热处理工艺对建筑用490 MPa级耐火钢力学性能的影响

陈俊，罗恒勇，林申正



热处理工艺对建筑用490 MPa级耐火钢力学性能的影响

陈俊，罗恒勇，林申正

(宜宾职业技术学院，宜宾 644003)

研究不同正火温度下NSFR490耐火钢的显微组织与力学性能。结果表明，正火处理温度在730~820 ℃区间内，耐火钢的强度随温度升高而下降，但仍可满足工程应用的标准要求，且塑性得以提高(伸长率由20%升至26%)。在600 ℃进行拉伸试验，结果满足高温屈服强度大于室温屈服强度2/3的要求。耐火钢经过600 ℃高温回火工艺，显微组织整体变化不大，仅晶粒尺寸略有长大，这与耐火钢在高温下的力学性能(屈服强度由315 MPa降至292 MPa)表现一致。最后结合该耐火钢的实际工程应用，利用ANSYS软件对其进行结构失稳临界温度计算，获得了该材料的位移−温度曲线，并得出其失效临界温度点为620 ℃。

耐火钢；热处理；显微组织；力学性能；有限元

近年来，建筑物逐渐向大型、复杂、高层建筑物发展，而对于建筑钢结构的要求也越来越高，特别是耐火性能越来越受到普遍关注与重视。目前国内外对于耐火钢的研究主要是在普通C-Mn钢基础上添加Mo、Nb、V等合金元素，在加工过程中对其进行控轧控冷，从而使得低合金高强钢具有较好的耐火性能。考虑到Mo、Cr等微合金元素的价格因素，各国对于所添加的微合金元素有所不同，但经过不同的轧制工艺，其性能均可满足耐火钢的标准要求，如日本侧重于增加Cr、Mo、Nb等元素，而韩国侧重于增加Nb、V、Ti等元素[1−7]。对于耐火钢的性能要求各国基本采用日本的耐火钢标准，我国的耐火钢属于建筑用低合金结构钢范畴，除了要求其室温下的力学性能满足普通建筑用钢标准外，还要求其在遭遇火灾时较短时间内(通常为1~3 h)，其屈服强度保持在室温屈服强度的2/3以上，以使得建筑物不会倒塌[8−13]。基于对建筑用耐火钢的这些性能要求，本文针对特定的耐火钢研究不同的热处理工艺对耐火性能的影响，以期获得最经济的方法来提高耐火钢的耐火性能，同时为该耐火钢的工程应用提供实验依据。

1 实验

选用的试验钢材为新日铁的NSFR490，其化学成分和力学性能分别如表1、表2所列。

表1 实验用钢的化学成分(质量分数，%)

表2 NSFR490耐火钢的力学性能要求

对于特定材质的耐火钢主要是通过不同的热处理工艺来改变其耐火性能，首先对热轧态试验钢材NSFR490采用4种不同温度(730，760，790和820 ℃)的正火处理，对比室温与不同正火温度下的显微组织、屈服强度和抗拉强度等力学性能并进行分析[7−8]。

现行通用的耐火钢规范规定：用于钢结构建筑或高层大型建筑的、在一定条件下具有防火抗坍塌功能的工程结构钢，在600 ℃的高温下，1~3 h内的屈服强度应大于室温屈服强度的2/3，因此，为进一步了解试验钢材在高温下组织性能的变化情况，将正火后的试验钢材分别进行600 ℃回火处理(600 ℃×30 min，空冷)，再通过微观组织分析和力学性能试验进行对比研究[9−13]。

为研究不同正火热处理工艺条件下耐火钢的微观组织和力学性能变化，采用4种不同正火温度进行热处理，正火温度分别为730，760，790和820 ℃，并保温1 h，对5组不同状态下的试样分别进行拉伸实验和金相观察，并对试验结果进行比对分析。

2 结果与讨论

2.1 拉伸试验

对常温以及不同热处理温度下的试验钢NSFR 490进行拉伸试验，试验结果如表3所列。

表3 NSFR490的力学性能

图1、图2所示分别为室温及不同正火温度下试验钢NSFR490屈服强度、抗拉强度、屈强比及伸长率的结果对比图。

从图1、图2可以看出，随正火温度升高，屈服强度与抗拉强度都有小幅度下降，特别是当正火温度上升至820 ℃时，屈服强度下降明显，而抗拉强度下降幅度相对较小，屈强比呈现随正火温度升高呈减小趋势，使得钢材有更大的塑性储备，有利于结构稳 定性。另外随正火温度升高，NSFR490钢的伸长率呈增大趋势，在790 ℃时有所下降，但是在820 ℃时增大明显，表明正火温度的升高有利于试验钢的塑性性能提高。

