【摘 要】
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耐火钢是一种具有良好耐火性能的低合金高强度钢,在发生火灾时600℃条件下的屈服强度不低于室温屈服强度的2/3,具有较好的高温屈服强度。目前国内研究的耐火钢强度还停留在345 MPa、490 MPa和590 MPa,高温屈服强度较低,钢中加入的Mo含量较高,生产成本较大。随着建筑物高度的增加和自然灾害的频发,普通建筑用耐火钢的屈服强度不能满足复杂服役环境下的承载能力。因此,对于690 MPa级抗震耐
【基金项目】
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国家重点研发计划,“多场耦合服役环境下抗震耐蚀耐火钢的材料设计理论研究”子课题
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耐火钢是一种具有良好耐火性能的低合金高强度钢,在发生火灾时600℃条件下的屈服强度不低于室温屈服强度的2/3,具有较好的高温屈服强度。目前国内研究的耐火钢强度还停留在345 MPa、490 MPa和590 MPa,高温屈服强度较低,钢中加入的Mo含量较高,生产成本较大。随着建筑物高度的增加和自然灾害的频发,普通建筑用耐火钢的屈服强度不能满足复杂服役环境下的承载能力。因此,对于690 MPa级抗震耐火钢组织和性能的研究具有重要意义。本文通过微合金化设计了一种低钼690 MPa级抗震耐火钢板,通过不同工艺条件和热处理实验对试验钢板进行了组织性能研究,主要研究了热轧后不同冷却速度对试验钢板组织和性能的影响,又对轧后冷却速度最快的试验钢板进行了740℃亚温淬火和740℃亚温淬火+400℃回火两种热处理,探究了试验钢板的高温耐火机理,并通过第一性原理模拟计算了耐火钢中铌、钛复合析出机制。轧制工艺试验结果表明:试验钢板轧后经过不同冷却速度层流冷却后的组织是铁素体、粒状贝氏体和马氏体,试验钢板中铁素体的数量随着冷却速度的增加呈现逐渐减少的趋势,粒状贝氏体的体积分数呈现增多的趋势,当冷却速度很大时,试验钢板的组织主要以板条马氏体为主;随着冷速的加大,试验钢板的屈服强度和硬度也逐渐增加,冷速最大的试验钢板室温屈服强度达到了902 MPa,满足了试验钢板室温强度的要求,但是高温屈服强度低于460 MPa,没能达到室温强度的2/3,塑韧性也较差,还需要对该试验钢板进行热处理,来提高其高温屈服强度和韧性。冲击测试结果表明,随着冷却速度增大,试验钢板的冲击韧性逐渐降低,萃取复型结果表明,试验钢板中的析出相为（Nb,Ti）C和Ti C;快速水冷后的试验钢板中马氏体组织较多,其室温和高温屈服强度最高,但是韧性较差,所以对快速水冷后的试验钢板进行回火热处理。本文对轧后冷却速度最大的试验钢板进行了不同的热处理实验,试验钢板经过740℃亚温淬火后的组织是粒状贝氏体、回火马氏体和少量的铁素体,经过400℃回火后的组织中粒状贝氏体和铁素体的体积分数较740℃亚温淬火有所增加,回火马氏体的体积分数有所降低。通过不同的热处理之后,试验钢板的室温抗拉强度和屈服强度相比之前有所降低,但是断后伸长率、-40℃冲击功和高温屈服强度都有很大的提高,两种热处理后的试验钢板高温屈服都超过了460MPa,满足了690 MPa级耐火钢板的高温强度要求。经过740℃亚温淬火+400℃回火之后,试验钢板中的析出相数量比亚温淬火有所增加,室温和高温屈服强都高于740℃亚温淬火。通过残余奥氏体测量结果可以发现,试验钢板水冷之后残余奥氏体的数量较低,通过740℃亚温淬火和740℃亚温淬火+400℃回火之后可以提高试验钢板中残余奥氏体的数量,一定数量残余奥氏体的存在是试验钢板保持较好的韧性的主要原因。微合金碳氮化物析出相第一性原理模拟计算结果表明,随着Nb含量的增加碳化铌钛的结合能和形成热先降低后升高,当Nb含量为0.5时,即(Nb0.5,Ti0.5)C的结合能和形成热能量最低,结构最稳定,比较容易形成。界面能计算结果表明,α-Fe/(Nb0.5,Ti0.5)C界面的界面能最大,α-Fe/Ti C的界面能最小,表明铌钛复合析出最有可能的方式是以碳化钛为核心的碳化铌钛复合析出。
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