0. 引言

現(xiàn)代建筑工程都會使用鋼材來增強建筑結(jié)構(gòu)的承載能力[1-2]，而建筑結(jié)構(gòu)在服役過程中可能會經(jīng)歷地震、火災(zāi)等災(zāi)害，因此現(xiàn)代建筑用鋼除了要滿足強度、塑性等指標(biāo)要求外[3]，還需要提升抗震、耐火等性能[4-5]，從而提升服役安全性和壽命。目前，通過添加合金元素精煉—銅板結(jié)晶器水冷澆鑄—控軋控冷—淬火—臨界淬火—回火工藝開發(fā)出的Q460GJEZ35鋼板，具有較高的強塑性和抗低溫沖擊等性能[6]，在超高層建筑和大跨度體育場館中得到了成功應(yīng)用。但是，針對其經(jīng)歷火災(zāi)高溫作用后的抗震性能的研究較少[7]，高溫作用對其組織和性能的影響規(guī)律尚未明確。為此，作者將熱軋態(tài)Q460GJEZ35鋼板在溫度225~625 ℃下保溫60 min以模擬火災(zāi)溫度環(huán)境，研究了溫度對試驗鋼顯微組織、力學(xué)性能和抗震性能的影響，擬為高強抗震耐火鋼的開發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1. 試樣制備與試驗方法

試驗材料為厚度20 mm的Q460GJEZ35熱軋鋼板，采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法測得其化學(xué)成分如表1所示；試驗鋼的顯微組織見圖1，由粒狀貝氏體（GB，鐵素體內(nèi)分布著眾多馬氏體/奧氏體小島的復(fù)相組織[8]）和鐵素體（F）組成，馬氏體/奧氏體小島主要分布在鐵素體邊界處，尺寸不大于2 μm的馬氏體/奧氏體小島多呈粒狀或者不規(guī)則多邊形狀，尺寸大于2 μm的馬氏體/奧氏體小島主要呈團簇形態(tài)。試驗鋼的屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率分別為463 MPa，614 MPa和23.3%，屈強比為0.754。

圖 1 熱軋態(tài)試驗鋼的光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡形貌

Figure 1. Optical microscope (a) and scanning electron microscope (b) morphology of hot-rolled test steel

將試驗鋼板加工成尺寸為550 mm×330 mm×20 mm（長×寬×厚）的試樣，對試樣進(jìn)行表面清洗并烘干后，置于Nabertherm L3/11-L40/12型熱處理爐中模擬火災(zāi)高溫作用過程，溫度為225，325，425，525，575，625 ℃，保溫60 min后取出，空冷至室溫。

采用線切割在模擬火災(zāi)高溫作用后的試驗鋼上切取塊狀試樣，經(jīng)過打磨、機械拋光和體積分?jǐn)?shù)3.5%硝酸乙醇溶液腐蝕后，采用日本電子IT 500型鎢燈絲掃描電子顯微鏡（SEM）觀察顯微組織。按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，將試驗鋼加工成如圖2所示的拉伸試樣[9]，在INSTRON 3365型萬能材料試驗機上進(jìn)行室溫拉伸試驗，拉伸速度為2 mm·min?1，測3個試樣取平均值。采用線切割加工出尺寸為?1.8 mm×70 mm的棒狀試樣，按照GB/T 13665—2007《金屬阻尼材料阻尼本領(lǐng)試驗方法 扭擺法和彎曲振動法》，在MFP-A1000型高精度多功能內(nèi)耗儀上進(jìn)行內(nèi)耗試驗，獲得弛豫型內(nèi)耗（SKK）峰值并計算碳化物析出量[10]，測5個試樣取平均值。

圖 2 拉伸試樣的形狀與尺寸

Figure 2. Shape and size of tensile specimen

2. 試驗結(jié)果與討論

2.1 對顯微組織的影響

由圖3可見，經(jīng)過低溫（225 ℃）和中溫（325~425 ℃）保溫60 min處理后，試驗鋼的組織仍由粒狀貝氏體和鐵素體組成，與熱軋態(tài)相比，低溫?zé)崽幚砗筘愂象w組織中尺寸較大的馬氏體/奧氏體小島已經(jīng)逐漸分解，中溫?zé)崽幚砗蟪叽绱笥? μm的團簇狀馬氏體/奧氏體小島分解加劇，尺寸不大于2 μm的馬氏體/奧氏體小島數(shù)量增多。

圖 3 低溫和中溫保溫60 min處理后試驗鋼的SEM形貌

Figure 3. SEM morphology of test steel after holding at low temperatures (a–b) and medium temperatures (c–f) for 60 min: (a, c, e) at low magnification and (b, d, f) at high magnification

由圖4可見，經(jīng)高溫（525~625 ℃）保溫60 min空冷處理后，試驗鋼組織仍為粒狀貝氏體和鐵素體，但貝氏體組織中的馬氏體/奧氏體小島進(jìn)一步分解。當(dāng)溫度為625 ℃時，馬氏體/奧氏體小島基本分解完畢，呈粒狀，尺寸大于2 μm的團簇狀組織基本消失，鐵素體發(fā)生不同程度的粗化[11]。綜上可知，隨著溫度升高，尺寸大于2 μm的團簇狀馬氏體/奧氏體小島逐漸分解成尺寸細(xì)小的粒狀組織，多邊形馬氏體/奧氏體小島也逐漸圓鈍化。

圖 4 高溫保溫60 min處理后試驗鋼的SEM形貌

Figure 4. SEM morphology of test steel after holding at high temperatures for 60 min: (a, c, e) at low magnification and (b, d, f) at high magnification

2.2 對拉伸性能的影響

由表2可知，隨著溫度升高，試驗鋼的屈服強度和抗拉強度基本先增大后減小，斷后伸長率降低，當(dāng)溫度為575 ℃時屈服強度和抗拉強度最大。隨著溫度升高，尺寸大于2 μm的團簇狀馬氏體/奧氏體小島逐漸分解成尺寸細(xì)小的粒狀組織[12]，多邊形馬氏體/奧氏體小島逐漸圓鈍化，因此試驗鋼強度增大[13]；但當(dāng)溫度過高（625 ℃）時，鐵素體發(fā)生粗化[14]，使得試驗鋼強度減小，而由于溫度升高加劇團簇狀組織分解所產(chǎn)生的強化效果仍然較高，因此強度仍保持在較高水平。相比于熱軋態(tài)試驗鋼，在溫度225，325 ℃保溫60 min后試驗鋼的強塑性變化不大，屈強比保持在0.8以下；當(dāng)溫度升至不低于425 ℃時，由于尺寸較大的馬氏體/奧氏體小島分解，尺寸不大于2 μm的馬氏體/奧氏體小島數(shù)量增多，試驗鋼的屈服強度顯著上升，抗拉強度增加幅度相對較小，表現(xiàn)為屈強比略有上升。