新型钢结构建筑用钢耐火性能研究

1、前言
　　美国“9.11”事件后，钢结构建筑用钢防火性能已引起政府及设计部门高度重视。耐火耐候钢作为新一代建筑用钢，具有屈强比低、抗层状撕裂良好、焊接性能及耐火性能和防腐性能良好等优点，在中低层或高层建筑、场馆/网架大跨度建筑、轻钢建筑等领域使用前景较广。
　　耐火性能高低通常以日本建筑防火标准为指导，要求试验钢在600℃高温时屈服强度不低于室温屈服强度的2/3。普通钢无法满足要求，必须进行细致的防火及防腐处理，费用昂贵且耗时较长。
　　欧美、日本等发达国家利用Cr、Mo、Nb等合金元素的特性，开发出了低C-Mn-Mo-Nb系列、耐火温度为600℃的建筑用耐火钢，在600℃条件下，屈服强度能保持在室温的2/3以上。为了提高钢的高温性能，通常添加0.50%Mo以及0.02%Nb[1]。Mo+Nb合金化虽然满足防火设计要求，但增加了钢厂生产成本，销售价格过高，限制了它的推广应用。对于用钢量较大的中低层建筑、空间网架结构、轻钢建筑范畴，无法与传统使用的普通钢+防火涂料/防腐涂料相抗衡。
　　本文结合攀钢近期的研究工作，研究开发低成本的耐火耐候钢以适应市场需要。试验钢化学成分设计以低碳当量为基础，对含Mo-Nb、Mo-Cr-Nb-Ni、低Mo-Nb-Ti、无Mo合金系钢开展实验室研究，经冶炼、锻造、热轧等工序后，进行相关检验及分析。
　　2、试验方法
　　试验钢化学成分以低C-Mn为基础，对含Mo-Cr-Nb-Ni、Mo-Nb、低Mo-Nb-Ti、无Mo钢开展了研究，对比钢为耐候钢。试验钢的化学成分表2-1。
　　表2-1试验钢的化学成分(%)
　　钢种CSiMnPSMoCu添加元素
　　Mo-Cr-Nb-Ni≤0.12≤0.50≤1.50≤0.120≤0.02≤0.80≤0.40Cr、Ni、Nb等
　　Mo-Nb≤0.12≤0.50≤1.50≤0.120≤0.02≤0.80≤0.40V、Ti、Nb等
　　低Mo-Nb-Ti≤0.12≤0.50≤1.50≤0.120≤0.02≤0.60≤0.40V、Ti、Nb等
　　无Mo钢≤0.12≤0.50≤1.50≤0.120≤0.02/≤0.40V、Ti、Nb等
　　试验原料为低碳铝镇静钢，经中频感应炉冶炼、合金化后浇铸成钢锭;钢锭加热后锻造成板坯(尺寸为25×230×400mm);经加热、3～5道次轧制、冷却，最终厚度为5～7mm。
　　冶炼设备为150Kg中频感应炉，锻造设备为750Kg空气锤，热轧轧机为Φ450轧机。高温拉伸试验设备为MTS810万能试验机。
　　每炉号试验钢各取1个金相试样，用硝酸酒精溶液腐蚀，在金相显微镜上观察其室温微观组织。采用JSM-5600LV扫描电镜+INCA能谱仪分析常温拉伸断口形貌。采用H800-EDAX透射电镜观察析出物形貌。
　　3、试验结果
　　3.1常温拉伸断口分析
　　试验钢常温拉伸试样在宏观下为剪切断口，在断口附近有明显的塑性变形，镜下观察整个断面均为韧窝形貌。
　　3.2力学性能
　　试验钢常温拉伸、高温拉伸试验结果见表3-1。
　　表3-1试验钢力学性能
　　钢种卷取温度σ0.2，MPaδ5，%2/3室温σ0.2，MPaσ0.2，600℃20minσ0.2，600℃120min
　　Mo-Cr-Nb-Ni550℃52027.5347325/
　　650℃52522.5350395318
　　Mo-Nb500℃52020347429/
　　550℃57514.5383409/
　　650℃58521.5390472407
　　700℃58023387414/
　　低Mo-Nb-Ti450℃42530283300/
　　500℃45018300350324*
　　550℃44525.5297306/
　　500℃44024.5293323/
　　650℃52022347354/
　　700℃48522323325/
　　无Mo钢450℃45530303321/
