熱處理工藝對建筑用490 MPa級耐火鋼力學(xué)性能的影響

陳俊，羅恒勇，林申正

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熱處理工藝對建筑用490 MPa級耐火鋼力學(xué)性能的影響

陳俊，羅恒勇，林申正

(宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，宜賓 644003)

研究不同正火溫度下NSFR490耐火鋼的顯微組織與力學(xué)性能。結(jié)果表明，正火處理溫度在730~820 ℃區(qū)間內(nèi)，耐火鋼的強(qiáng)度隨溫度升高而下降，但仍可滿足工程應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)要求，且塑性得以提高(伸長率由20%升至26%)。在600 ℃進(jìn)行拉伸試驗，結(jié)果滿足高溫屈服強(qiáng)度大于室溫屈服強(qiáng)度2/3的要求。耐火鋼經(jīng)過600 ℃高溫回火工藝，顯微組織整體變化不大，僅晶粒尺寸略有長大，這與耐火鋼在高溫下的力學(xué)性能(屈服強(qiáng)度由315 MPa降至292 MPa)表現(xiàn)一致。最后結(jié)合該耐火鋼的實際工程應(yīng)用，利用ANSYS軟件對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)失穩(wěn)臨界溫度計算，獲得了該材料的位移?溫度曲線，并得出其失效臨界溫度點(diǎn)為620 ℃。

耐火鋼；熱處理；顯微組織；力學(xué)性能；有限元

近年來，建筑物逐漸向大型、復(fù)雜、高層建筑物發(fā)展，而對于建筑鋼結(jié)構(gòu)的要求也越來越高，特別是耐火性能越來越受到普遍關(guān)注與重視。目前國內(nèi)外對于耐火鋼的研究主要是在普通C-Mn鋼基礎(chǔ)上添加Mo、Nb、V等合金元素，在加工過程中對其進(jìn)行控軋控冷，從而使得低合金高強(qiáng)鋼具有較好的耐火性能?？紤]到Mo、Cr等微合金元素的價格因素，各國對于所添加的微合金元素有所不同，但經(jīng)過不同的軋制工藝，其性能均可滿足耐火鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求，如日本側(cè)重于增加Cr、Mo、Nb等元素，而韓國側(cè)重于增加Nb、V、Ti等元素[1?7]。對于耐火鋼的性能要求各國基本采用日本的耐火鋼標(biāo)準(zhǔn)，我國的耐火鋼屬于建筑用低合金結(jié)構(gòu)鋼范疇，除了要求其室溫下的力學(xué)性能滿足普通建筑用鋼標(biāo)準(zhǔn)外，還要求其在遭遇火災(zāi)時較短時間內(nèi)(通常為1~3 h)，其屈服強(qiáng)度保持在室溫屈服強(qiáng)度的2/3以上，以使得建筑物不會倒塌[8?13]。基于對建筑用耐火鋼的這些性能要求，本文針對特定的耐火鋼研究不同的熱處理工藝對耐火性能的影響，以期獲得最經(jīng)濟(jì)的方法來提高耐火鋼的耐火性能，同時為該耐火鋼的工程應(yīng)用提供實驗依據(jù)。

1 實驗

選用的試驗鋼材為新日鐵的NSFR490，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、表2所列。

表1 實驗用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 NSFR490耐火鋼的力學(xué)性能要求

對于特定材質(zhì)的耐火鋼主要是通過不同的熱處理工藝來改變其耐火性能，首先對熱軋態(tài)試驗鋼材NSFR490采用4種不同溫度(730，760，790和820 ℃)的正火處理，對比室溫與不同正火溫度下的顯微組織、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能并進(jìn)行分析[7?8]。

