高强度耐火钢高温下力学性能试验研究

　　摘要：通过国产 Q345FR、Q420FR、Q460FR 耐火钢的高温下稳态拉伸试验和热膨胀变形试验研究，得到了 20℃~800℃下各等级耐火钢的破坏模式、应力-应变关系曲线、力学性能参数及热膨胀系数，并与普通结构钢高温性能以及欧洲、中国的抗火设计规范的相关规定进行了对比。国产高强耐火钢在温度低于 350℃~400℃时，屈服强度、抗拉强度高于常温，当温度超过 400℃后，强度开始快速下降。欧洲规范 EC3 给出的高温下普通结构钢的弹性模量、强度计算公式不适用于高强度耐火钢，《建筑钢结构防火技术规范》GB 51249-2017 中耐火钢高温力学性能取值与本文 Q345FR 耐火钢试验结果较接近，但明显小于本文 Q420FR、Q460FR 高强耐火钢试验结果。本文针对 Q420FR、Q460FR 高强耐火钢，提出了高温下弹性模量、屈服强度、抗拉强度变化系数拟合公式，可用于耐火钢结构抗火设计。

　　本文源自楼国彪; 费楚妮; 王彦博; 陈林恒， 建筑结构学报 发表时间：2021-06-02

　　关键词：耐火钢;高温;拉伸试验;热膨胀变形试验;力学性能

　　0 引言

　　虽然钢结构凭借承载力大、抗震性能好、施工快速等优点被广泛应用，但高温对钢材材性的影响很大，容易导致钢结构承载能力下降，且在较短时间内就达到极限状态，这极易造成结构损伤破坏甚至导致倒塌。针对这一问题，日本、美国和我国先后研发了高性能抗火钢材——耐火钢。耐火钢指的是在普通C-Mn钢中加入Mo、 Nb、V 等合金元素来获得具有较好耐火性能的钢材。耐火钢除了在室温下的力学性能满足普通建筑用钢标准外，在温度为 600℃时，其屈服强度可保持在室温屈服强度的 2/3 以上，能有效避免或延迟钢结构在火灾下的破坏甚至倒塌[1]。

　　国内外学者对普通碳素钢的高温力学性能开展了较为广泛的研究。李国强等[2]对 Q345 普通钢进行了高温下材性试验研究，并根据其试验结果提出了屈服强度和弹性模量随温度变化的变化系数拟合公式。香港大学[3]对比进行了高强钢和低碳钢在高温下的力学性能。屈立军等[4] 对我国 10 个钢厂生产的 16Mn 钢进行恒温加载试验研究，依据其试验结果构建了钢材折线应力-应变曲线和弹性模量。韩国学者 Kwon 和 Shin[5]对 SM490(相当于 Q345)进行了高温材性试验，给出了不同温度下 0.2%和 1%应变的屈服强度和弹性模量，并提出了随温度变化的屈服强度和弹性模量计算公式。

　　目前，国内外对耐火钢在高温下的力学性能的研究相 对 较 少 。 日 本 学 者 Sakumoto 和 Yamaguchi[6] 对 SM-50A-NFR(fy≥324MPa)进行高温材性试验，并与相应等级传统钢进行对比;Sha 等[7]对从新日铁获得的两种日本耐火钢进行了全面的微观结构表征和力学测试。 Jo 等[8]研究了 Mo 和 Nb 对钢材耐火性能的影响。Kumar 等[9]对比了两种耐火钢与普通钢高温下的力学性能。我国宝钢、武钢等企业相继开发出耐火厚板、H 型钢等品种。刘明等[10]进行了 345MPa 低 Mo 和无 Mo 耐火钢的耐火性能对比。班慧勇等[11]对我国新研制的 10.9 级高强螺栓在不同高温下的材料性能进行了测试。近年来，南京钢铁开发了 Q420FR、Q460FR 级高强耐火钢，利用 Nb 与 Mo 的相似性(Nb 常温下固溶，而在着火高温时沉淀析出)，用 Nb 部分替代 Mo 以降低成本，并保证钢的高温强度。本文主要针对南钢集团开发的高强耐火钢的高温材料特性进行试验研究，并对试验结果进行对比分析。

