（材料学专业论文）钼钨铌对耐火建筑钢组织和性能的影响.pdf

武汉科技大学颀 - ，仨l 仑支第1 页 摘要 本文以低c s i m n 微合会钢为基础，通过添加不同含量的m o 、w 、n b 合金元素，研 究了m o 、w 、n b 合金元素对耐火建筑钢组织和性能的影响规律，并成功开发出了含m o 和含w 的耐火建筑结构钢。本文对该钢种进行了系列试验研究，包括力学性能、金相显微 组织、扫描电子显微镜下的组织形貌以及透射电子显微镜下的精细结构等分析，详细研究 了试验钢的成分一性能一组织之间的关系，探讨了成分、组织及析出物对钢板强韧化的影 响，尤其是对钢高温性能的影响。 m o 、w 的加入，可以提高钢的强度和耐火性能，降低钢的冲击韧性和屈强比；与等 量的w 相比，m o 对钢的高温性能的有利影响更加显著；当钢中m o 或w 的含量为o 3 0 左右时，钢的强韧性匹配程度最好；试验还发现，n b 可以替代部分m o 来提高钢的高温强 度，从而降低钢的生产成本，提高经济性。试验钢的组织以铁素体+ 珠光体+ 贝氏体+ 少量 的m a 岛为主，贝氏体是提高钢板强度和降低冲击韧性的原因之一。 透射电镜观察发现，在热轧态和正火态试样中均有大量弥散分布的细小n b c 、n b ( c 、 n ) 析出，主要在铁素体中及其晶界上析出，形态多为球状或椭球状分布，尺寸较为细小。 这种细小的第二相质点在高温下具有较高的稳定性，不易聚集长大，对提高钢的高温性能 非常有利。 关键词：m o 、w 、n b 等；耐火钢；组织及性能：高温强度；析出物 武汉科技大学硕 学位沦文 笫i 贞 a b s t r a c t b a s e do nl o wc s i m nm i c r o a l l o ys t e e l ，t h ee f f e c t so f m o 、w 、n b0 nm i c r o s t r u t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f f i r e r e s i s t a n tf o rb u i l d i n gw e r es t u d i e db yv a r y i n gt h ec o n t e n t so f m o 、 w 、n b ，a n df i r e r e s i s t a n ts t e e l sc o n t a i n i n gm oa n dww e r es u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d t h i sp a p e r s t u d i e dt h er e l a t i o n si nd e t a i la m o n gc o m p o s i t i o n s 、p r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u t u r eo f e x p e r i m e n t a l s t e e l sb ys e r i e so fe x p e r i m e n t s ，i n c l u d i n gt e s to fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 、m e t a l l o g r a p h i c m i c r o s t r u c t u r e 、s p e c t r o s c o p ya n a l y s i s u n d e rs c a ne l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) a n d f i n e m i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i so fu n d e rt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ( t e m ) ，a n dd i s c u s s e dt h e e f f e c t so f c o m p o s i t i o n s 、m i e r o s t r u t u r ea n dp r e c i p i t a t i o no nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f f i r e r e s i s a n t s t e e l ，e s p e c i a l l yo nh i 曲t e m p e r a t u r es t r e n g t h a d d i t i o no fm o 、wc a ne n h a n c es t r e n g t ha n dh i 咖t e m p e r a t u r es t r e n g t ha n dd e b a s e t o u g h n e s sa n d 胡ko fs t e e l a d v a n t a g e