高強(qiáng)度耐火鋼高溫下力學(xué)性能試驗(yàn)研究

　　摘要：通過國產(chǎn) Q345FR、Q420FR、Q460FR 耐火鋼的高溫下穩(wěn)態(tài)拉伸試驗(yàn)和熱膨脹變形試驗(yàn)研究，得到了 20℃~800℃下各等級(jí)耐火鋼的破壞模式、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線、力學(xué)性能參數(shù)及熱膨脹系數(shù)，并與普通結(jié)構(gòu)鋼高溫性能以及歐洲、中國的抗火設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行了對(duì)比。國產(chǎn)高強(qiáng)耐火鋼在溫度低于 350℃~400℃時(shí)，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度高于常溫，當(dāng)溫度超過 400℃后，強(qiáng)度開始快速下降。歐洲規(guī)范 EC3 給出的高溫下普通結(jié)構(gòu)鋼的彈性模量、強(qiáng)度計(jì)算公式不適用于高強(qiáng)度耐火鋼，《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》GB 51249-2017 中耐火鋼高溫力學(xué)性能取值與本文 Q345FR 耐火鋼試驗(yàn)結(jié)果較接近，但明顯小于本文 Q420FR、Q460FR 高強(qiáng)耐火鋼試驗(yàn)結(jié)果。本文針對(duì) Q420FR、Q460FR 高強(qiáng)耐火鋼，提出了高溫下彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度變化系數(shù)擬合公式，可用于耐火鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)。

　　本文源自樓國彪; 費(fèi)楚妮; 王彥博; 陳林恒， 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào) 發(fā)表時(shí)間：2021-06-02

　　關(guān)鍵詞：耐火鋼;高溫;拉伸試驗(yàn);熱膨脹變形試驗(yàn);力學(xué)性能

　　0 引言

　　雖然鋼結(jié)構(gòu)憑借承載力大、抗震性能好、施工快速等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，但高溫對(duì)鋼材材性的影響很大，容易導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)承載能力下降，且在較短時(shí)間內(nèi)就達(dá)到極限狀態(tài)，這極易造成結(jié)構(gòu)損傷破壞甚至導(dǎo)致倒塌。針對(duì)這一問題，日本、美國和我國先后研發(fā)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(xué)性能滿足普通建筑用鋼標(biāo)準(zhǔn)外，在溫度為 600℃時(shí)，其屈服強(qiáng)度可保持在室溫屈服強(qiáng)度的 2/3 以上，能有效避免或延遲鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的破壞甚至倒塌[1]。

　　國內(nèi)外學(xué)者對(duì)普通碳素鋼的高溫力學(xué)性能開展了較為廣泛的研究。李國強(qiáng)等[2]對(duì) Q345 普通鋼進(jìn)行了高溫下材性試驗(yàn)研究，并根據(jù)其試驗(yàn)結(jié)果提出了屈服強(qiáng)度和彈性模量隨溫度變化的變化系數(shù)擬合公式。香港大學(xué)[3]對(duì)比進(jìn)行了高強(qiáng)鋼和低碳鋼在高溫下的力學(xué)性能。屈立軍等[4] 對(duì)我國 10 個(gè)鋼廠生產(chǎn)的 16Mn 鋼進(jìn)行恒溫加載試驗(yàn)研究，依據(jù)其試驗(yàn)結(jié)果構(gòu)建了鋼材折線應(yīng)力-應(yīng)變曲線和彈性模量。韓國學(xué)者 Kwon 和 Shin[5]對(duì) SM490(相當(dāng)于 Q345)進(jìn)行了高溫材性試驗(yàn)，給出了不同溫度下 0.2%和 1%應(yīng)變的屈服強(qiáng)度和彈性模量，并提出了隨溫度變化的屈服強(qiáng)度和彈性模量計(jì)算公式。