　　500℃48522.5323343/
　　550℃47023313361353*
　　600℃47018313325314
　　650℃47529.5317335/
　　700℃50520337379/
　　对比耐候钢42038280183/
　　注：*试样600℃长时间保温时间为150min。
　　3.3金相组织
　　试验钢金相组织由铁素体、珠光体、少量贝氏体组成。铁素体晶粒度为10级左右。以Mo-Nb钢及无Mo钢不同卷取温度为例，见图3-2、图3-3。
　　图3-2Mo-Nb钢不同卷取温度金相组织(400×)
　　图3-3无Mo不同卷取温度金相组织(400×)
　　4.讨论与分析
　　4.1不同化学成分耐火耐候钢热轧工艺对耐火性能的影响
　　四种不同化学成分的试验钢在不同卷取温度下的高温屈服强度。
　　Mo元素对提高耐火耐候钢高温屈服强度比较有效。在冶炼、锻造、热轧工艺制度相近的条件下，Mo-Nb钢、Mo-Cr-Nb-Ti钢的高温屈服强度优于低Mo-Nb-Ti、无Mo合金系钢。在微观机理方面，Nb在钢中析出Nb的第二相粒子，使钢的铁素体基体强化;Mo在钢中多以固溶体的方式存在，部分析出Mo2C，使钢的铁素体基体强化。而复合添加Nb+Mo还伴随着Nb的第二相粒子在晶界的析出，有效地阻碍晶粒的长大，明显提高钢的耐火性能[2]。
　　试验钢热轧卷取温度在500～700℃范围内，高温屈服强度变化不大，轧制后冷却速率对钢的高温屈服强度影响小。
　　4.2化学成分对不同耐火温度耐火性能的影响
　　选取卷取温度为650℃的Mo-Cr-Nb-Ti钢、Mo-Nb钢、低Mo-Nb-Ti钢、无Mo钢、对比钢分别进行耐火温度为350℃、450℃、600℃、700℃耐火性能研究，试验结果见图4-2。
　　图4-2试验钢不同耐火温度耐火性能
　　随耐火温度升高，试验钢的高温屈服强度呈下降趋势。耐火温度低于450℃时，Mo-Cr-Nb-Ti钢、Mo-Nb钢、低Mo-Nb-Ti钢及无Mo钢高温屈服强度变化不大，600℃时，试验钢的高温屈服强度仍能保持较高的强度水平(不低于室温屈服强度的2/3)。对比钢耐火性能较差，在300℃时高温强度已经明显降低，600℃屈服强度降低到200MPa以下，不能满足使用要求。
　　Mo+Nb钢高温性能最好;与普通建筑用钢相比，Mo+Nb钢吨钢增加成本665元/吨，而无Mo钢仅为251元/吨，性价比最高。分析试验钢及对比钢的金相组织，对比钢组织主要为铁素体、珠光体，而试验钢组织为铁素体+珠光体+贝氏体多相组织，贝氏体组织的存在提高了钢的高温性能[3]。
　　4.3无Mo钢耐火机理
　　无Mo钢萃取复型样在H800-EDAX透射电镜下观察析出物形貌。析出物的分布情况对无Mo钢耐火性能起主要作用[4]。由于添加了Nb、V、Ti等微合金元素，无Mo钢热轧后形成的析出物(碳化物、碳氮化物)固溶温度超过700℃，能在耐火温度为600℃条件下保持析出形态，具有良好的高温稳定性。
　　无Mo钢析出物在钢中细小弥散分布，而这些第二相粒子属于不可变形的硬脆相。根据位错理论，塑性变形产生的位错线只能绕过第二相质点，随着绕过第二相质点位错线数量增加，形成的位错环数量增多。克服弯曲位错的线张力相应提高，强化了钢的高温屈服强度。在晶界附近的析出物，能有效地钉扎晶界移动，阻止基体晶粒长大，提高无Mo钢高温强度，如图4-3b。
　　5.结论
　　⑴4种试验钢在不同热轧工艺条件下均具有较高的耐火性能，高温屈服强度(600℃σ0.2≥300MPa),2小时以上保温后，试验钢仍能保持较高的高温强度(600℃σ0.2≥300MPa)。普通钢在350℃附近屈服强度明显降低，600℃屈服强度低于常温屈服强度2/3。Mo+Nb钢高温性能最好。
　　⑵试验钢组织为铁素体+珠光体+贝氏体多相组织，贝氏体组织的存在提高了钢的高温性能。
　　⑶无Mo钢第二相质点弥散分布能有效提高高温屈服强度。