現(xiàn)行通用的耐火鋼規(guī)范規(guī)定：用于鋼結(jié)構(gòu)建筑或高層大型建筑的、在一定條件下具有防火抗坍塌功能的工程結(jié)構(gòu)鋼，在600 ℃的高溫下，1~3 h內(nèi)的屈服強(qiáng)度應(yīng)大于室溫屈服強(qiáng)度的2/3，因此，為進(jìn)一步了解試驗鋼材在高溫下組織性能的變化情況，將正火后的試驗鋼材分別進(jìn)行600 ℃回火處理(600 ℃×30 min，空冷)，再通過微觀組織分析和力學(xué)性能試驗進(jìn)行對比研究[9?13]。

為研究不同正火熱處理工藝條件下耐火鋼的微觀組織和力學(xué)性能變化，采用4種不同正火溫度進(jìn)行熱處理，正火溫度分別為730，760，790和820 ℃，并保溫1 h，對5組不同狀態(tài)下的試樣分別進(jìn)行拉伸實驗和金相觀察，并對試驗結(jié)果進(jìn)行比對分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸試驗

對常溫以及不同熱處理溫度下的試驗鋼NSFR 490進(jìn)行拉伸試驗，試驗結(jié)果如表3所列。

表3 NSFR490的力學(xué)性能

圖1、圖2所示分別為室溫及不同正火溫度下試驗鋼NSFR490屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、屈強(qiáng)比及伸長率的結(jié)果對比圖。

從圖1、圖2可以看出，隨正火溫度升高，屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度都有小幅度下降，特別是當(dāng)正火溫度上升至820 ℃時，屈服強(qiáng)度下降明顯，而抗拉強(qiáng)度下降幅度相對較小，屈強(qiáng)比呈現(xiàn)隨正火溫度升高呈減小趨勢，使得鋼材有更大的塑性儲備，有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn) 定性。另外隨正火溫度升高，NSFR490鋼的伸長率呈增大趨勢，在790 ℃時有所下降，但是在820 ℃時增大明顯，表明正火溫度的升高有利于試驗鋼的塑性性能提高。

圖1 不同正火溫度下NSFR490鋼的力學(xué)性能對比

圖2 不同正火溫度下NSFR490鋼的屈強(qiáng)比和延伸率

2.2 金相組織觀察及分析

圖3所示為室溫及不同正火溫度條件下試驗鋼的金相組織。為更好的研究正火溫度對耐火鋼性能的影響，對幾種正火狀態(tài)下的試驗鋼進(jìn)行金相組織觀察 分析。

由圖3可以看出NSFR490鋼的金相組織中含有大量的等軸狀先共析鐵素體，并存在少量粒狀貝氏體或粒狀組織。室溫時大塊黑色組織貝氏體分布在基體中，而正火處理后黑色組織貝氏體減少，當(dāng)正火溫度為730 ℃時，組織中有少量塊狀馬氏體分布于晶界處。從圖3(c)，3(d)和3(e)不難看出，隨正火溫度升高，鐵素體開始長大，貝氏體組織明顯富集，彌散分布于基體組織中。結(jié)合其力學(xué)性能測試結(jié)果，可以看出貝氏體的彌散分布雖然使得屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有所下降，但仍能達(dá)到工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)要求，而正火后屈強(qiáng)比降低以及伸長率的升高使得該耐火鋼具備更強(qiáng)的抗火災(zāi)能力。

圖3 NSFR490鋼在室溫及不同正火溫度下的金相組織

(a) Room temperature; (b) 730 ℃; (c) 760 ℃; (d) 790 ℃; (e) 820 ℃

2.3 回火處理對NSFR490鋼力學(xué)組織和性能的影響

為進(jìn)一步研究火災(zāi)時高溫對耐火鋼性能的影響，對正火處理的試驗鋼進(jìn)行600 ℃高溫下的力學(xué)性能試驗，分析其是否達(dá)到室溫屈服強(qiáng)度2/3的性能要求。然后對不同正火條件處理的鋼材進(jìn)行600 ℃，保溫1 h后空冷的回火處理工藝，并分析其金相組織[14?17]。

