钢结构建筑从20世纪50年代在欧洲兴起、60年代开始在日本广泛应用，并逐渐得到各国的普遍关注。到目前为止，日本每年建筑中钢结构的建筑面积已达到1/3以上，发达国家整体的建筑用钢量已达到30%以上，而我国在这方面相对比较落后，目前不到10%。

建筑结构用钢需要具备优异的综合力学性能，因其使用环境的特点，建筑结构用钢应具备抗震、耐蚀、耐火、易焊接等性能。其中，提高抗震性能的关键是提高塑性变形的一致性，而最有效的措施是降低屈强比；耐蚀主要是耐大气腐蚀，同时对于在沿海地区使用，则需要具有抗氯离子腐蚀的能力，可以通过成分设计及组织调控提高；耐火性能则是通过提高钢材在高温时强度来实现，通常有增加钼(Mo)含量、析出物的量等方法；提高易焊接性能主要是通过降低成分设计的碳当量来实现。

由于耐火性能相对难以实现，目前世界上应用较多的耐火钢主要是采用高Mo的设计，这必然会大大提高钢材的成本。为此采用低Mo的成分设计，通过不同的轧制工艺，得到不同含量贝氏体组织，并通过对室温及高温性能研究，探究轧制工艺与贝氏体含量的关系，以及贝氏体对耐火性能的贡献。

本文所用钢材采用建筑用钢的成分体系，为研究不同组织对于建筑用抗震耐火钢的性能影响，设计低Mo含量的试验钢，具体冶炼后化学成分见表1。具体轧制时工艺流程如图1所示。其中，编号1、2两种成分钢采取相同的轧制过程，1号为只在再结晶区一阶段轧制，2号为再结晶区和非再结晶区两阶段轧制，严格控制轧制过程中的压下量及温度，轧后采用空冷至室温，轧后成品厚度为30 mm。

表1 化学成分(质量百分数)

图1 热机械控制(TMCP)工艺流程

试验用钢材组织观察所用试样在钢板宽度1/4处取，用标准金相程序抛光，用3%硝酸酒精溶液侵蚀，并用光学显微镜(OM)观察厚度1/4处。在相同位置取样用于电子背散射衍射(EBSD)观察，先在600 ℃保温3 h，同样采用标准制样过程，用10%的高氯酸酒精溶液侵蚀，在25 V电压下进行15 s的电解抛光，电流强度控制在1 A左右。与上述金相EBSD取样位置相同处取样，经过600 ℃ 3 h保温处理后，用常规透射电镜复型样品制样方法制样，用透射电镜观察析出物。

试验用钢材室温及高温力学性能测试取样参照GB/T 2975—2018《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》，且取样方向与轧制方向垂直，与横向平行，拉伸试样规格是平行段直径5 mm、标定长度为25 mm的棒状试样。室温拉伸试验在室温下进行，位移速度为1 mm/min。高温拉伸试验所用试样与室温拉伸试验所用试样相同，但拉伸前需在600 ℃下保温3 h，保温结束后，保持在600 ℃并以0.5 mm/min的位移速度进行高温拉伸试验。

从图2金相组织可以看出，不同轧制工艺得到的组织类型大致相同，都为贝氏体与铁素体两相组织，利用photoshop和image-pro plus软件对每个试样至少5张不同区域的金相组织照片进行处理和统计，只在再结晶区进行一阶段轧制的1号试验钢，其贝氏体体积分数在84.5%左右。而两阶段轧制的2号试验钢，其贝氏体体积分数在14.2%左右。从观察和测量结果可以看出，一阶段轧制的试验钢主要以贝氏体为主，两阶段轧制的试验钢主要以铁素体为主。造成这种差异的主要原因是第二阶段轧制发生在奥氏体未再结晶区，变形后的奥氏体晶粒不会发生再结晶，变形的奥氏体晶粒具有更多的铁素体形核点，进而会促进铁素体的转变，因此相对于只在奥氏体再结晶区轧制的工艺具有更多的铁素体组织。

a—1号试样；b—2号试样。

图2 试验钢金相组织观察

通常单一的组织形态钢屈强比都较高，通过试验用轧制工艺得到两相组织。由表2可看出，屈强比都较低，分别为0.72和0.69，均远低于0.80，明显优于目前市面上多数建筑钢，其抗震性能优异。同时也可以看出，贝氏体的含量越高，其室温屈服强度越高：一阶段轧制的试验钢室温屈服强度达到579.0 MPa，而两阶段轧制的试验钢室温屈服强度为495.0 MPa，这也说明两相组织钢的屈服强度并不是完全由较软相(即铁素体)的强度决定的，如果全由铁素体强度决定，两阶段轧制和一阶段轧制的铁素体强度应相差不大，而两阶段的屈服强度明显低于一阶段轧制，说明两相比例对钢屈服强度的影响大，因此屈服强度由铁素体的强度和两相的比例共同决定。

通过高温拉伸试验可以看出，1号试验钢的高温屈服强度明显高于2号试验钢的，具体见表2，1号屈服强度在高温时下降的幅度明显小于2号的，甚至1号试验钢在高温时屈服强度能保持自身室温时屈服强度的2/3，对应高温拉伸的应力-应变曲线如图3所示。这是由于更多的贝氏体组织提高了钢材的高温强度。