　　目前，國內(nèi)外對(duì)耐火鋼在高溫下的力學(xué)性能的研究相 對(duì) 較 少 。 日 本 學(xué) 者 Sakumoto 和 Yamaguchi[6] 對(duì) SM-50A-NFR(fy≥324MPa)進(jìn)行高溫材性試驗(yàn)，并與相應(yīng)等級(jí)傳統(tǒng)鋼進(jìn)行對(duì)比;Sha 等[7]對(duì)從新日鐵獲得的兩種日本耐火鋼進(jìn)行了全面的微觀結(jié)構(gòu)表征和力學(xué)測(cè)試。 Jo 等[8]研究了 Mo 和 Nb 對(duì)鋼材耐火性能的影響。Kumar 等[9]對(duì)比了兩種耐火鋼與普通鋼高溫下的力學(xué)性能。我國寶鋼、武鋼等企業(yè)相繼開發(fā)出耐火厚板、H 型鋼等品種。劉明等[10]進(jìn)行了 345MPa 低 Mo 和無 Mo 耐火鋼的耐火性能對(duì)比。班慧勇等[11]對(duì)我國新研制的 10.9 級(jí)高強(qiáng)螺栓在不同高溫下的材料性能進(jìn)行了測(cè)試。近年來，南京鋼鐵開發(fā)了 Q420FR、Q460FR 級(jí)高強(qiáng)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(shí)沉淀析出)，用 Nb 部分替代 Mo 以降低成本，并保證鋼的高溫強(qiáng)度。本文主要針對(duì)南鋼集團(tuán)開發(fā)的高強(qiáng)耐火鋼的高溫材料特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

　　1 高溫力學(xué)性能試驗(yàn)方案

　　1.1 試樣設(shè)計(jì)

　　金屬室溫與高溫拉伸試樣采用南鋼 Q460FR、 Q420FR、Q345FR 級(jí)耐火鋼。南鋼耐火鋼的基本化學(xué)成分見表 1。三種牌號(hào)試樣設(shè)計(jì)相同。試驗(yàn)中同時(shí)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(huán)冷卻以吸收切割過程產(chǎn)生的熱量，降低對(duì)試件的影響。依據(jù) GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第 1 部分：室溫試驗(yàn)方法》[12]和 GB/T 228.2-2015 《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第 2 部分：高溫試驗(yàn)方法》[13]， 20mm 板厚的母材采用圓棒拉伸試樣，其具體尺寸及構(gòu)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(gòu)造如圖 1(b)所示。試驗(yàn)共設(shè) 12 個(gè)溫度點(diǎn)，依次為 20、200、300、400、450、500、550、600、650、 700、750、800℃。

　　1.2 試驗(yàn)方法

　　目前對(duì)于非長期高溫環(huán)境工作的建筑鋼結(jié)構(gòu)抗火分析與設(shè)計(jì)，通常忽略鋼材高溫蠕變效應(yīng)，其主要理由是：1) 火災(zāi)持續(xù)時(shí)間一般都比較短，火災(zāi)下鋼構(gòu)件升溫很快，對(duì)結(jié)構(gòu)承載力與變形起決定作用的是構(gòu)件的應(yīng)力水平和溫度;2) 火災(zāi)下鋼構(gòu)件的升溫速率與鋼材高溫材性試驗(yàn)的試驗(yàn)條件(5~10℃/min)很接近，故可認(rèn)為基于鋼材高溫材性試驗(yàn)所建立的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系已隱含了鋼材在此類條件下的蠕變、松弛效應(yīng)[1]。已有研究[14]對(duì) Q345 鋼進(jìn)行了恒溫加載試驗(yàn)和恒載升溫試驗(yàn)，認(rèn)為在實(shí)際火災(zāi)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(yàn)在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，所用儀器為 300 kN 高溫電子材料試驗(yàn)機(jī)(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(cè)量爐內(nèi)溫度，試樣上安裝 K 型熱電偶來測(cè)量試樣溫度。選用接觸式高溫引伸計(jì)測(cè)量高溫下變形，引伸計(jì)量程為 2.5mm，標(biāo)距 50mm，測(cè)量精度為 0.001mm。試驗(yàn)時(shí)將高溫引伸計(jì)的兩根陶瓷接觸棒與試樣頂緊，兩棒相對(duì)位移就是標(biāo)距長度內(nèi)試樣的拉伸變形值。

　　耐火鋼常溫拉伸試驗(yàn)，按照 GB/T228.1-2010，采用兩階段加載速率控制：第一階段采用應(yīng)變速率控制，速率為 0.003/min;在應(yīng)變達(dá)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(yàn)采用穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)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(yàn)。

　　2 高溫力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果及其分析

　　2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

　　耐火鋼高溫拉伸試驗(yàn)后的表面顏色變化見圖 3。常溫下試件顏色呈銀白色，200℃時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榻瘘S色，溫度達(dá)到 300℃時(shí)試樣呈淡藍(lán)色，是因?yàn)樵阡摫砻嫘纬闪艘粚铀{(lán)色氧化膜，400℃和 450℃時(shí)試樣表面顏色略有加深，并向咖啡色過渡;800℃時(shí)試樣顏色呈現(xiàn)黑色，且表面氧化層剝落現(xiàn)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(shí)均出現(xiàn)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(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

　　圖 5 為 Q345FR、Q420FR、Q460FR 耐火鋼在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變(