表4和圖4分別為正火后的試驗鋼材進(jìn)行高溫(600 ℃)力學(xué)性能的測試結(jié)果和耐火鋼正火與回火狀態(tài)的顯微組織照片。不難看出隨正火溫度不斷升高，材料的屈服強(qiáng)度降低，但是高溫屈服強(qiáng)度與室溫屈服強(qiáng)度比值卻不斷升高，當(dāng)正火溫度為820 ℃時，比值達(dá)到了0.82，這有利于鋼結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性[17]。

表4 NSFR490高溫力學(xué)性能

圖4 正火與回火狀態(tài)下的顯微組織對比

(a) Normalized state (room temperature); (b) Tempered state (room temperature); (c) Normalized state (730 ℃); (d) Tempered state (730 ℃); (e) Normalized state (760 ℃); (f) Tempered state (760 ℃); (g) Normalized state (790 ℃); (h) Tempered state (790 ℃); (i) Normalized state (820 ℃); (j) Tempered state (820 ℃)

對正火后的NSFR490鋼進(jìn)行600 ℃回火處理，并進(jìn)行金相組織觀察對比，分析其耐高溫性能。

由圖4可知，與正火狀態(tài)下的金相組織相比，NSFR490鋼回火后的金相組織中晶粒尺寸長大，主要的貝氏體組織得以保存，黑色貝氏體組織富集于鐵素體晶界處。由此可見對于NSFR490耐火鋼，經(jīng)過600 ℃下1 h回火處理，晶粒尺寸稍有長大，整體組織狀態(tài)保持平穩(wěn)，滿足耐火鋼在遭遇火災(zāi)高溫時仍能保持一定的強(qiáng)度，不會發(fā)生立即倒塌這一力學(xué)性能要求。

2.4 數(shù)值分析

結(jié)合該型鋼材在實際工程中的應(yīng)用情況，利用ANSYS軟件進(jìn)行耐火鋼建筑結(jié)構(gòu)熱力學(xué)性能分析。本研究以建筑結(jié)構(gòu)常用的H型鋼進(jìn)行數(shù)值分析，截面尺寸為HN400×300×8×12，單元類型選擇SOLID70，采用三面受火讓H型鋼受熱，求得相應(yīng)的溫度場后，將此結(jié)果作為載荷施加到H型鋼上[17?19]。

2.4.1 溫度場分析

按NSFR490耐火鋼的相關(guān)參數(shù)設(shè)置不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、彈性模量等熱力學(xué)參數(shù)，采用熱對流、熱輻射邊界條件模擬火災(zāi)條件[20]。熱輻射率為0.5，對流系數(shù)為28 W/(m2·℃)，并進(jìn)行瞬態(tài)求解。求解結(jié)束后在1 h時的溫度分布情況如圖5所示?？梢姼邷刂饕植加诠ぷ咒摰母拱?，溫度由腹板中心向兩側(cè)降低，最低溫度分布于上翼緣板。

圖5 1 h時溫度場分部

2.4.2 穩(wěn)定性分析

在有限元軟件中對其進(jìn)行常熱—結(jié)構(gòu)耦合分析，以溫度場作為荷載加載到結(jié)構(gòu)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)失效模擬分析。設(shè)定初始溫度為25 ℃，并將熱分析結(jié)果加載到構(gòu)件模型上進(jìn)行計算，得出結(jié)構(gòu)失效的臨界溫度，在位移?溫度曲線圖上表現(xiàn)為拐點(diǎn)，并規(guī)定該溫度為結(jié)構(gòu)失效臨界溫度。熱?位移計算結(jié)果如圖6所示，臨界溫度為620 ℃。

此計算結(jié)果在理想狀態(tài)下，雖然與實際情況有所偏差，但是大體能夠?qū)ΜF(xiàn)有的耐火鋼材性能、可靠性進(jìn)行一定的判別提供依據(jù)。

圖6 位移?溫度曲線

3 結(jié)論

1) 耐火鋼NSFR490經(jīng)過730~820 ℃的正火處理后，強(qiáng)度有所降低，但是仍可滿足相關(guān)工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)要求，同時其塑性提高，屈強(qiáng)比減小，有更強(qiáng)的塑性儲備，有利于高溫承載。