o u se f f e c to fm oo nh i 【g ht e m p e r a t u r es t r e n g t hw a s m o r ep r o m i n e n t , c o m p a r e dt oe q u i v a l e n tw n 虻m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f s t e e li sb e s tw h e nt h e c o n t e n t so f m oo rwa r ea b o u t0 3 0 i nm es t e e l i ta l s of o u n dt h a tn bc o u l ds u b s t i t u t ep a r t i a l m ot oi m p r o v eh i 曲t e m p e r a t u r es t r e n g t ho fs t e e l ，w h i c hc a nr e d u c et h ep r o d u c t i o nc o s ta n d e n h a n c ee c o n o m y m i c r o s t r u c t u r e so fe x p e r i m e n t a ls t e e l sa r em a i n l yf + p + b + as m a l la n a o u n to f m a ，a n dbi so n er e a s o nf o rt h ei m p r o v e m e n to f s t r e n g t ha n dd e b a s e m e n to f t o u g h n e s s a c c o r d i n gt ot h eo b s e r v a t i o no ft e m ，i ti sd i s c o v e r e dt h a tt h e r ee x i s tal o to fd i s p e r s i v e s c r a p p yn b c 、n b ( c ，n ) i nb o t hr o l l i n ga n dn o r m a l i z i n gs a m p l e s n l ep r e c i p i t a t i o n sw h i c ha r e g l o b u l a r i t yo re l l i p s ea n dv e r ys c r a p p yi ns i z ec o n s i s tm a i n l yi nfa n dc r y s t a lb o u n d a r y ，t h i s s c r a p p yp r e c i p i t a t i o n sa r eh i g hs t a b i l i t yu n d e rh i g ht e m p e r a t u r e ，a n da r eu n l i k e l yt oa s s e m b l ea n d g r o w ，w h i c ha r ev e r ya d v a n t a g e o u st oe n h a n c eh i g ht e m p e r a t u r es t r e n g t ho f s t e e l k e yw o r d s ：m o l y b d e n u m 、t u n g s t e n 、n i o b i u me t c ；f i r e r e s i s t a n ts t e e l s ；m i c r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；h i g l lt e m p e r a t u r es 打e n g t h ；p r e c i p i t a t i o n 武汉科技大学硕 ：学位论文 筇1 页 第一章文献综述 建筑钢结构的高速发展给钢铁制造业带来很大机遇，但随着设计要求的提高和钢结构 制造技术的进步，对建筑钢板的性能要求也在不断提高，除钢板强韧性基本要求之外，对 特殊性能的要求也日益增多，即对钢板抗震性( 低屈强比) 、抗大线能量焊接、耐火性及 耐候性等方面的要求，换言之是对钢板高性能的要求。改革开放以来，我国的钢铁工业得 到了很大的发展，为建筑钢结构在我国的快速发展提供了必要的物质基础。由于建筑钢结 构具有轻质高强、基础造价低、施工周期短、工业化程度高、抗震性能好和资源可再生利 用等优点，在高层建筑、重型工业厂房建筑、高耸结构、大型设备构架和大型建筑物中推 广使用钢结构，为了满足建筑高层化、结构大跨化等要求，建筑钢结构用钢材正向着高强 化、板厚化、低屈强化、低屈服点和专用化方向发展。 高层钢结构建筑物的发展，对制作柱梁结构件钢板的化学成分、屈强比、屈服点范围、 厚度方向性能、高温防火性能、内在质量等方面提出了严格要求，特别是对抗震和抗火灾 的要求。耐火建筑钢的技术指标是在普通建筑的技术指标上增加了对材料高温力学性能的 要求。