EXPERIMENTAL STUDY ON POST-FIRE MECHANICAL PROPERTIES OF HIGH STRENGTH FIRE-RESISTANT STEEL
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摘要: 该文对国产Q460FR、Q420FR、Q345FR等高强度耐火钢进行了200℃~800℃高温过火、自然冷却后的拉伸试验，在获得高强度耐火钢高温冷却后的应力-应变关系曲线和力学性能参数，并与普通结构钢的高温冷却后力学参数进行对比后，给出了屈服强度和抗拉强度变化系数拟合公式。研究表明：国产高强度耐火钢在高温冷却后的屈服强度和抗拉强度均得到提高，弹性模量基本稳定。该文研究的结果可以用来评估耐火钢结构火灾后的承载性能。Abstract: A series of static tensile tests on high-strength fire-resistant steel such as grades Q460FR, Q420FR, Q345FR after fire were carried out in this study. The stress-strain curves and mechanical parameters of high-strength fire-resistant steel with post-fire temperatures from 200℃ to 800℃ were obtained. After comparing their mechanical properties with those of ordinary structural steels after high-temperature cooling, the coefficient of variation fitting equationthe of yield strength and tensile strength were proposed. It is shown that: the yield strength and tensile strength of high-strength fire-resistant steel with natural cooling after fire have been improved, while the modulus of elasticity is not influenced by exposing to fire. The results of this study can be applied to the assessment of load-bearing performance of fire-resistant steel structures after fire.
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Keywords:
- fire-resistant steel /
- post-fire temperature /
- post-fire /
- tensile test /
- mechanical properties
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目前，主要有两种方法来提高钢结构的抗火性能和耐火极限：第一，采用防火涂料对钢结构进行保护，通过延缓构件升温的速度来达到防火效果；第二，提高钢材的耐火力学性能，即生产出耐火钢。1988年日本学者在普通C-Mn钢材中添加耐高温的合金元素Mo、Cr、Nb、V等提高其高温强度。国内马钢、宝钢、武钢、鞍钢等在20世纪90年代后期研制了Q235级、Q345级耐火钢，并在上海中福城高层钢结构住宅、北京国家大剧院钢结构外壳等建筑中都得到了应用[1]。
通常规定在600 ℃耐火钢的屈服强度不低于常温屈服强度的2/3，同时保证耐火钢在常温下的机械性能和可焊性能不低于相应等级的普通钢。以往的耐火钢采用了较多的Mo元素，成本高、且强度等级较低，主要为Q235级、Q345级耐火钢[2]。为此，南钢集团开发了Q460FR、Q420FR、Q345FR级新型高强度耐火钢，用Nb元素部分替代Mo元素，大幅降低了成本，并保证其高温强度[3]。
在绝大多数钢结构建筑火灾中，钢结构没有发生根本性破坏，为保证后续使用安全，需对其进行火灾后安全性鉴定和必要的加固[4-5]。因此，有必要研究钢材高温过火后的力学性能。Lu等[6]对Q235、Q345和Q420等热轧钢和Q235冷弯型钢进行了高温冷却后力学性能试验研究。Gunalan等[7]和Qiang等[8-9]分别对G系列(G300、G500、G550)钢和S系列(S460、S690、S960)高强度钢进行了高温冷却后的力学性能研究。李国强等[10]和胡婉颖等[11]都对Q690高强度钢进行了高温冷却后力学性能试验。楼国彪等[12]对8.8S和10.9S高强度螺栓进行了高温冷却后力学性能试验研究。目前，国内外的研究中较缺乏针对高强度耐火钢的力学性能的研究，本文主要针对南钢产Q460FR、Q420FR、Q345FR级别的新型高强度耐火钢在高温冷却后进行力学性能试验。
1 高温后力学性能试验方案
1.1 试样设计