2) 經(jīng)過730~820 ℃正火處理后，NSFR490鋼高溫屈服強(qiáng)度與室溫屈服強(qiáng)度比值得到提高，遠(yuǎn)大于常規(guī)要求的2/3。

3) 正常熱軋狀態(tài)下的NSFR490鋼與730~820 ℃正火處理后的NSFR490鋼經(jīng)過600 ℃回火，其顯微組織保持穩(wěn)定，仍以貝氏體為主，晶粒尺寸略有長大，使得該鋼能保持良好的高溫性能。

4) 利用ANSYS有限元進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合計算結(jié)果表明NSFR490材料具有較好的高溫可靠性，其臨界溫度為620 ℃。

[1] 趙雷超, 孫斌堂, 黃運(yùn)華, 等. 熱軋態(tài)與回火態(tài)AH80DB低碳貝氏體鋼組織與沖擊韌性[J]. 工程科學(xué)學(xué)報, 2016, 38(3): 357?363. ZHAO Leichao, SUN Bintang, HUANG Yunhua, et al. Microstructure and impact toughness of hot rolled and tempered low carbon bainitic steel AH80DB[J]. Engineering Journal, 2016, 38(3): 357?363.

[2] 楊衛(wèi)芳. 正火處理對建筑耐火鋼組織和性能的影響[J]. 熱加工工藝, 2017, 46(18): 224?227. YANG Weifang. Influence of normalizing treatment on microstructure and properties of building fire-resistance steel for construction[J]. Hot Working Technology, 2017, 46(18): 224? 227.

[3] 曹雙梅, 李聰, 劉文慶. Nb-V復(fù)合對耐火鋼力學(xué)性能的影響[J]. 材料熱處理學(xué)報, 2013, 34(2): 47?51. CAO Shuangmei, LI Chong, LIU Wenqing. Effect of niobium and vanadium on mechanical properties of fire-resistance steels[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2013, 34(2): 47?51.

[4] 朱世佳. 微量元素對建筑用耐火鋼的組織與性能的影響[J]. 熱加工工藝, 2018, 47(14): 68?71. ZHU Shijia. Effect of microelements on structure and properties of fire-resistant steel for construction[J]. Hot Working Technology, 2018, 47(14): 68?71.

[5] 楊曉敏. 建筑用耐火鋼組織和力學(xué)性能的研究[J]. 熱加工工藝, 2016, 45(6): 60?62. YANG Xiaomin. Study on microstructure and mechanical properties of fire-resistant steel for construction[J]. Hot Working Technology, 2016, 45(6): 60?62.

[6] 殷海榮, 李陽. 耐火鋼耐火機(jī)理的研究[J]. 鋼鐵研究, 2008(2): 59?61. YIN Hairong, LI Yang. Study on fire resistance mechanism of fire-resistant steel[J]. Iron and Steel Research, 2008(2): 59?61.

[7] 郭艷坤, 劉成才. 熱處理工藝對建筑用無Mo耐火鋼組織與性能的影響[J]. 金屬熱處理, 2017, 42(10): 96?99. GUO Yankun, LIU Chengcai. Influence of heat treatment process on microstructure and properties of Mo-free fire- resistant steel for buliding[J]. Heat Treatment of Metals, 2017, 42(10): 96?99.

[8] WAN R, SUN F, ZHANG L, et al. Effect of Mo addition on strength of fire-resistant steel at elevated temperature[J]. Journal of Materials Engineering & Performance, 2014, 23(8): 2780? 2786.

[9] YANG K C, LEE H H, CHAN O. Experimental study of fire-resistant steel H-columns at elevated temperature[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2006, 62(3): 544?553.

[10] CHEN X M, SONG S H, WENG L Q, et al. Solute grain boundary segregation during high temperature plastic deformation in a Cr-Mo low alloy steel[J]. Materials Science & Engineering A, 2011, 528(25): 7663?7668.