目前普遍认为，耐火建筑钢在6 0 0 下其屈服强度r v 0 2 应不低于其常温氏l 的2 3 ， 但对其研究还涉及韧脆转变温度、可焊性、强度与塑性的配合等几个方面的内容。 对现有各种建筑结构钢的的调查表明，我国建筑用钢留有许多隐患：韧脆转变温度高、 碳当量高、强度高而塑性过低或塑性高而强度过低。采用高强度耐火建筑钢，由于强度提 高则钢结构构件结构断面减小、自重减轻，由此可以减少运输和吊装费用，基础的负载也 相应减少，可以降低基础造价，特别是在地质条件较差地区。例如在上海、天津等地区， 其优点就更为突出。更重要的是，建筑物在火灾下的安全性大大提高，从而减少人民生命 财产的重大损失，由此而获得的社会效益是不可估量的。 目前，普通建筑钢结构的抗火灾软化能力很差，耐火极限仅约1 0 分钟，在3 5 0 。c 时就 会失去安全性。为此，钢结构必须施涂或包覆保护层。有的保护层厚达6 5 m m ，费用可超 过钢结构成本，且增加了工时，增大了体积，造成污染公害等负面影响。 耐火钢不同于普通的建筑用钢，普通建筑用低合金结构钢( 如j i sg 3 1 0 6 标准中s s 4 0 0 、 s m 4 9 0 钢，中国g b l 5 9 1 1 9 9 4 标准中q 2 3 5 、q 3 4 5 钢等) 在温度达到3 5 0 左右时，其屈 服强度将降至室温时强度的2 3 以下，低于建筑结构要求的屈服强度( 承载许用应力) ，不能 满足设计要求。为了提高普通建筑用钢制钢结构抵抗火灾的能力，必须喷涂耐火绝热涂层。 喷涂工作既费工时，又危害操作人员的身体健康，而且增加了建筑结构的重量，减少了使 用面积，延长了工期，同时也提高了建造成本。研制和应用耐火钢正是为了减薄或取消耐 火涂层，使钢材能够在高温下保持较高的强度水平。 1 1 国内外建筑钢结构的发展 1 1 1 国外建筑钢结构的发展 二十世纪土建结构领域内的重大进展之一是高层钢结构和大跨度空问结构的兴建。因 武汉科技大学硕十学位论文第2 页 其具有诸多特殊方面的优势，与混凝土结构相比，钢结构具有环保型和可再次利用等优点， 也是易于产业化的结构，因此，发达国家在房屋建筑中广泛采用钢结构，高层钢结构已 成为国际上高层建筑的发展趋势。对高层建筑物的定义，我国台湾地区的建筑法规定，高 度超过5 0 米，或楼层数在1 5 层以上均为高层建筑口l 。现代建筑结构中，钢结构建筑代表 了当今发展的新潮流。在日本，二十世纪九十年代中期，钢结构建筑面积就已达到总建筑 面积的4 0 以上【3 】。在美国，以工业化全装配轻钢结构体系建造的非居住单层建筑物占 5 6 7 。西欧新建的工业与民用建筑的发展也是以钢结构为主【4 ”。 1 9 8 6 年，在扩大内需的经济政策下，日本建筑结构用钢的使用量大幅度增加，建筑物 的高层化也有大幅度进展1 6 j ，甚至有人提出建超高大楼的构想i ”。建筑物的高层化从设计 方面要求天井、通风口所留空间大，对钢材则强烈要求其具有高强度、良好的焊接性能， 同时有耐震性( 低屈服比) 和耐久性( 耐火性、耐候性) 。 表l - 1 归纳了日本建筑结构用钢的变迁【6 7 8 j ，1 9 9 8 年和2 0 0 0 年6 月，对日本建筑规程 ( b s l ) 作了适当的调整和修改1 9 l 。 表1 1日本建筑结构用钢的进步和历史 年份结构建筑用钢的变迁 1 9 2 4制定市区建筑物法 1 9 5 0制定建筑基本法，即日本建筑规程( b s l ) 1 9 5 2 制定建筑结构用钢( j i sg3 1 0 6 ) 的标准 1 9 6 4修改建筑基本法 1 9 7 0修改都市规划法 1 9 7 2总规划( 开发新耐震设计法) 开始( 5 年内) 1 9 8 1施行新耐震设计法 1 9 8 2总规划( 开发建筑物的综合防火设计法) 开始( 5 年内) 1 9 8 7 制定新防火设计法 1 9 8 8修改焊接结构用钢材( b sg3 1 0 6 ) ( 采用t m c p 法) 1 9 8 8 开发建筑结构用耐火钢 1 9 8 9建筑结构用t m c p 钢得到认可 1 9 9 4制定建筑结构用钢( j i sg3 1 3 6 ) 的标准( 屈强比8 0 ) 依照总规划中“新抗震设计的开发”、“6 0 公斤级高强度钢的开发”，要求制定出高 强度、高韧性、良好焊接性的造船用钢和海底结构建筑物用钢、管线材料的生产方法，在 8 0 年代发展的t m c p 法的基础上进一步发展为“建筑钢筋用t m c p 钢材的开发”。另外， 按照总规划“建筑物综合防火法的开发”、“新防火设计法的制定”继续发展为“建筑结 构用耐火钢的开发”。 1 1 2 国内建筑钢结构的发展 随着我国国民经济的发展与城市建设速度的加快，高层公共建筑与日俱增，尤其是超 高层建筑几乎均采用了钢结构的形式。1 9 9 3 年，我国形成了新的高层建筑钢结构建设高潮， 特别是随着上海浦东开发区的建设，上海高层建筑钢结构的发展尤其迅速，成为我国高层 钢结构建设最集中的地方，迄今建造的高层钢结构建筑的高度和规模都上了一个新台阶 1 1 0 t l l i 。 武汉科技大学硕十学位论文筇3 页 目前，我国1 0 0 m 以上的高层建筑达2 0 0 余栋。预计，随着我困整体技术水平的提高 及新的结构体系的不断丌发和推广应用，钢结构在高层建筑中的应用将越柬越普遍i l “。