钢结构由于具有强度高、可靠性好、质量轻、承载能力强、施工方便、污染小等优点被广泛应用于建筑领域中。建筑结构中的普通结构钢，在温度达到400～500 ℃时强度开始明显下降，600 ℃时便丧失大部分强度。耐火钢是用于钢结构建筑或大型高层建筑中的高强度低合金工程结构钢，在一定条件下具有防火与抗坍塌性能，一般规定在600 ℃，1～3 h内，其屈服强度大于室温屈服强度的2/3。相对于普通钢，耐火钢具有良好的高温耐火性，发展前景广阔。本文以460 MPa耐火钢为研究对象，完成了该材料在100～600 ℃以及在600 ℃不同保温时间下的拉伸试验，并通过扫描电镜观察试样断口形貌，分析不同温度下断口形貌的变化。

参照GB/T 228.2—2015《金属材料 拉伸试验 第2部分：高温试验方法》，设计M12螺纹试样，试样直径为6.0 mm(图1)。在MTS809材料试验机(图2)上完成460 MPa耐火钢材的室温，高温100，200，300，400，500，600 ℃，以及600 ℃不同保温时间(20 min,1 h,2 h,3 h)高温拉伸试验。应变测量采用高温引伸计MTS632.42C-01，试验加载速率：在2%应变之前为5×10-5应变速率，屈服之后为5×10-4应变速率。

图1 拉伸试样

a—试验设备；b—高温炉中的试样与引伸计。

图2 试验设备

每个试验温度完成3个试样的试验，试验结果取3个试样的算数平均值，各温度下的拉伸曲线见图3，具体试验结果见表1。

1—室温；2—200 ℃；3—100 ℃；4—300 ℃；5—400 ℃；6—500 ℃；7—600 ℃。图3 不同温度下的拉伸应力-应变曲线

表1 460 MPa耐火钢室温与高温拉伸试验结果

从图3可看出，460 MPa耐火钢的屈服强度与抗拉强度随着温度的升高逐渐降低，500 ℃与600 ℃时下降得尤为明显。

从表1的试验结果可看出，460 MPa耐火钢的延伸率与断面收缩率随着温度的升高变化不大，延伸率在22%～26.6%之间，断面收缩率在71.5%～79.6%之间；弹性模量在常温至300 ℃之间变化不大，介于180～195 GPa之间，而400 ℃以后开始急剧下降，到600 ℃时下降为134 GPa。耐火钢的屈服强度在300 ℃之前变化不大，为520 MPa左右，400 ℃时下降为491 MPa，到600 ℃时下降为325 MPa；耐火钢的抗拉强度和屈服强度呈现同样的变化规律。而460 MPa耐火钢的设计要求，在600 ℃时的屈服强度为常温设计值的2/3，即307 MPa，因此460 MPa耐火钢的屈服强度满足设计要求。

表2为460 MPa耐火钢在600 ℃不同保温时间下的拉伸结果，保温时间分别为20 min、1 h、2 h与3 h。从表2的结果可看出,该材料在不同保温时间下,其屈服强度、抗拉强度、延伸率，断面收缩率以及弹性模量等性能指标,基本没有变化。因此,460 MPa耐火钢在600 ℃时有着很好的高温稳定性。

表2 600 ℃不同保温时间的拉伸试验结果

图4为室温、200 ℃、400 ℃以及600 ℃试样断口的宏观形貌，从图4可看出，断口的中心部位，金属的晶粒被拉长形成纤维区，断口由许多纤维“小峰”构成，各个峰的小斜面又与拉伸轴呈45°角，且试样的收缩率达不到100%，没有颈缩成一个点，说明试样的中心存在裂纹的萌生，试样的断裂是由塑性变形过程中微裂纹不断扩展和相互连接造成。纤维区的形状是椭圆形，椭圆形的圆心为断裂源。宏观形貌具有典型的纤维区和剪切唇，纤维区在断口表面所占比例大而剪切唇较厚，图4中没有发现放射区，拉伸过程中，裂纹从试样中心的纤维区向外扩展，裂纹外侧整个区域都有很大的塑性变形，形成较大的剪切唇，表明它们都是延性断裂，且材料的塑性很好。不同温度下，试样延伸率分别为23.7%，22.1%，24.9%，26.6%，温度对延伸率的影响不大。600 ℃试样断口的面积小于其他三个试样，说明600 ℃试样的断面收缩率大于其他三个温度的试样，塑性最好，颈缩是材料塑性变形大小的直接反映，颈缩越大，材料的塑性就越好。因此，此种材料塑性很好，随着温度的增加，试样的韧性有所增加。

a—室温;b—200 ℃;c—400 ℃;d—600 ℃。图4 试样宏观断口形貌

图5为室温、200 ℃、400 ℃以及600 ℃试样断口SEM 500倍的微观断口形貌，从图5a、图5b看出，其断口韧窝的大小与深浅基本一样，因此，室温与 200 ℃试样的拉伸力学性能相差不大，韧窝的尺寸受到第二相质点的尺寸和分布、变形硬化指数及材料本身微观结构和相对塑性的影响。而图5c、图5d中的韧窝深度增加，密度增加。这表明400 ℃与600 ℃试样与室温试样相比有着不同的力学性能，相同的应变速率，温度通过对材料的塑性和硬化指数发生作用而影响韧窝的尺寸；随温度的升高，韧窝深度增加；同样的应变速率，韧窝的直径相差不大。同时，温度升高，增加了第二相作为韧窝形成核心的驱动力，使韧窝密度增加，改善了材料的塑性。

a—室温;b—200 ℃;c—400 ℃;d—600 ℃。图5 试样在500倍时断口形貌

图6为室温、200 ℃、400 ℃以及600 ℃试样断口SEM 2000倍的微观断口形貌。从图6a可看出，室温断口有第二相的存在，有很多分布均匀面积较小的解理面，在大韧窝壁上产生蛇形滑动、涟波、延伸区特征，韧窝表面与主应力方向垂直时，导致韧窝的自由表面产生新的滑移，初生的滑移痕迹尖锐，继续滑移使之平滑发展为蛇形花样，进而成为涟波和无特征区；200 ℃的断口与室温基本一致。400 ℃试样的断口小解理面在减少，韧窝数量增加，大韧窝周围密布着小韧窝，在极少部分韧窝底部存在尺寸1～2 μm大小的第二相，第二相质点对韧窝的形核有重要的作用，满足条件时成为韧窝的核心，但并不是所有的第二相都能形成韧窝的核心。600 ℃时没有看到小解理面，可能是解理面消失或数量极少尺寸极小，同时，韧窝的深度较深，说明600 ℃时，试样的塑韧性最好。

a—室温;b—200 ℃;c—400 ℃;d—600 ℃。图6 试样断口SEM 2000倍的照片

1)460 MPa耐火钢在600 ℃时的屈服强度为325 MPa,超过460 MPa的2/3,满足设计要求；耐火钢在1/3～3 h不同保温条件下，其屈服强度等参数基本没有变化，因此，460 MPa耐火钢有着很好的高温稳定性。

2)室温与200 ℃试样断口韧窝的大小与深浅基本一样，因此，其拉伸力学性能相差不大；600 ℃试样断口韧窝深度较深，说明其塑韧性最好。