℃),铁素体主要呈条状或者针状,晶界较为模糊;随着正火温度升高,条状铁素体逐渐向块状铁素体转变,且在正火温度为835 ℃时几乎全部转变为块状铁素体。

正火温度对耐火钢B显微组织的影响如图2所示。由图2可知,正火温度为715 ℃、745 ℃、775 ℃、805 ℃和835 ℃的B1、B2、B3、B4和B5耐火钢的显微组织都主要为铁素体+马氏体,并含有少量贝氏体和珠光体。统计分析结果表明,B1、B2、B3、B4和B5耐火钢中马氏体含量分别为3.09%、18.33%、23.60%、5.15%和4.49%,可见随着正火温度的升高,耐火钢B中马氏体含量呈现先升高而后减小的特征,在正火温度为775 ℃时取得最大值。在较低的正火温度下(715 ℃和745 ℃),铁素体主要呈条状,而较高正火温度下(805 ℃和835 ℃),铁素体几乎都为块状。B3耐火钢中较高的马氏体含量是造成耐火钢具有较高的屈服强度和抗拉强度的原因之一[7],此外,正火后耐火钢中尺寸不等的强化相析出也是造成强度改变的重要原因[8]。对比图1的不同正火温度下耐火钢A的显微组织可知,耐火钢A中主要为针状或者条状铁素体,而耐火钢B主要是铁素体和马氏体,这主要是由于2种耐火钢中微合金化元素的作用不同所致[9]。

图1 正火温度对耐火钢A显微组织的影响Fig.1 Effect of normalizing temperature on microtissue of fire resistant steel A

图2 正火温度对耐火钢B显微组织的影响Fig.2 Effect of normalizing temperature on microtissue of fire resistant steel B

耐火钢的透射电镜显微组织观察结果如图3所示。由图3可知,B3耐火钢中含有较多的M-A岛和尺寸不等的纳米级析出相,局部可见板条马氏体;透射电镜下,纳米级析出相在晶界和晶内都有析出,结合文献[10]可知,这些析出相主要为Mo(C,N)相,在室温塑性变形过程中可以起到钉扎位错和阻碍滑移等作用[11],从而对耐火钢起到第二相强化的作用,且由于这种析出相具有较高的热稳定性,在600 ℃高温拉伸过程中仍然可以起到第二相强化作用而保持较高的强度。

图3 B3耐火钢的TEM形貌Fig.3 TEM profile of B3 fire-resistant steel

3 结论

(1) 随着正火温度的升高,耐火钢A的屈服强度、抗拉强度和屈强比都表现为逐渐减小的特征,且A2、A3和A4耐火钢的屈强比都小于0.85。随着正火温度的升高,耐火钢B的屈服强度和抗拉强度都表现为先增加而后减小的特征,当正火温度为775℃时取得耐火钢B的屈服强度和抗拉强度最大值,且当正火温度在715～835℃时耐火钢B的屈强比都满足小于0.85的要求。

(2) A2和B3耐火钢600 ℃屈服强度分别为345 MPa和420 MPa,室温屈服强度/600 ℃屈服强度的比值分别为0.683和0.700,高于耐火钢对600 ℃下其屈服强度不小于常温下的 2/3的要求。

(3) 随着正火温度的升高,耐火钢B中马氏体含量呈现先升高而后减小的特征,在正火温度为775 ℃时取得最大值;B3耐火钢中含有较多的M-A岛和尺寸不等的纳米级析出相,局部可见板条马氏体,纳米级析出相可以起到第二相强化作用,从而保证耐火钢具有较高的室温强度和高温强度。