从 建筑用钢的结构需求来看，随着人民生活水平的提高和国家综合实力的增强，建筑行业对 使用钢材的要求也越来越高。今后几年，我国建筑用钢将面临技术升级、技术进步这一新 课题。 据统计，目前我国钢结构建筑所用的钢材还不到全国钢材总产量的2 ，而钢结构用 钢量中，建筑钢结构用钢量又仅占1 0 【1 3 i ，远不如美国、日本等国家。这些国家钢结构用 钢量己占到钢产量的3 0 以上，钢结构面积占到总建筑面积约4 0 以上i 】。在美国，钢结 构已有上百年历史；在日本，钢结构住宅发展较快，每年用于建筑的钢材2 5 0 0 万吨左右， 占钢材总量的2 5 ，其中用于钢结构住宅的钢材也有7 0 0 8 0 0 万吨。而瑞典已是当今世 界上最大的轻钢结构住宅制造国，他们的轻钢结构住宅预制构件达9 5 ，欧洲各国都到瑞 典去订制住宅，通过集装箱发运。有鉴于此，国家有关部门制定了在建筑工程中推广使用 钢结构的一系列政策措施，争取在“十五”期间建筑钢结构的用钢量达到总钢产量的3 ； 至2 0 1 0 年建筑钢结构的用钢量达到总钢产量的6 1 | 5 】。建设部将钢结构住宅体系的开发和 应用作为我国建筑业用钢的突破点，并且制定了钢结构住宅体系产业化技术导则和钢 框架核心筒住宅建筑体系技术导则u 3 i 。 轻型房屋结构是9 0 年代崛起的一个新兴产业，每年总体增长近2 0 0 万平方米，相当 于8 0 年代中国轻钢结构的全部建造工程量，年增长量约5 0 至6 0 万平方米。近年国家出 台优惠政策，鼓励建筑行业积极合理推广应用钢结构，把轻钢结构在住宅建筑上推广应用 作为建筑业的一场产业革命来抓，并正式列入国家重点技术创新项目，钢结构住宅由此引 起各界广泛关注。住宅建筑业的产业革命会导致钢铁业界的震动【l “。1 9 9 9 年，经国家经贸 委批准，将“轻型钢结构住宅建筑通用体系的开发和应用”作为中国建筑用钢的重点，并 正式列入国家重点技术创新项目，钢结构住宅由此引起各界广泛关注。 要在我国发展钢结构产业、推广住宅钢结构体系，首先在战略上，发展建筑钢结构产 业己正式列入国家“十五”计划和2 0 1 5 年发展规划垆 ，并明确“十五”期间，以多层钢结构 房屋为突破点，使中国钢结构登上一个新的台阶，由此将拉动钢结构钢材的需求。在未来 五年至十年内，我国钢结构住宅建筑的发展目标为：高层建筑钢结构用厚板，冷弯型钢用 高强度低合金钢、镀铝锌薄板等全部国产；建筑钢材性能稳定性显著提高；建筑型材规格 齐全；建筑用高强度低合金钢品种增加：可以供应耐候钢、耐火钢、低屈强比钢、不锈钢 等；研究钢结构在各类建筑中应用的新体系，扩大应用范围等；研究开发新型防腐蚀和防 火措施；争取建筑钢结构达到国际水平。据预测：在“十五”期间，每年建筑钢结构用钢材 占全国钢材总产量的3 ，年均钢材消费量为3 5 0 万吨至4 0 0 万吨：到2 0 1 0 年将再翻一番， 全国建筑钢结构用钢材占钢材总产量的6 ，钢材需求量达到年均6 0 0 万吨至7 0 0 万吨， 建筑钢结构的市场前景十分广阔。 总之，我国建筑钢结构在普及上离发达国家还有相当差距，这同时也说明我国钢结构 建筑发展潜力十分巨大。大力发展我国的钢结构建筑，将为国家和社会提供更多、更安全、 武汉科技大学硕七学位论文 第4 页 更环保、更舒适的居住和活动空间。 1 2 建筑用耐火钢的发展与应用 1 2 1 耐火钢的发展及应用 在著名的芝加哥大火( 1 8 7 1 年，1 7 万栋房屋被烧毁) 中，很多铸铁造的建筑物倒塌， 从此，钢结构建筑物的耐火性能开始受到重视。事实上，铸铁与钢铁不一样，铸铁的碳含 量高，在加热后的灭火中，由于喷水后容易产生龟裂等原因，从而造成这些建筑物迅速倒 塌i2 “。 耐火钢的概念是2 0 世纪8 0 年代日本提出的，1 9 8 7 年日本建筑委员会颁布了“新火 灾设计系统”，允许建筑物在不用耐火涂层的情况下，按照钢的高温屈服强度来确定钢的 许用温度，使新材料和新设计在铜结构上的应用成为可能。据此，日本迅速开展了耐火钢 的研制，以提高钢材对高温的耐受能力，从而减少耐火涂层的厚度直至不用耐火涂层。 现在的钢结构建筑物在火灾中并不是简单的倒塌。2 0 0 1 年美国纽约发生9 1 1 恐怖攻 击事件，导致世界贸易中心双子星大楼倒塌，造成3 7 4 8 人的死伤惨剧口”。在这次倒塌事 故中，飞机的撞击不仅使结构遭受破坏，钢结构的耐火覆层也被剥离，加上飞机原油爆炸 产生的火场高温，使防火涂层的有效时间相应降低，致使建筑物钢结构软化，加速了结构 的倒塌。对于承受竖向载荷的结构内筒而言，很高的火场温度对钢柱承载能力的影响是巨 大的；对于外筒钢柱，由于钢柱的内外温度相差较大，使钢柱向外部弯曲，降低了钢柱的 支撑能力。同时，大火还削弱了节点的性能，降低了节点的承载能力，当被撞楼层下坠时， 节点抗冲切性能的降低是致命的，在多米诺效应( d o m i n oe f f c c t ) 和平坠效应( p a n c a k e e 位c t ) 的共同作用下，造成连锁断裂反应而全面倒塌哗j 。 目前，各国都用法律严格规定了钢结构建筑物的耐火性能。在日本。