试样由Q460FR、Q420FR、Q345FR级的高强度耐火钢制成，耐火钢具体化学成分如表1所示。本次试验所用钢材与文献[3]中为同一批钢材。试样设计遵循金属拉伸试验方法[13-14]中规定，三种耐火钢均使用20 mm板厚的母材加工圆棒拉伸试样，具体尺寸及构造如图1所示。试验共设200 ℃、300 ℃、400 ℃、450 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、650 ℃、700 ℃、750 ℃、800 ℃等11个温度点。
表 1 耐火钢的化学成分表[3]Table 1. Chemical composition of fire-resistant steel牌号 化学成分质量分数/(%) P C Mn Nb Si Mo Ti Cr V S Al Q460FR 0.01 0.05 0.78 0.09 0.19 0.20 0.01 0.50 0.03 0.001 0.03 Q420FR 0.01 0.05 0.60 0.05 0.19 0.20 0.01 0.46 0.03 0.001 0.02 Q345FR 0.01 0.04 0.40 0.05 0.17 0.19 0.02 0.42 0.03 0.001 0.04 1.2 试验方法
拉伸试验主要使用高温电子材料试验机(图2)，最大负荷达到300 kN，负荷速率为0.001 mm/min~250 mm/min，搭配有GW900高温炉(图2)，工作温度范围为200 ℃~1100 ℃，等温区间的长度为150 mm。在高温炉中插入K型热电偶，测量高温炉内的空气温度，用绑定在样品中部的热电偶测量样品温度[3]。
耐火钢高温冷却后拉伸试验包括3个阶段：1)将试件升温至预设温度，升温速率为10 ℃/min~15 ℃/min，并保温15 min恒定，使试件受热均匀；2)试件自然冷却至室温，并在自然条件下放置3 d；3)进行常温静力拉伸试验。以位移控制方式对样品进行负荷，将负荷速度控制在2 mm/min的同时，使用接触式引伸计测量试件的变形量，量程为2.5 mm，标距为50 mm。试验结束后，可根据力、位移数据可以得到钢材高温过火后的应力-应变关系曲线、屈服强度fy,T、抗拉强度fu,T、弹性模量ET及断后伸长率AT。
2 高温后力学性能试验结果及其分析
2.1 试验现象
试件拉伸破坏形态如图3所示。经高温冷却后，试件颜色根据过火温度的不同，发生了一定程度的变化，当过火温度为200 ℃时，试件呈金黄色；当过火温度为300 ℃时，试件稍微发蓝；当过火温度升至400 ℃~700 ℃时，试件的光泽度渐渐丧失，颜色逐渐变暗，向灰黑色转变；当过火温度为750 ℃~800 ℃时，试件呈红褐色(见图3，从左到右温度依次为20 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、450 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、650 ℃、700 ℃、750 ℃、800 ℃)。
2.2 应力-应变关系曲线
图4为三种牌号耐火钢经过高温自然冷却后的应力-应变(
σ−ε )关系曲线。从图4可以看出，与常温下的应力-应变曲线相比，高温后的应力-应变曲线出现了明显的屈服平台，且都呈现较为一致的曲线形状，其中过火温度超过600 ℃的曲线的屈服平台较明显[15]。从三种牌号的钢材曲线图中也可以看出，过火温度为650 ℃时，钢材强度提高最为显著，而当过火温度T持续上升到800 ℃时，钢材强度突然下降。2.3 弹性模量
变化系数定义为高温过火后试验值与未过火试验值的比值，用以反映高温过火冷却的影响。
表2显示了耐火钢高温过火冷却后的弹性模量变化系数ηE的变化。图5为耐火钢过火后的力学参数变化曲线。由表2和图5(a)可知，过火温度不超过800 ℃时，对弹性模量的影响在3%以内。
表 2 耐火钢过火后弹性模量参数Table 2. Elastic modulus parameters of fire-resistant steel after fireT/(℃) Q345FR Q420FR Q460FR E/GPa ηE E/GPa ηE E/GPa ηE 20 205.8 1.00 211.7 1.00 201.8 1.00 200 − 1.03 − 1.02 − 0.99 400 − 1.02 − 1.01 − 0.98 600 − 1.01 − 1.00 − 0.98 800 − 1.02 − 1.01 − 0.98 注：T为温度；E为弹性模量；ηE为弹性模量折减系数。 ![]()
图 5 耐火钢过火后力学参数变化曲线Figure 5. Variation curves of mechanical parameters of fire-resistant steel after fire2.4 屈服强度
当应力-应变关系曲线有明显的屈服平台时，屈服强度取上屈服点[16]；在没有明显屈服平台的情况下，屈服强度将采取对应于0.2%残余应变的应力值。由表3和图5(b)可知，三种牌号耐火钢的屈服强度变化趋势大体一致，当过火温度不超过550 ℃时，屈服强度变化不大；超过550 ℃时，屈服强度开始随温度的升高而增大，其原因主要是该温度下材料呈不完全奥氏体化状态，由奥氏体和未转变的残余相形成的混合相组织增加了材料强度；当超过700 ℃时，屈服强度呈现急速下降的趋势。耐火钢高温冷却后屈服强度在过火温度为650 ℃~700 ℃达到最大峰值。
