0.   引言

現代建筑工程都會使用鋼材來增強建筑結構的承載能力[1-2]，而建筑結構在服役過程中可能會經歷地震、火災等災害，因此現代建筑用鋼除了要滿足強度、塑性等指標要求外[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—銅板結晶器水冷澆鑄—控軋控冷—淬火—臨界淬火—回火工藝開發出的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用。但是，針對其經歷火災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律尚未明確。為此，作者將熱軋態Q460GJEZ35鋼板在溫度225~625 ℃下保溫60 min以模擬火災溫度環境，研究了溫度對試驗鋼顯微組織、力學性能和抗震性能的影響，擬為高強抗震耐火鋼的開發與應用提供參考。 

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射光譜法測得其化學成分如表1所示；試驗鋼的顯微組織見圖1，由粒狀貝氏體（GB，鐵素體內分布著眾多馬氏體/奧氏體小島的復相組織[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。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  熱軋態試驗鋼的光學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高溫作用后的試驗鋼上切取塊狀試樣，經過打磨、機械拋光和體積分數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試驗方法 扭擺法和彎曲振動法》，在MFP-A1000型高精度多功能內耗儀上進行內耗試驗，獲得弛豫型內耗（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.   試驗結果與討論

2.1   對顯微組織的影響

由圖3可見，經過低溫（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，與熱軋態相比，低溫熱處理后貝氏體組織中尺寸較大的馬氏體/奧氏體小島已經逐漸分解，中溫熱處理后尺寸大于2 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/奧氏體小島進一步分解。當溫度為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]；但當溫度過高（625 ℃）時，鐵素體發生粗化[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，表現為屈強比略有上升。 

GB/T 19879—2023《建筑結構用鋼板》規定，Q460GJ鋼的屈服強度在460~590 MPa，抗拉強度在570~720 MPa，斷后伸長率不小于18%，屈強比不大于0.85；GB/T 28415—2023《耐火結構用鋼板和鋼帶》規定，Q460FR鋼的屈服強度在460~600 MPa，抗拉強度大于570 MPa，斷后伸長率不小于18%，屈強比不大于0.85。可知，試驗鋼在225~525 ℃火災環境保溫60 min后，其拉伸性能（屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率和屈強比）均滿足建筑用鋼標準要求[15]，且當溫度為525 ℃時試驗鋼的強度最高。 

2.3   對抗震性能的影響

由圖5可知：隨著溫度升高，試驗鋼的室溫內耗整體呈降低趨勢，屈強比呈升高趨勢；屈強比與室溫內耗基本呈線性負相關性，即隨著屈強比升高，室溫內耗減小。較高的室溫內耗有助于提升建筑用鋼的耗散能力[16]，從而提高抗震性能。屈強比是保證建筑結構抗震性能的重要設計參數[17]，其設計理念要求鋼材在地震作用下能達到屈服狀態，并保證結構在受力過程中產生延性變形而不崩潰；當屈強比較低時，鋼材的抗震性能更好[18-19]。溫度對試驗鋼室溫內耗和屈強比的影響規律與室溫內耗和屈強比對抗震性能的影響規律一致。在溫度不高于525 ℃的環境中保溫60 min后時，試驗鋼的室溫內耗較高，屈服強度不大于0.85，說明抗震性能較好。由此可知，在溫度525 ℃及以下的火災環境中保溫60 min后試驗鋼仍能夠滿足抗震鋼的使用要求。 

圖  5  不同溫度保溫60 min處理后試驗鋼的室溫內耗和屈強比以及室溫內耗-屈強比曲線

Figure  5.  Room temperature internal friction and yield ratio (a) and room temperature internal friction-yield ratio curve (b) of test steel after holding at different temperatures for 60 min

測得熱軋態試驗鋼的SKK峰值為4.542×10−4，由SKK峰值計算可知熱軋態試驗鋼中無碳化物析出。由表3可知，隨著溫度升高，試驗鋼的SKK峰值減小，碳化物析出量增加。這是因為熱軋態試驗鋼中的碳元素主要存在于馬氏體/奧氏體小島的復相組織中[20]，在225~625 ℃溫度保溫60 min過程中，馬氏體/奧氏體小島會發生不同程度分解，原本以固溶形式存在的碳元素析出形成碳化物，并且溫度越高，組織分解越徹底，碳化物含量越高[21]。通過SKK峰值計算得到的碳化物析出量變化趨勢與顯微組織的定性試驗結果基本相符。 

3.   結論

（1）在溫度225~625 ℃保溫60 min空冷后，Q460GJEZ35鋼的組織與熱軋態相同，均由粒狀貝氏體和鐵素體組成，貝氏體中馬氏體/奧氏體小島的分解程度隨溫度升高而加劇。 

（2）隨溫度升高，試驗鋼的屈服強度和抗拉強度先增大后減小，斷后伸長率降低，當溫度不高于325 ℃時，屈強比保持在0.8以下，當溫度升高至不低于425 ℃時，屈強比在0.818~0.887。當溫度不高于525 ℃時，試驗鋼的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率和屈強比符合標準要求，說明經歷60 min溫度在525 ℃及以下的火災過程時試驗鋼的拉伸性能仍能滿足標準要求。 

（3）隨著溫度升高，試驗鋼的SKK峰值減小，析出的碳化物面積分數從225 ℃時的9.00%增至625 ℃時的67.18%，試驗鋼的室溫內耗整體呈降低趨勢，屈強比增大，抗震性能變差；屈強比與室溫內耗基本呈線性負相關性。在溫度不高于525 ℃下保溫60 min時，試驗鋼的室溫內耗較高，屈強比不大于0.85，抗震性能較好。試驗鋼經歷60 min溫度不高于525 ℃的火災環境時，仍能滿足使用要求。

文章來源——材料與測試網