超高层大楼建筑 始于1 9 5 5 年代，钢结构建筑物的耐火性能才披认真研究，1 9 6 9 年，日本建设省第2 9 9 9 号通告“耐火结构的规定方法”规定，赋予钢结构建筑物被覆义务，使火灾时钢材温度平 均在3 5 0 以下，最高不超过4 5 0 。日本建筑基准法中规定必须以耐火被覆来保护钢结 构，即对不特定多数人所利用的建筑物或建设在市街地的建筑物，赋予依照层数必须满足 各要求耐火时间之被覆义务，见图1 1 # 。 w 柽t 聃& n 舳t t h b - 啊 2 十m 女橇 * w t t 5 州i 3 口日槲h m f f t l 5 囊x r h 哪 图1 - 1建筑物楼层数与耐火时甸要求 这些建筑规范是从房屋的不同部位和不同楼层两个方面来确定其耐火性能，构成建筑 武汉科技大学硕十学位论文 第5 页 的柱、梁、墙、屋盖等各个部位，都有具体的耐火时日j 要求。这主要也是从保证人员有足 够的逃生时间来考虑问题的，如从项层向下数2 4 各楼层，当然也包括4 层以下的建筑 物，一旦发生火灾，居住其中的人员有l 小时的逃生( 耐火) 时i 铷口”。 目前，耐火钢在日本已获得了广泛使用，2 0 0 0 年3 月，日本川崎制铁专家到马钢进行 技术交流时介绍，该公司月产3 0 0 0 余吨耐火h 型钢，另有资料报道，新日铁自1 9 8 9 年至 今已生产耐火钢2 0 万吨，其中包括耐火h 型钢、板材、带钢、钢管等产品，目前年产量 是4 万吨左右。耐火钢的用途很广，可用于办公楼、商场、宾馆、厂房、体育馆、车站、 高层钢结构大厦等的建造。应用耐火钢后可缩短建造周期，减轻建筑物重量，增加建筑的 安全性，降低建造成本，具有显著的经济和社会效益。 日本现在使用f r 钢的建筑物，火灾时柱梁的钢材温度定为6 0 0 ，比以往的3 5 0 为 高。目前，不论被覆减轻还是无被覆的各类建筑物，进行耐火设计时，必须取得日本建设 大臣的认定。新日铁受日本建筑中心委托，负责制订“f r 钢耐火设计指南”，并接受有关 建筑中心防灾性能评定各耐火设计的审查。新日铁耐火钢品种见表1 - 2 1 2 4 1 。 表1 2新目铁耐火钢品种 坦格分蕾 稚魍髭号墁榕 分臻麓翅。翟号 m l 3 5 2 b 3 2 5 c启羲耩适用正犀藏材s n 4 a 。4 b4 0 0 c 毫萎棒遗用t m c p 材n s 蟪格 h b l 3 5 5 b 弱5 c凹s g3 1 3 6 )s n 4 9 0 b 4 9 0 c 盛蕞辅遣用5 5 0 n f 日1 m 2 s m o o b 眦4 0 0 c f r t m c p l i 时 船l 3 8 5 b 3 8 5 c 宜士交通太臣簿定 s m 4 b f r 4 0 d c f r 材科。撬掐 瑟嚣怒焉篙 s a 4 4 0 b 4 4 0 cs n 4 帅b m4 9 0 c - f r s a 4 4 0 b u4 4 0 c - u耐火计。坦格薯燕辨适用耐火龋材s m i 雌f r 4 9 d c f r j f e - i y l o o 船l 3 2 朔f r 3 2 5 c f r 赢鬟* 遣甩氍卑状点龋材 j f e l y i 卯 s m 5 2 明取 船l 3 5 5 m f k3 5 5 c f r 腓l y 2 2 5 近年来，耐火钢在国内发展较快，武钢、马钢、宝钢、鞍钢等单位都开始开展耐火钢 的研究。宝钢在耐候钢的基础上开发出m o 系耐火钢板，武钢积极开发耐火中厚板，马钢 也充分利用了其引进的万能轧机能力强、控制精度高的优势，采用微合金化结合控轧控冷 技术开发出耐火h 型钢，并在上海某大厦的建设中得到应用。武钢也已开发出普通4 9 0 m p a 级建筑钢和5 1 0 m p a 级耐火耐候建筑用钢，并在上海残疾人体育艺术中心、国家大剧院工 程及武钢研究院科技大楼上获得成功应用。 1 2 2 耐火钢的原理及技术要求 耐火钢是指对火灾有一定抵抗能力的钢材，日本把耐火钢归属于焊接结构用轧制钢材 类，在我国它当属于建筑用低合金结构钢的范畴。 耐火钢不同于耐热钢。耐热钢对钢的高温性能，如高温持久强度、蠕变强度、疲劳性 能等都有严格的要求，而耐火钢在性能上不需要保持长时间的高温强度，只要在6 0 0 左 右的高温下保持l 3 小时其屈服强度值不低于室温数值的2 3 即可。这样可以保证钢结构 的安全性，从而保证人员、重要物资等在结构坍塌前能安全地撤离火灾现场。因此，耐火 钢的合金元素含量要比相同强度级别，能在6 0 0 下使用的耐热钢的合金元素含量低得多。 对耐火钢性能的要求关键是高温强度。根据高合会耐热钢的研究结果可知，c r 、m o 武汉科技大学硕七学位论文第6 页 可提高钢的耐热性，但钢中添加这类贵重合会元素，将大幅度增加生产成本，这对使用量 大而广的结构材料是不可行的。同时耐火钢不同于以往的热强钢，在性能上不需要长时间 的高温强度，而是要求在6 0 0 c 温度下保持l 3 h 后，其强度不低于室温强度数值的2 3 ， 以保证建筑结构的安全性；在工艺上，它必须具有良好的焊接性能；成本上具有优势。而 c r 、m o 等合金元素增加了钢的淬透性，提高了碳当量，对焊接性不利。因此，建筑用耐 火钢只能少量应用这类贵重合金元素，在达到具有抵抗火灾能力的同时，也具有良好的机 械性能和焊接性能，且成本与普通建筑用低合金结构钢相比不超过1 5 。 