1、前言

　　美國(guó)“9.11”事件后，鋼結(jié)構(gòu)建筑用鋼防火性能已引起政府及設(shè)計(jì)部門高度重視。耐火耐候鋼作為新一代建筑用鋼，具有屈強(qiáng)比低、抗層狀撕裂良好、焊接性能及耐火性能和防腐性能良好等優(yōu)點(diǎn)，在中低層或高層建筑、場(chǎng)館/網(wǎng)架大跨度建筑、輕鋼建筑等領(lǐng)域使用前景較廣。

　　耐火性能高低通常以日本建筑防火標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，要求試驗(yàn)鋼在600℃高溫時(shí)屈服強(qiáng)度不低于室溫屈服強(qiáng)度的2/3。普通鋼無法滿足要求，必須進(jìn)行細(xì)致的防火及防腐處理，費(fèi)用昂貴且耗時(shí)較長(zhǎng)。

　　歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家利用Cr、Mo、Nb等合金元素的特性，開發(fā)出了低C－Mn－Mo－Nb系列、耐火溫度為600℃的建筑用耐火鋼，在600℃條件下，屈服強(qiáng)度能保持在室溫的2/3以上。為了提高鋼的高溫性能，通常添加0.50%Mo以及0.02%Nb［1］。Mo+Nb合金化雖然滿足防火設(shè)計(jì)要求，但增加了鋼廠生產(chǎn)成本，銷售價(jià)格過高，限制了它的推廣應(yīng)用。對(duì)于用鋼量較大的中低層建筑、空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、輕鋼建筑范疇，無法與傳統(tǒng)使用的普通鋼+防火涂料/防腐涂料相抗衡。

　　本文結(jié)合攀鋼近期的研究工作，研究開發(fā)低成本的耐火耐候鋼以適應(yīng)市場(chǎng)需要。試驗(yàn)鋼化學(xué)成分設(shè)計(jì)以低碳當(dāng)量為基礎(chǔ)，對(duì)含Mo-Nb、Mo-Cr-Nb－Ni、低Mo-Nb-Ti、無Mo合金系鋼開展實(shí)驗(yàn)室研究，經(jīng)冶煉、鍛造、熱軋等工序后，進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn)及分析。

　　2、試驗(yàn)方法

　　試驗(yàn)鋼化學(xué)成分以低C-Mn為基礎(chǔ)，對(duì)含Mo-Cr-Nb－Ni、Mo-Nb、低Mo-Nb-Ti、無Mo鋼開展了研究，對(duì)比鋼為耐候鋼。試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分表2-1。

　　表2-1試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（%）

　　鋼種CSiMnPSMoCu添加元素

　　Mo-Cr-Nb－Ni≤0.12≤0.50≤1.50≤0.120≤0.02≤0.80≤0.40Cr、Ni、Nb等

　　Mo-Nb≤0.12≤0.50≤1.50≤0.120≤0.02≤0.80≤0.40V、Ti、Nb等

　　低Mo-Nb-Ti≤0.12≤0.50≤1.50≤0.120≤0.02≤0.60≤0.40V、Ti、Nb等

　　無Mo鋼≤0.12≤0.50≤1.50≤0.120≤0.02/≤0.40V、Ti、Nb等

　　試驗(yàn)原料為低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼，經(jīng)中頻感應(yīng)爐冶煉、合金化后澆鑄成鋼錠；鋼錠加熱后鍛造成板坯（尺寸為25×230×400mm）；經(jīng)加熱、3～5道次軋制、冷卻，最終厚度為5～7mm。

　　冶煉設(shè)備為150Kg中頻感應(yīng)爐，鍛造設(shè)備為750Kg空氣錘，熱軋軋機(jī)為Φ450軋機(jī)。高溫拉伸試驗(yàn)設(shè)備為MTS810萬能試驗(yàn)機(jī)。

　　每爐號(hào)試驗(yàn)鋼各取1個(gè)金相試樣，用硝酸酒精溶液腐蝕，在金相顯微鏡上觀察其室溫微觀組織。采用JSM-5600LV掃描電鏡＋I(xiàn)NCA能譜儀分析常溫拉伸斷口形貌。采用H800-EDAX透射電鏡觀察析出物形貌。