[11] OLASOLO M, URANGA P, RODRIGUEZ-IBABE J M, et al. Effect of austenite microstructure and cooling rate on transformation characteristics in a low carbon Nb-V microalloyed steel[J]. Materials Science and Engineering: A, 2011, 528(6): 2559?2569.

[12] 冉華安. 回火工藝對耐火鋼力學(xué)性能的影響[J]. 熱加工工藝, 2014, 43(4): 214?216. RAN Huaan. Effect of tempering process on mechanical properties of fire-resistant steel[J]. Hot Working Technology, 2014, 43(4): 214?216.

[13] WEI Junhui, ZHANG Yongjian, SHAO Chengwei, et al. Effect of cooling rate and vanadium content on the microstructure and hardness of medium carbon forging steel[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2016, 1(6): 1?7.

[14] DING J, LI G Q, SAKUMOTO Y. Parametric studies on fire resistance of fire-resistant steel research[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2004, 60(7): 1007?1027.

[15] RAMESH S, DHANALAKSHMI B, CHANDRA SEKHAR B, et al. Effect of Mn/Co substitutions on the resistivity and dielectric properties of nickel-zinc ferrites[J]. Ceramics International, 2016, 42: 9591?9598.

[16] SHA W. KELLY F S. Guo Z X. Microstructure and properties of nippon fire-resisitant steels[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 1999(8): 606?609.

[17] 潘小強(qiáng), 左汝林, 黨瑩, 等．Mo-V耐火鋼顯微組織分析研究[J]. 物理測試, 2007, 25(5): 9?13. PAN Xiaoqiang, ZUO Rulin, DANG Ying, et al. Study on microstructure of fire-resistant steels containing molybdenum and vanadium[J]. Physics Examination and Testing, 2007, 25(5): 9?13.

[18] HU J, DU L X, WAMH J J. Effect of V intragranular ferrite nucleation of high Ti bearing steel[J]. Scripta Material, 2013, 68(12): 953?956.

[19] 田海林, 張祺, 武昭妤, 等. 熱處理工藝對建筑用高強(qiáng)耐火鋼力學(xué)性能的影響[J]. 熱加工工藝, 2016, 45(24): 215?218. TIAN Haining, ZHANG Qi, WU Zhaoyu, et al. Effect of heat treatment proess on mechanical properties of high strength fire-resistant steel for building[J]. Hot Working Technology, 2016, 45(24): 215?218.

[20] 涂振飛. ANSYS有限元分析工程應(yīng)用實例教程[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2010. TU Zhenfei. ANSYS Finite Element Analysis Engineering Application Example Course[M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2010.

Effect of heat treatment technology on the mechanical property of 490 MPa grade fire-resistance steel

CHEN Jun, LUO Hengyong, LIN Shenzheng

(Yibin Vocational and Technical College, Yibin 644003, China)

Taking NSFR490 fire-resistant steel as an example, the changes of its metallographic organization and mechanical properties at different normalizing temperatures were studied. The results show that under the normalizing treatment for 730?820 ℃, the strength decreases with the increase of temperature, but it still meets the engineering application standard. Otherwise, the plasticity is improved (elongation rate increased from 20% to 26%). The tensile test at 600 ℃ satisfy the requirement of high temperature yield strength greater than 2/3 of room temperature yield strength. Further observation of the microstructure of NSFR 490 fire-resistant steel shows that the overall microstructure of the alloy has little change under a high temperature process of 600 ℃, and only the grain size has grown slightly, which is consistent with the mechanical properties of refractory steel at high temperature (yield strength decreased from 315 MPa to 292 MPa). At last, combined with the practical engineering application of the refractory steel, the displacement- temperature curve and failure critical temperature point 600 ℃ of the material are obtained by using ANSYS software.

fire-resistent steel; heat treatment; microstructure; mechanical property; finite element

TF124.83

A

1673-0224(2019)03-220-06

2018?11?10；

2018?12?22

陳俊，講師。電話：0831-8272187；E-mail: feng_song168@sina.com

(編輯 高海燕)