耐火设计主要有两种方法：钢结构的表面涂防火涂层法和采用耐火钢方法。防火层法 需在钢材表面上涂5 0 m m 左右厚的防火涂料，在增加建造成本的同时，还会污染环境。 采用耐火钢可克服上述缺点，并有利于降低造价，扩大建筑物的有效利用空间。 添加适量的m o ，使之形成微细的碳化物，籍以利用其固溶强化来提高高温强度，确 保耐火性。但m o 含量过高，易恶化焊接性和焊接热影响区的韧性，故需控制适量。然而， 如果在钢中仅仅单独添加m o ，在6 0 0 的高温下，还很难获得足够的屈服强度，故而添加 适量的c r 、v 、n b 等微量元素，同时采用合理的轧制工艺，使之形成铁素体一贝氏体组织， 从而有效地使钢在高温下具有高的屈服强度。 耐火钢( f i r er e s i s t a n ts t e e l ，简称为f r 钢) 在技术上主要是添加微量耐热性高的c “ m o 、n b 等合金元素，开发出耐火温度为6 0 0 c 的建筑用耐火钢i l 。由新日铁公司率先在 1 9 8 8 年开发出来的该钢材，与一般的建筑用钢材比较，具有极为优越的高温强度( 耐火 性) ，目前日本五大钢厂均有产品上市。欧洲大陆对耐火钢的研究和使用也在作进一步深 入细致的工作【2 5 2 6 , 2 7 1 。 耐火钢的耐火性能用钢的高温强度来表征，耐火温度的设定是耐火钢技术要求的关 键。建筑物的耐火不仅取决于所采用的钢结构本身的耐高温性能，而且与防火涂层的厚度 有关。提高钢的耐火温度，可减少防火涂层。但耐火温度设定过高，钢中要添加很多合金 元素，将增加制造成本，且对使用性能不利。因此，最高耐火温度的确定，应该是钢的高 温性能和生产成本之间的最佳平衡结果i j j 。 为了确定能保证所希望高温强度的温度，r i k i oc h i j i i w a 等人1 7 研完成了一项试验研究。 对四种抗拉强度为4 0 0 7 8 0 m p a 的典型钢按j i s g 0 5 6 7 标准进行了高温拉伸试验，研究结 果表明：( 1 ) 各试验钢在5 0 0 c 6 0 0 c 温度范围内，屈服强度都急剧下降，并且在7 0 0 或7 0 0 以上徒降至5 0 m p a 左右；( 2 ) 轧后直接淬火和回火( d q t ) 可增加高温屈服 强度，但在6 0 0 1 2 和6 0 0 c 以上的高温范围内，其屈服强度的降低会有很多，在6 0 0 。c 附 近，热轧态钢( 轧后空冷) 的屈服强度下降较少。 如果根据试验结果把耐火温度设定在7 0 0 c ，那么维持钢的高温强度必须添加大量的 合金元素，这不仅恶化了钢的使用性能，而且大大增加制造成本；另一方面，若将保证强 度的温度定在较低的5 0 0 c ，那么仅能使耐火涂层的厚度减少一点点，这违背了我们使用 耐火钢的初衷。因此，将耐火钢保证强度的温度定在6 0 0 c 。参考建筑标准规范，将耐火 钢6 0 0 。c 的屈服强度定为其室温屈服强度最小值的2 3 1 2 ，这也相当于构建材料的长期许 武汉科技大学硕十学位论文第7 页 用应力强度。以4 9 0 m p a 强度级别的耐火钢为例，它的屈服点3 2 5 m p a ，抗拉强度在4 9 0 6 1 0 m p a 之间，室温屈服强度的2 3 是2 1 7 m p a 。 1 2 3 耐火钢的防火时限 随着人类对生活安全性的要求进一步提高，对建筑用钢的性能提出了更新的高标准一 耐火性。由于这个概念使用时间不长以及耐火钢性能要求尚未规范化，对于耐火钢至今还 没有统一的标准。消防工作研究进展表明，常规建筑用钢在5 0 0 时强度降低到室温强度 的5 0 6 0 。在建筑物着火的状态下，钢材承受不了高温时的载荷而造成危险。在西方建 筑物规章里，耐火时限一般是3 0 m i n 的倍数，如6 0 m i n 、9 0 m i n 等。在英国，7 的建筑物 钢结构耐火时限为3 0 m i n ，6 0 为6 0 m i n ，1 0 为9 0 m i n ，1 5 为1 2 0 m i n 。对于建筑物钢结 构的研究表明，假如建筑物用钢在8 0 0 能够保持室温强度的6 0 ，基本上可以不加防火 保护而具有3 0 m i n 的耐火时限。耐火钢和传统的耐热钢有显著的区别，耐火铜将被作为建 筑结构件大量的生产和应用，对耐热性的要求也不完全一样。这里用到一种如图1 2 所示 的火曲线，即在建筑物内发生火灾时，房闯和构件( 应该说室内构件钢筋、结构件、墙 壁) 的温度与时间的关系曲线。 p 捌 霸 盯阿h 咖 图1 2 标准火曲线和实际火曲线 图1 2 说明，在般情况下，房间内木质量在1 5 “o k g 时，约在2 0 3 0 m i n 时间达到最 高温度，而且不同木材质量条件下所能够达到的最高温度不同，所以在一般情况下可以考 虑3 0 m i n 的防火时限。 l 2 4 耐火钢的使用性能及特点 通过以上对建筑钢结构、建筑钢结构用低合金高强度钢以及建筑用耐火钢的发展概况 的综述可知，日本、中国等国家已经开发出了耐火钢，并获得了一定的应用。从所查文献 中还了解到，开发的建筑用耐火钢首先需满足建筑钢结构用钢材的下列主要性能i3 ( 】j ： ( 1 ) 较高的抗拉强度和屈服点 屈服点高可以减小构件截面，减轻结构自重，节约钢材，降低造价。