　　3、試驗(yàn)結(jié)果

　　3.1常溫拉伸斷口分析

　　試驗(yàn)鋼常溫拉伸試樣在宏觀下為剪切斷口，在斷口附近有明顯的塑性變形，鏡下觀察整個(gè)斷面均為韌窩形貌。

　　3.2力學(xué)性能

　　試驗(yàn)鋼常溫拉伸、高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表3-1。

　　表3-1試驗(yàn)鋼力學(xué)性能

　　鋼種卷取溫度σ0.2，MPaδ5，%2/3室溫σ0.2，MPaσ0.2，600℃20minσ0.2，600℃120min

　　Mo-Cr-Nb－Ni550℃52027.5347325/

　　650℃52522.5350395318

　　Mo-Nb500℃52020347429/

　　550℃57514.5383409/

　　650℃58521.5390472407

　　700℃58023387414/

　　低Mo-Nb-Ti450℃42530283300/

　　500℃45018300350324＊

　　550℃44525.5297306/

　　500℃44024.5293323/

　　650℃52022347354/

　　700℃48522323325/

　　無Mo鋼450℃45530303321/

　　500℃48522.5323343/

　　550℃47023313361353＊

　　600℃47018313325314

　　650℃47529.5317335/

　　700℃50520337379/

　　對(duì)比耐候鋼42038280183/

　　注：＊試樣600℃長(zhǎng)時(shí)間保溫時(shí)間為150min。

　　3.3金相組織

　　試驗(yàn)鋼金相組織由鐵素體、珠光體、少量貝氏體組成。鐵素體晶粒度為10級(jí)左右。以Mo-Nb鋼及無Mo鋼不同卷取溫度為例，見圖3-2、圖3-3。

　　圖3-2Mo-Nb鋼不同卷取溫度金相組織（400×）

　　圖3-3無Mo不同卷取溫度金相組織（400×）

　　4.討論與分析

　　4.1不同化學(xué)成分耐火耐候鋼熱軋工藝對(duì)耐火性能的影響

　　四種不同化學(xué)成分的試驗(yàn)鋼在不同卷取溫度下的高溫屈服強(qiáng)度。

　　Mo元素對(duì)提高耐火耐候鋼高溫屈服強(qiáng)度比較有效。在冶煉、鍛造、熱軋工藝制度相近的條件下，Mo-Nb鋼、Mo-Cr-Nb－Ti鋼的高溫屈服強(qiáng)度優(yōu)于低Mo-Nb-Ti、無Mo合金系鋼。在微觀機(jī)理方面，Nb在鋼中析出Nb的第二相粒子，使鋼的鐵素體基體強(qiáng)化；Mo在鋼中多以固溶體的方式存在，部分析出Mo2C，使鋼的鐵素體基體強(qiáng)化。而復(fù)合添加Nb＋Mo還伴隨著Nb的第二相粒子在晶界的析出，有效地阻礙晶粒的長(zhǎng)大，明顯提高鋼的耐火性能［2］。

　　試驗(yàn)鋼熱軋卷取溫度在500～700℃范圍內(nèi)，高溫屈服強(qiáng)度變化不大，軋制后冷卻速率對(duì)鋼的高溫屈服強(qiáng)度影響小。

　　4.2化學(xué)成分對(duì)不同耐火溫度耐火性能的影響

　　選取卷取溫度為650℃的Mo-Cr-Nb－Ti鋼、Mo-Nb鋼、低Mo-Nb-Ti鋼、無Mo鋼、對(duì)比鋼分別進(jìn)行耐火溫度為350℃、450℃、600℃、700℃耐火性能研究，試驗(yàn)結(jié)果見圖4-2。

　　圖4-2試驗(yàn)鋼不同耐火溫度耐火性能

　　隨耐火溫度升高，試驗(yàn)鋼的高溫屈服強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。耐火溫度低于450℃時(shí)，Mo-Cr-Nb－Ti鋼、Mo-Nb鋼、低Mo-Nb-Ti鋼及無Mo鋼高溫屈服強(qiáng)度變化不大，600℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的高溫屈服強(qiáng)度仍能保持較高的強(qiáng)度水平（不低于室溫屈服強(qiáng)度的2/3）。對(duì)比鋼耐火性能較差，在300℃時(shí)高溫強(qiáng)度已經(jīng)明顯降低，600℃屈服強(qiáng)度降低到200MPa以下，不能滿足使用要求。

　　Mo+Nb鋼高溫性能最好；與普通建筑用鋼相比，Mo+Nb鋼噸鋼增加成本665元/噸，而無Mo鋼僅為251元/噸，性價(jià)比最高。分析試驗(yàn)鋼及對(duì)比鋼的金相組織，對(duì)比鋼組織主要為鐵素體、珠光體，而試驗(yàn)鋼組織為鐵素體＋珠光體＋貝氏體多相組織，貝氏體組織的存在提高了鋼的高溫性能［3］。

　　4.3無Mo鋼耐火機(jī)理

　　無Mo鋼萃取復(fù)型樣在H800－EDAX透射電鏡下觀察析出物形貌。析出物的分布情況對(duì)無Mo鋼耐火性能起主要作用［4］。由于添加了Nb、V、Ti等微合金元素，無Mo鋼熱軋后形成的析出物（碳化物、碳氮化物）固溶溫度超過700℃，能在耐火溫度為600℃條件下保持析出形態(tài)，具有良好的高溫穩(wěn)定性。

　　無Mo鋼析出物在鋼中細(xì)小彌散分布，而這些第二相粒子屬于不可變形的硬脆相。根據(jù)位錯(cuò)理論，塑性變形產(chǎn)生的位錯(cuò)線只能繞過第二相質(zhì)點(diǎn)，隨著繞過第二相質(zhì)點(diǎn)位錯(cuò)線數(shù)量增加，形成的位錯(cuò)環(huán)數(shù)量增多?？朔澢诲e(cuò)的線張力相應(yīng)提高，強(qiáng)化了鋼的高溫屈服強(qiáng)度。在晶界附近的析出物，能有效地釘扎晶界移動(dòng)，阻止基體晶粒長(zhǎng)大，提高無Mo鋼高溫強(qiáng)度，如圖4-3b。

　　5.結(jié)論

　?、?種試驗(yàn)鋼在不同熱軋工藝條件下均具有較高的耐火性能，高溫屈服強(qiáng)度(600℃σ0.2≥300MPa),2小時(shí)以上保溫后，試驗(yàn)鋼仍能保持較高的高溫強(qiáng)度(600℃σ0.2≥300MPa)。普通鋼在350℃附近屈服強(qiáng)度明顯降低，600℃屈服強(qiáng)度低于常溫屈服強(qiáng)度2/3。Mo+Nb鋼高溫性能最好。

　?、圃囼?yàn)鋼組織為鐵素體＋珠光體＋貝氏體多相組織，貝氏體組織的存在提高了鋼的高溫性能。

　　⑶無Mo鋼第二相質(zhì)點(diǎn)彌散分布能有效提高高溫屈服強(qiáng)度。