表 3 耐火钢过火后屈服强度参数Table 3. Yield strength parameters of fire-resistant steel after fireT/(℃) Q345FR Q420FR Q460FR fy/MPa ηfy fy/MPa ηfy fy/MPa ηfy 20 440 1.00 438 1.00 492 1.00 200 443 1.01 438 1.00 507 1.03 300 450 1.02 440 1.00 475 0.97 400 440 1.00 375 0.86 487 0.99 450 446 1.01 416 0.95 496 1.01 500 451 1.03 443 1.01 502 1.02 550 457 1.04 457 1.04 528 1.07 600 511 1.16 476 1.09 565 1.15 650 543 1.23 538 1.23 610 1.24 700 550 1.25 529 1.21 601 1.22 750 529 1.20 484 1.11 524 1.07 800 456 1.04 373 0.85 347 0.71 注：T为温度；fy为屈服强度；ηfy为屈服强度折减系数。 2.5 抗拉强度
表4为耐火钢高温冷却后的抗拉强度及其变化系数。从表4和图5(c)可知，当过火温度不超过600 ℃时，Q345FR和Q420FR的抗拉强度变化系数上下波动幅度不超过4%；当温度超过600 ℃时，抗拉强度随温度升高先增大后减小，且在650 ℃~700 ℃区间内达到峰值。相比于Q345FR和Q420FR的抗拉强度在过火后相比常温有升高，Q460FR的抗拉强度在过火后都小于常温下的抗拉强度，随着温度的升高，抗拉强度会先上升至峰值而后减小，同样在650 ℃~700 ℃区间内达到峰值。
表 4 耐火钢过火后抗拉强度参数Table 4. Tensile strength parameters of fire-resistant steel after fireT/(℃) Q345FR Q420FR Q460FR fu/MPa ηfu fu/MPa ηfu fu/MPa ηfu 20 550 1.00 570 1.00 653 1.00 200 534 0.97 568 1.00 649 0.99 300 550 1.00 568 1.00 614 0.94 400 537 0.98 545 0.96 613 0.94 450 545 0.99 573 1.01 602 0.92 500 540 0.98 565 0.99 592 0.91 550 530 0.96 569 1.00 605 0.93 600 569 1.03 582 1.02 633 0.97 700 584 1.06 593 1.04 628 0.96 750 539 0.98 538 0.94 579 0.89 800 482 0.88 474 0.83 516 0.79 注：T为温度；fu为抗拉强度；ηfu为抗拉强度折减系数。 出现以上现象的主要原因是：高温过火、冷却对耐火钢的微观结构造成了改变。过火温度在500 ℃~700 ℃时，耐火钢材料处于未完全奥氏体化的阶段，剩余的渗碳体量比铁素体量大，奥氏体和未转变的残余相形成了混合相组织，材料强度随之增大；当温度超过700 ℃，奥氏体发生共析转变，获得块状铁素体加珠光体组织，屈服强度和抗拉强度均降低。应力-应变曲线出现了明显的屈服平台段。
2.6 伸长率
按照《金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验方法》(GB/T 228.1−2010)[13]规定测量断开后的标距，具体的方法是：将试样破坏的部分牢牢地粘在一起，保证其轴线在同一直线上，测试试样断后的标距。测量时使用的游标卡尺精度为0.01 mm，伸长率测量误差为0.01%。并按下式计算断后伸长率A：
A=Lu−LoLo×100 (1) 式中：
Lo 为原始标距；Lu 为断后标距。断后伸长率A结果如表5所示。可以看出，耐火钢高温冷却后的伸长率呈波动变化，且波动幅度较大，但三种钢号的波动趋势大体相似。其中，Q420FR高温冷却后的伸长率都大于未受火情况。当过火温度为550 ℃时，三种牌号耐火钢的伸长率都突然增加。表 5 耐火钢过火后伸长率参数Table 5. Elongation parameters of fire-resistant steel after fireT/(℃) Q345FR Q420FR Q460FR A/(%) ηA A/(%) ηA A/(%) ηA 20 25.6 1.00 23.5 1.00 27.3 1.00 200 25.9 1.01 27.1 1.16 23.4 0.86 300 25.7 1.00 24.5 1.04 22.7 0.83 400 21.8 0.85 24.7 1.05 21.0 0.77 450 23.8 0.93 25.5 1.09 22.7 0.83 500 33.0 1.29 27.3 1.16 24.6 0.90 550 32.7 1.28 28.7 1.22 29.8 1.09 600 25.6 1.00 27.2 1.16 26.3 0.96 650 29.2 1.14 27.3 1.16 25.2 0.92 700 27.5 1.07 27.3 1.16 27.3 1.00 750 27.5 1.07 25.3 1.08 29.4 1.08 800 31.5 1.23 32.0 1.36 30.5 1.12 注：T为温度；A为伸长率；ηA为伸长率折减系数。 3 高温冷却后力学性能指标建议取值