抗拉强度高可以 增加结构的安全储备，提高构件的可靠性。 ( 2 ) 较好的塑性、韧性和耐疲劳性能 较好的塑性可以使结构在破坏前产牛较大的变形，给人以明显的破坏预兆，从而可使 武汉科技大学硕+ 学位论文第8 页 人们及时发现和采取补救措施，减小损失。较好的塑性还能调整局部高峰应力，使结构产 生内应力重分布，使结构或构件中某些原先受力不均部分的应力趋于均匀，提高结构的承 载能力。较好的韧性可以使结构在动力冲击荷载作用下破坏时吸收较多的能量，降低脆性 破坏的危险程度，为此要使钢材具有较低的屈强比。较好的疲劳性能可以使结构具有较好 的抵抗重复荷载作用的能力。 ( 3 ) 良好的加工性能 良好的加工性能包括冷热加工性能和焊接性能。建筑钢结构所采用的钢材不但要易于 加工成各种形式的结构或构件，而且不致因加工而对结构或构件的强度、塑性、韧性等造 成过大的不利影响，同时要求钢板具有良好的焊接性能。 1 2 5 钢在高温时的强度损失机理1 3 1 j 2 j l m i 高温时的钢由于种种原因强度下降，同时也伴随着韧性和塑性的损失。普通钢的高温 强度损失机理目前已经清楚，高温不仅给原子的扩散提供了能量，也给位错运动提供了激 活能，导致金属基体强度下降。从原理上讲下列因素是高温强度下降的主要原因。 1 2 5 1 派而斯一纳巴罗应力op - n 启动自由位错在晶体中运动所需要的最小应力叫做派而斯一纳巴罗应力，是派而斯和 纳巴罗分别用位错的点阵模型推导出来的为滑移最小应力。 ，、 2 g r2 ，职 2 g r2 万，、 f ，_ 坼一一) _ 瓦叫一而i 。西q 一丁j 式中f ，一。为派而斯一纳巴罗应力；w = 叫做位错宽度；d 是滑移面间距；b 是滑移 l 一 ， 方向原子间距，也可以理解为柏氏矢量；g 为切变模量；v 为材料的泊松比。 该应力与温度关系很大，主要体现在晶体的点阵常数随温度的变化方面。随温度升高 原子的热扰动使位错容易绕过短程障碍物发生所谓的攀移而流动应力逐渐下降。 1 2 5 2 位错攀移与交滑移 一般公认很少有纯的刃位错和纯的螺位错，实际上大多数是混合位错。在常温情况下， 位错滑移被局限在特定的几个滑移面上，例如在体心立方铁中，0 1 0 、 1 1 2 和 1 2 3 面上 总是沿 1 1 1 1 方向滑移。然而，在较高温度，点缺陷的运动可以改变位错的结构或使位错容 易攀移。当达到金属熔点( t ) 的( o 5 o 7 ) t 温度时点缺陷的数量大幅度增加，原子扩 散速度也很高，位错的攀移和交滑移变得非常显著。与攀移相比，交滑移所需的温度较低。 1 2 5 3 析出相粗化和长大 在高温如果停留时间足够长，析出相粗化以达到稳定状态。粗化的结果，单位体积析 出物与基体的界面面积减少，总界面能降低，体系更稳定。弥散析出物的强化效果与其大 小和间距密切相关。析出物的粗化主要取决于置换元素的扩散，一般来讲，置换元素的扩 散速度比间隙元素慢几个数量级。但是在有位错和点缺陷大量存在的情况下，沿位错晶界 扩散是比较容易的。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 1 2 5 4 钉扎原子脱离位错一气团的蒸发 溶质原子与位错之i 瑚有强烈的交互作用，因此在有一定溶质含量的合金中经过一定时 | 日j 的停留，这些溶质原子会扩散到位错周围以降低位错的应变能。这里碳和氮与位错的相 互作用就是个典型的例子。这是低碳钢出现屈服现象的主要原因，我们称之为柯氏气团。 高于一定的i 临界温度，气团会蒸发，也就是那些间隙原子脱离原来的位错，释放位错，消 除对位错的钉扎作用。 1 2 5 5 夹杂物粒子和第二相粒子脱离基体 基体屈服之后，由于变形机制的不同，夹杂物或第二相粒子会脱离基体，降低钢的强 度。这可由两个方面的原因造成：一是二者随温度变化而性能的变化不同导致有不同的变 形特性；二是由于热膨胀系数不同产生热应力，与外力叠加产生脱离。在室温的数据说明， 硫化锰首先脱落，其次是较小的氧化物，最后是细小的碳化物。铝酸钙与氧化铝的热膨胀 系数比钢的小得多，温度变化时它们的作用非常不利。 1 2 5 6 扩散加剧 扩散随温度变化而加剧的程度是由扩散系数证明的。温度提高一点，扩散系数是以指 数规律增加的，这样各种缺陷数量显著增加，使钢的强度下降。 1 2 5 7 晶界滑移 当温度高于熔点的一半时( 对于钢约6 3 0 ) ，晶界滑移会变得比较明显。通常有一个 内聚温度( 也叫等强温度) ，这个温度晶界强度和晶内强度一样大，高于这个温度，晶界 相对较弱，晶界滑移可以产生大量的变形( 可以达到总变形量的一半) 而变形抗力不是很 大。 1 3 钢的强韧化途径 材料科学的核心内容是研究材料的组织结构和性能之间的关系，同时必须通过合理的 冶金工艺才能制备出具有实用价值的材料。众所周知，工程结构用钢最重要的力学性能指 标是室温屈服强度o 。和冲击韧脆转变温度t 。随着工程应用对钢材性能要求的提高，钢 的强韧化成了研究的重点。钢的化学成分和生产工艺流程决定其组织结构，组织结构决定 其性能，而钢的性能水平应满足使用要求，它们的关系如下：化学成分一生产工艺一组织 结构一性能一使用要求。