表2 试验钢室温及高温力学性能对比

图3 试验钢高温应力-应变曲线

为了研究具体钢材高温强度不同的原因，必须从根本上研究在高温时各种强化方式的贡献，钢铁材料的强化机制主要包括细晶强化、沉淀强化、固溶强化和位错强化等。对不同类型的钢，其强化方式各有特色，既可是单一的强化方式，也可是多种强化方式的复合。对低碳铁素体高强钢，其屈服强度与各强化方式的经验公式如下：

(1)

式中:σ_y为屈服强度;Δσ₀为Peierls-Nabarro力(位错运动的晶格阻力);Δσ_SS为固溶强化增量;Δσ_GB为细晶强化增量;Δσ_Dis为沉淀强化增量;Δσ_Orowan为位错强化增量。

本文中钢材采用相同的成分体系，因此在研究具体哪种强化方式在起决定性作用时，可以忽略其中一部分，例如，P–N力(派纳力)、固溶强化等；同时有研究表明，在高温时细晶强化贡献效果有限，可忽略细晶强化作用。因此只需研究析出强化和位错强化的不同。

钢中起到析出强化的析出物主要为MC，其中M为铌(Nb)、钛(Ti)、钒(V)、钼(Mo)等，由于试验钢采用低Nb、Mo微Ti成分设计，因此形成的MC型碳化物会较少。为进一步验证试验结果，将1号试验钢在600 ℃保温3 h后萃取复型样品，观察情况如图4所示。可以看出，除了较少量大尺寸的含Ti、Nb析出外，大部分为合金渗碳体，并且尺寸都较大(>60 nm)，因此起到的析出强化作用微乎其微，且通过观察可知，2号试样得出的结果与1号试样相似，因此本文不对析出强化作用进行讨论。

为研究高温时位错强化的作用，需要对600 ℃保温3 h后位错密度做定量分析。本文采取EBSD分析的方式测量两种试验钢600 ℃保温3 h后的位错密度，其中用于分析的晶内平均取向差(KAM)图如图5所示，图中颜色越接近红色，表明位错密度越高。从图中可以清楚地看出两相组织带来的位错密度的明显区别。

有研究表明可以通过KAM对试验钢的ρ_gnd(几何必须位错)进行计算，利用得到的ρ_gnd对位错强化的强度贡献进行估算。ρ_gnd可通过式(2)计算：

(2)

式中：θ为取向差角度，直接从EBSD数据中获取小于2°的取向差角度；u为单位长度(步长);b为柏氏矢量。

雍歧龙介绍了利用位错密度计算其对屈服强度的贡献，即式(3)：

(3)

式中：α为比例系数；G为剪切模量；ρ为位错密度。

a—1号钢析出物；b—2号钢析出物;c—标记析出物①的能量色散X射线谱(EDS)；d—标记析出物②的能量色散X射线谱(EDS)。图4 试验钢经过600 ℃保温3 h后复型样品透射电镜观察图及能量色散X射线谱(EDS)

a—1号试样；b—2号试样。

图5 试验钢EBSD-KAM图

弹性模量用高温应力-应变曲线进行测量，有研究表明,与试验钢成分类似钢的泊松比在600 ℃时与室温变化不大，因此本文将高温泊松比估算为0.291，则剪切模量可以通过弹性模量与泊松比计算，结果如表3所示。

表3 试验钢600 ℃保温3 h后ρ_gnd与位错强度贡献结果

由表3可以看出:1号试验钢的位错密度以及位错强化的强度贡献高于2号试验钢，在600 ℃保温3 h后位错密度没有明显的下降。有研究表明，贝氏体中的位错密度主要是继承奥氏体形变时形成的位错，这类位错在弛豫阶段被细小的析出物钉扎，在回火过程中不易回复。同时计算结果显示，1号试验钢高温时的位错强化的强度贡献约为141.7 MPa，2号试验钢的约为91.7 MPa，这也就是为何1号试验钢在高温时的屈服强度明显高于2号试验钢，同时1号试验钢与2号试验钢的主要区别为贝氏体体积分数不同，因此也可验证贝氏体是试验钢在高温下仍能保持较高强度的重要原因，其高温稳定性也会优于铁素体。

1)采用文中的成分设计和TMCP工艺能生产出具有优异性能的建筑结构用钢，室温屈服强度均达到460 MPa级钢标准，屈强比均低于0.80，具有良好的抗震性能，尤其是只利用再结晶区轧制工艺生产的试验钢，其综合力学性能更佳。

2)经计算得出，只在再结晶区轧制的试验钢高温时位错强化的强度贡献约为141.7 MPa，而两阶段轧制的试验钢高温时位错强化的强度贡献仅为91.7 MPa，前者明显高于后者。

3)只在再结晶区轧制试验钢贝氏体体积分数更多，且贝氏体具有更优异的高温稳定性。

来源：丛菁华, 王学敏, 李江文, 等. 显微组织对460 MPa级抗震耐火建筑钢性能影响的研究[J]. 钢结构(中英文), 2021, 36(3): 34-38.

doi: 10.13206/j.gjgS20070801