将耐火钢屈服强度、抗拉强度与同等级的结构钢Q345[17]、Q460[18]进行对比(图6和图7)，发现在现有研究中提出的结构钢的高温冷却后的本构模型不适用于高强度耐火钢。
3.1 弹性模量
从图5(a)可知，各种耐火钢的高温冷却后弹性模量变化均很小，可以直接取未过火耐火钢的弹性模量。
3.2 屈服强度
与Q460结构钢相比(图6)，过火温度低于500 ℃时，耐火钢高温冷却后的屈服强度变化系数均小于Q460结构钢；500 ℃~700 ℃时，耐火钢屈服强度变化系数随温度的升高而显著增大，而Q460结构钢和Q345结构钢则为下降；当温度超过750 ℃时，耐火钢的屈服强度迅速下降。
高强度耐火钢高温冷却后的屈服强度变化系数可按下式计算(图8)，平均误差为3.67%，方差为5.42%：
ηfy={1,0℃⩽ (2) ![]()
图 8 过火后屈服强度变化系数拟合公式曲线Figure 8. Recommended formula curve of yield strength variation coefficient after fire3.3 抗拉强度
图7为高强度耐火钢抗拉强度变化系数
{\eta _{{f_{\rm{u}}}}} 与结构钢的对比，可见两种牌号耐火钢的变化系数均在过火温度为650 ℃左右有一个突增，而后出现一段急速下坡段，而结构钢的极限强度则随过火温度升高平缓地慢慢减小 。高强度耐火钢高温冷却后抗拉强度变化系数可按下式计算(图9)，平均误差为3.16%，方差为2.42%：
{\eta _{{f_{\rm{u}}}}} = \left\{ \begin{aligned} & { - 5.59 \times {{10}^{ - 5}}T + 1.00},\;{0\;{\text{℃}} \leqslant T \leqslant {\rm{700}}\;{\text{℃}}}\\ & { - 0.001\;87T + 2.27},\quad\;\;{700\;{\text{℃}} < T \leqslant 1000\;{\text{℃}}} \end{aligned} \right. (3) ![]()
图 9 过火后抗拉强度变化系数拟合公式曲线Figure 9. Recommended formula curve of tensile strength variation coefficient after fire4 结论
对比分析了耐火钢高温冷却后的弹性模量、屈服强度、抗拉强度等主要力学性能指标，本文得到了其变化规律。主要结论如下：
(1) 随着过火温度的升高，高温冷却后耐火钢表面颜色呈现金黄色、淡蓝色、灰黑色、红褐色的变化趋势。试样断裂时断口截面随温度升高，越来越小。
(2) 与常温下不同的是，耐火钢的应力-应变曲线在高温冷却后出现了明显的屈服平台。当过火温度在700 ℃以下范围，钢材过火后的强度高于未受火情况下强度。
(3) 超过600 ℃时，伴随着过火温度的上升，屈服强度和抗拉强度会先上升然后急剧下降，且屈服强度和抗拉强度都有一个较明显的突增点，伸长率则在550 ℃左右有一个突增，弹性模量轻微上下浮动，变化不大。
(4) 针对工程应用，本文给出了高强度耐火钢高温冷却后的弹性模量、屈服强度、抗拉强度计算的拟合公式，可以用来评估耐火钢结构火灾后的承载性能。
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图 5 耐火钢过火后力学参数变化曲线
Figure 5. Variation curves of mechanical parameters of fire-resistant steel after fire
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图 8 过火后屈服强度变化系数拟合公式曲线
Figure 8. Recommended formula curve of yield strength variation coefficient after fire
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图 9 过火后抗拉强度变化系数拟合公式曲线
Figure 9. Recommended formula curve of tensile strength variation coefficient after fire
表 1 耐火钢的化学成分表[3]
Table 1 Chemical composition of fire-resistant steel
牌号 化学成分质量分数/(%) P C Mn Nb Si Mo Ti Cr V S Al Q460FR 0.01 0.05 0.78 0.09 0.19 0.20 0.01 0.50 0.03 0.001 0.03 Q420FR 0.01 0.05 0.60 0.05 0.19 0.20 0.01 0.46 0.03 0.001 0.02 Q345FR 0.01 0.04 0.40 0.05 0.17 0.19 0.02 0.42 0.03 0.001 0.04 
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表 2 耐火钢过火后弹性模量参数