由于钢的强韧化研究是以钢的化学成分和加工工艺参数为基础 的，因此，人们一直利用各种方法致力于通过变化钢的化学成分和冶金工艺，研究使钢的 强度和韧性等力学性能指标得到大幅度提高，从而使钢的强韧性达到一个新的水平。 1 3 1 强化途径 一般来说，钢的屈服强度取决于位错等缺陷在塑性变形早期阶段运动的难易，微观组 织结构或位错本身的相互干扰等阻碍位错运动的因素都会增加钢的强度。从本质上说，强 化机制主要有四种：细晶强化、固溶强化、析出强化和位错及亚结构强化等i ”3 6 3 7 , 3 8 3 9 ，4 。 实际上钢的强化是上述几种强化机制的综合结果。钢强化的本质机理：各种途径增大了位 错滑移的阻力，从而提高了钢的塑性变形抗力，在宏观上就提高了钢的强度。钢的屈服强 武汉科技大学硕七学位论文 第1 0 页 度表达式为： oy _ oo + o o i n t + op p t + o 咖矿od m + k y d “2 上式中： o0 _ 一晶格摩擦力( 阻碍位错运动的力和晶格阻力) ： o 。一置换强化增量； o 新一间隙强化增量； o 旷一析出强化增量； o 。厂相变强化增量； od i r 啦错及亚结构强化增量； k v _ 晶界强化因子： d 晶粒直径。 1 3 1 1 细晶强化 细晶强化是工程结构用钢最主要的强化方式，也是唯一既提高强度，又提高韧性的强 化方式。综合利用微合金化和冶金工艺技术细化晶粒，可明显提高钢的强韧性。 2 0 世纪5 0 年代， l a l l 和p e r c h 进行了低碳钢晶粒尺寸与屈服强度关系的研究，发现 随着晶粒的细化，钢的屈服强度提高，从而建立了著名的h a l l p e r c h 关系式3 5 1 ： o s - oo + k d 。l 尼 式中oo 为铁素体晶格摩擦力；k 为常数；d 为晶粒直径。可见，钢中晶粒越细，晶界、亚 晶界越多，可有效阻止位错的运动，并产生位错塞积强化。细晶强化既提高了钢的强度， 又提高了塑性和韧性，这是其他强化机制所没有的，因此是最理想的强化方式。 钢的组织可能是铁素体，也可能是其他相。此时晶粒直径则是广义的，对贝氏体和板 条马氏体是板条束尺寸。由于随着晶粒尺寸的减小，单位体积内的晶界面积增加，晶界阻 力也越大，因此塑性变形和微裂纹在穿过晶界时比较困难。塑性变形和微裂纹穿过晶界后 滑移方向和裂纹扩展方向要改变，与晶内的变形和裂纹扩展相比，这种既要穿过晶界又要 改变方向的变形及裂纹扩展要消耗更多的能量。因此，晶界的存在在使材料的强度提高。 即钢材的晶粒越细，晶界面积越大，其强度也就越高。 1 3 1 2 固溶强化 固溶强化是由于固溶体中的溶质与运动位错相互作用而引起流变应力的增加。几乎所 有钢均有固溶强化机制。钢中常用的固溶强化元素有c 、s i 、m n 、m o 、p 、c u 等，其中 间隙固溶强化是一种最经济有效的强化方式，在铁素体珠光体钢中广泛应用。然而间隙 原子( c 、n ) 可强烈引起基体点阵晶格畸变，使钢中的微裂纹易于产生和发展，冲击功明 显降低。 合金元素的固溶强化效果一般可表示为： os = k i c i “ 式中，k i 为系数；，c i 为固溶度。 对于c 、n 等间隙原子，n ：o 3 3 2 0 ；对于m o 、s i 、m n 等置换式原予，n = o 5 1 0 。 武汉科技大学硕十学位论文 第1 1 页 同溶强化机理：原子固溶于钢的基体中，一般都会使晶格发，卜畸变，从而在基体中产 生了弹性应力场，弹性应力场与位错的交互作用将增加位错运动的阻力。合金元素对低碳 铁素体强度和塑性的影响如图l 一3 所示。 蕃3 0 台金元素音量撇量) 台金元素含量 ( 质i b 图1 3 合金元素对低碳铁素体强度和塑性的影响 从图1 3 可知，s i 、m n 的固溶强化效应大，但s i 1 1 ，m n 1 8 时，钢的塑韧性 将有较大的下降。c 、n 固溶强化效应最大。多元复合时，其作用可认为是可叠加的。固 溶强化还会带来其他性能的变化：降低伸长率6 和冲击韧性a k v ，降低材料的加工性，提 高钢的韧脆转变温度t k 。 早期多用增加c 含量来提高钢的强度，后发现碳严重损害钢的韧性和焊接性能，故其 含量逐渐降低。 1 3 1 3 析出强化 1 9 4 8 年，0 r o w a n 提出了位错绕过第二相运动的绕越机制( 即0 r o w a n 机制) ，并得出 了第二相强化效果的定量计算公式。根据这一公式，第二相粒子的尺寸必须为纳米数量级。 1 9 6 8 年g r a y 和y e o 【4 1 】在含n b 钢中观察到了纳米级的碳氮化铌粒子。研究证明，钢中析出 的第二相质点，如碳化物、氮化物等在钢中可产生有效的析出强化作用。常用的微合金元 素n b 、v 、t i 成为钢中极为有效的强化元素。析出强化虽也降低韧性，但可细化晶粒，有 利于焊接，故在低合金钢中广泛应用。微合金元素的强化作用有两种方式：一是细小碳氮 化物的析出强化；二是碳氮化物阻止晶粒长大的细晶强化。 为使相变前奥氏体晶粒保持细小，要求碳氮化物粒子在奥氏体中不溶或在热轧过程析 出。即要求在奥氏体一铁素体相变过程中或相变后碳氮化物粒子以纳米级尺寸析出。为此， 需对微合金化元素的碳氮化物的溶解、析出行为有所了解。图1 4 卜l2 j 给出了微合金元素的 溶解度积。 碳化物和氮化物在奥氏体和铁素体中的溶解