　　1 高温力学性能试验方案

　　1.1 试样设计

　　金属室温与高温拉伸试样采用南钢 Q460FR、 Q420FR、Q345FR 级耐火钢。南钢耐火钢的基本化学成分见表 1。三种牌号试样设计相同。试验中同时采用 10mm 厚和 20mm 厚两种耐火钢板加工室温和高温拉伸试样，试样加工成形采用线切割工艺，线切割过程中采用专用冷却液循环冷却以吸收切割过程产生的热量，降低对试件的影响。依据 GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验 第 1 部分：室温试验方法》[12]和 GB/T 228.2-2015 《金属材料拉伸试验 第 2 部分：高温试验方法》[13]， 20mm 板厚的母材采用圆棒拉伸试样，其具体尺寸及构造如图 1(a)所示;10mm 板厚的母材采用平板拉伸试样，其具体尺寸及构造如图 1(b)所示。试验共设 12 个温度点，依次为 20、200、300、400、450、500、550、600、650、 700、750、800℃。

　　1.2 试验方法

　　目前对于非长期高温环境工作的建筑钢结构抗火分析与设计，通常忽略钢材高温蠕变效应，其主要理由是：1) 火灾持续时间一般都比较短，火灾下钢构件升温很快，对结构承载力与变形起决定作用的是构件的应力水平和温度;2) 火灾下钢构件的升温速率与钢材高温材性试验的试验条件(5~10℃/min)很接近，故可认为基于钢材高温材性试验所建立的应力-应变本构关系已隐含了钢材在此类条件下的蠕变、松弛效应[1]。已有研究[14]对 Q345 钢进行了恒温加载试验和恒载升温试验，认为在实际火灾下蠕变影响较小，故本文不考虑高温蠕变的影响。

　　耐火钢高温拉伸试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室完成，所用仪器为 300 kN 高温电子材料试验机(图 2)，控制加载速率在 0.001~250 mm/min。加 热 装 置 是 GW900 高 温 炉 ， 工 作 温 度 范 围 为 200~1100℃，分上中下 3 段控制，炉温最小分辨率为 0.1℃，均温段长度为 150 mm。高温炉中插入 K 型热电偶，以测量炉内温度，试样上安装 K 型热电偶来测量试样温度。选用接触式高温引伸计测量高温下变形，引伸计量程为 2.5mm，标距 50mm，测量精度为 0.001mm。试验时将高温引伸计的两根陶瓷接触棒与试样顶紧，两棒相对位移就是标距长度内试样的拉伸变形值。

　　耐火钢常温拉伸试验，按照 GB/T228.1-2010，采用两阶段加载速率控制：第一阶段采用应变速率控制，速率为 0.003/min;在应变达到 0.012 后，改为位移控制(第二阶段)，位移速率为 0.26mm/min，直至破坏。耐火钢高温拉伸试验采用稳态试验法，将试样加热到指定温度，升温速率为 10℃/min，恒温 15 min，待试样温度均匀、恒定后开始加载，加载控制方法和速率参照常温拉伸试验。

　　2 高温力学性能试验结果及其分析

　　2.1 试验现象

　　耐火钢高温拉伸试验后的表面颜色变化见图 3。常温下试件颜色呈银白色，200℃时转变为金黄色，温度达到 300℃时试样呈淡蓝色，是因为在钢表面形成了一层蓝色氧化膜，400℃和 450℃时试样表面颜色略有加深，并向咖啡色过渡;800℃时试样颜色呈现黑色，且表面氧化层剥落现象明显。从图 4 不同温度下 Q460FR 钢试样的破坏断口形貌可以看出试样断裂时均出现一定程度的颈缩，试样断口较平整，呈椭圆形，颜色呈灰色，随温度升高，断口截面越来越小。

　　2.2 应力-应变关系曲线

　　图 5 为 Q345FR、Q420FR、Q460FR 耐火钢在不同温度下的应力-应变(