图1 不同正火温度下NSFR490钢的力学性能对比

图2 不同正火温度下NSFR490钢的屈强比和延伸率

2.2 金相组织观察及分析

图3所示为室温及不同正火温度条件下试验钢的金相组织。为更好的研究正火温度对耐火钢性能的影响，对几种正火状态下的试验钢进行金相组织观察 分析。

由图3可以看出NSFR490钢的金相组织中含有大量的等轴状先共析铁素体，并存在少量粒状贝氏体或粒状组织。室温时大块黑色组织贝氏体分布在基体中，而正火处理后黑色组织贝氏体减少，当正火温度为730 ℃时，组织中有少量块状马氏体分布于晶界处。从图3(c)，3(d)和3(e)不难看出，随正火温度升高，铁素体开始长大，贝氏体组织明显富集，弥散分布于基体组织中。结合其力学性能测试结果，可以看出贝氏体的弥散分布虽然使得屈服强度和抗拉强度有所下降，但仍能达到工程应用标准要求，而正火后屈强比降低以及伸长率的升高使得该耐火钢具备更强的抗火灾能力。

图3 NSFR490钢在室温及不同正火温度下的金相组织

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

2.3 回火处理对NSFR490钢力学组织和性能的影响

为进一步研究火灾时高温对耐火钢性能的影响，对正火处理的试验钢进行600 ℃高温下的力学性能试验，分析其是否达到室温屈服强度2/3的性能要求。然后对不同正火条件处理的钢材进行600 ℃，保温1 h后空冷的回火处理工艺，并分析其金相组织[14−17]。

表4和图4分别为正火后的试验钢材进行高温(600 ℃)力学性能的测试结果和耐火钢正火与回火状态的显微组织照片。不难看出随正火温度不断升高，材料的屈服强度降低，但是高温屈服强度与室温屈服强度比值却不断升高，当正火温度为820 ℃时，比值达到了0.82，这有利于钢结构的高温稳定性[17]。

表4 NSFR490高温力学性能

图4 正火与回火状态下的显微组织对比

(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 ℃)

对正火后的NSFR490钢进行600 ℃回火处理，并进行金相组织观察对比，分析其耐高温性能。

由图4可知，与正火状态下的金相组织相比，NSFR490钢回火后的金相组织中晶粒尺寸长大，主要的贝氏体组织得以保存，黑色贝氏体组织富集于铁素体晶界处。由此可见对于NSFR490耐火钢，经过600 ℃下1 h回火处理，晶粒尺寸稍有长大，整体组织状态保持平稳，满足耐火钢在遭遇火灾高温时仍能保持一定的强度，不会发生立即倒塌这一力学性能要求。

2.4 数值分析

结合该型钢材在实际工程中的应用情况，利用ANSYS软件进行耐火钢建筑结构热力学性能分析。本研究以建筑结构常用的H型钢进行数值分析，截面尺寸为HN400×300×8×12，单元类型选择SOLID70，采用三面受火让H型钢受热，求得相应的温度场后，将此结果作为载荷施加到H型钢上[17−19]。

2.4.1 温度场分析

按NSFR490耐火钢的相关参数设置不同温度下的导热系数、比热、弹性模量等热力学参数，采用热对流、热辐射边界条件模拟火灾条件[20]。热辐射率为0.5，对流系数为28 W/(m2·℃)，并进行瞬态求解。求解结束后在1 h时的温度分布情况如图5所示。可见高温主要分布于工字钢的腹板，温度由腹板中心向两侧降低，最低温度分布于上翼缘板。

图5 1 h时温度场分部

2.4.2 稳定性分析

在有限元软件中对其进行常热—结构耦合分析，以温度场作为荷载加载到结构上进行结构失效模拟分析。设定初始温度为25 ℃，并将热分析结果加载到构件模型上进行计算，得出结构失效的临界温度，在位移−温度曲线图上表现为拐点，并规定该温度为结构失效临界温度。热−位移计算结果如图6所示，临界温度为620 ℃。

此计算结果在理想状态下，虽然与实际情况有所偏差，但是大体能够对现有的耐火钢材性能、可靠性进行一定的判别提供依据。

图6 位移−温度曲线

3 结论

1) 耐火钢NSFR490经过730~820 ℃的正火处理后，强度有所降低，但是仍可满足相关工程应用标准要求，同时其塑性提高，屈强比减小，有更强的塑性储备，有利于高温承载。

2) 经过730~820 ℃正火处理后，NSFR490钢高温屈服强度与室温屈服强度比值得到提高，远大于常规要求的2/3。

3) 正常热轧状态下的NSFR490钢与730~820 ℃正火处理后的NSFR490钢经过600 ℃回火，其显微组织保持稳定，仍以贝氏体为主，晶粒尺寸略有长大，使得该钢能保持良好的高温性能。

4) 利用ANSYS有限元进行热-结构耦合计算结果表明NSFR490材料具有较好的高温可靠性，其临界温度为620 ℃。

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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

陈俊，讲师。电话：0831-8272187；E-mail: feng_song168@sina.com

(编辑 高海燕)