Table 2 Elastic modulus parameters of fire-resistant steel after fire
T/(℃) Q345FR Q420FR Q460FR E/GPa {\eta }_{\mathrm{E}} E/GPa {\eta }_{\mathrm{E}} E/GPa {\eta }_{\mathrm{E}} 20 205.8 1.00 211.7 1.00 201.8 1.00 200 − 1.03 − 1.02 − 0.99 400 − 1.02 − 1.01 − 0.98 600 − 1.01 − 1.00 − 0.98 800 − 1.02 − 1.01 − 0.98 注：T为温度；E为弹性模量； {\mathrm{\eta }}_{\mathrm{E}} 为弹性模量折减系数。
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表 3 耐火钢过火后屈服强度参数
Table 3 Yield strength parameters of fire-resistant steel after fire
T/(℃) Q345FR Q420FR Q460FR fy/MPa {\eta }_{f\mathrm{y}} fy/MPa {\eta }_{f\mathrm{y}} fy/MPa {\eta }_{f\mathrm{y}} 20 440 1.00 438 1.00 492 1.00 200 443 1.01 438 1.00 507 1.03 300 450 1.02 440 1.00 475 0.97 400 440 1.00 375 0.86 487 0.99 450 446 1.01 416 0.95 496 1.01 500 451 1.03 443 1.01 502 1.02 550 457 1.04 457 1.04 528 1.07 600 511 1.16 476 1.09 565 1.15 650 543 1.23 538 1.23 610 1.24 700 550 1.25 529 1.21 601 1.22 750 529 1.20 484 1.11 524 1.07 800 456 1.04 373 0.85 347 0.71 注：T为温度；fy为屈服强度； {\eta }_{f\mathrm{y}} 为屈服强度折减系数。
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表 4 耐火钢过火后抗拉强度参数
Table 4 Tensile strength parameters of fire-resistant steel after fire
T/(℃) Q345FR Q420FR Q460FR fu/MPa {\eta }_{{f}_{\text{u}}} fu/MPa {\eta }_{{f}_{\text{u}}} fu/MPa {\eta }_{{f}_{\text{u}}} 20 550 1.00 570 1.00 653 1.00 200 534 0.97 568 1.00 649 0.99 300 550 1.00 568 1.00 614 0.94 400 537 0.98 545 0.96 613 0.94 450 545 0.99 573 1.01 602 0.92 500 540 0.98 565 0.99 592 0.91 550 530 0.96 569 1.00 605 0.93 600 569 1.03 582 1.02 633 0.97 700 584 1.06 593 1.04 628 0.96 750 539 0.98 538 0.94 579 0.89 800 482 0.88 474 0.83 516 0.79 注：T为温度；fu为抗拉强度； {\eta }_{{f}_{\text{u}}} 为抗拉强度折减系数。
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表 5 耐火钢过火后伸长率参数
Table 5 Elongation parameters of fire-resistant steel after fire
T/(℃) Q345FR Q420FR Q460FR A/(%) ηA A/(%) ηA A/(%) ηA 20 25.6 1.00 23.5 1.00 27.3 1.00 200 25.9 1.01 27.1 1.16 23.4 0.86 300 25.7 1.00 24.5 1.04 22.7 0.83 400 21.8 0.85 24.7 1.05 21.0 0.77 450 23.8 0.93 25.5 1.09 22.7 0.83 500 33.0 1.29 27.3 1.16 24.6 0.90 550 32.7 1.28 28.7 1.22 29.8 1.09 600 25.6 1.00 27.2 1.16 26.3 0.96 650 29.2 1.14 27.3 1.16 25.2 0.92 700 27.5 1.07 27.3 1.16 27.3 1.00 750 27.5 1.07 25.3 1.08 29.4 1.08 800 31.5 1.23 32.0 1.36 30.5 1.12 注：T为温度；A为伸长率；ηA为伸长率折减系数。
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