徐 浩,緱瑞賓,王 念,于 敏

(1. 安徽科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 鳳陽 233100;2. 蚌埠市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心,安徽 蚌埠 233000;3. 安徽科技學(xué)院 建筑學(xué)院,安徽 蚌埠 233000)

隨著人類經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速,火災(zāi)事故頻繁發(fā)生,火災(zāi)環(huán)境對工程厚板的微觀組織和力學(xué)性能產(chǎn)生了不可忽視的影響,進(jìn)而影響工程厚板的服役安全性能,對人們的生命財產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重威脅[1]。因此,揭示火災(zāi)環(huán)境下工程厚板微觀組織和力學(xué)性能的變化規(guī)律,對受火后工程厚板的性能評價和綠色再利用具有重大指導(dǎo)價值。

對于高溫后鋼材微觀組織和力學(xué)性能的變化,國內(nèi)外學(xué)者已有諸多研究。在高溫環(huán)境對材料微觀組織的影響方面,陳友明等人通過研究熱處理對Q345B鋼基堆焊復(fù)合板顯微組織的影響,發(fā)現(xiàn)不同熱處理工藝會對珠光體含量變化產(chǎn)生影響[2];Liu等人研究了溫度和保溫時間對1.5 mm厚22MnB5NbV鋼晶粒尺寸的影響,研究表明試驗(yàn)鋼的晶粒尺寸隨溫度的升高和保溫時間的延長而增大[3]。在高溫環(huán)境對材料力學(xué)性能的影響方面,Zhou等人分別研究了受火后Q620高速鋼自然、泡沫和浸水3種冷卻方式下的力學(xué)性能,提出了溫度和不同冷卻方式作用下Q620高速鋼力學(xué)性能預(yù)測方程[4];王茹玉等人研究了回火溫度對Ti-V-Mo復(fù)合微合金鋼組織及硬度的影響,結(jié)果表明:在450～600 ℃回火時,試驗(yàn)鋼硬度與回火溫度正相關(guān)[5]。在高溫環(huán)境與材料微觀組織、力學(xué)性能關(guān)系研究方面,Ge等人建立了高溫環(huán)境與薄銅板的強(qiáng)度及伸長率的“溫度-厚度”雙參數(shù)預(yù)測模型[6]。綜上所述,學(xué)者在火災(zāi)或高溫環(huán)境對厚板鐵素體相含量及硬度的影響方面仍待深入研究,尤其是組織與力學(xué)性能分布模型方面。因此,隨著火災(zāi)事故頻發(fā),開展高溫環(huán)境作用下工程厚板組織與力學(xué)性能的研究迫在眉睫。

為了揭示受火后厚板組織與硬度性能的分布規(guī)律,本文以Q345厚板為研究對象,采用模擬火災(zāi)環(huán)境的試驗(yàn)方法,對試驗(yàn)鋼的鐵素體相含量和硬度變化進(jìn)行定量分析。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為Q345厚鋼板,其化學(xué)成分如表1所示。采用加熱爐加熱+保溫的方法,將試塊以10 ℃/min的升溫速率加熱至指定火災(zāi)溫度(400、600、800 ℃),保溫40 min后水冷至室溫;其次,從試塊中心位置取出試樣;第三,微觀組織及硬度測試點(diǎn)位置沿RD向分為2列L(L1=20 mm、L2=80 mm),沿ND向分為3個距表層距離l(l1=2 mm、l2=10 mm、l3=20 mm),試樣尺寸與測試點(diǎn)位置如圖1所示;第四,采用光學(xué)顯微鏡和Matlab軟件對試樣微觀組織進(jìn)行觀察、測量與分析;最后,借助Zwick維氏硬度計(jì)(HV10)測量試樣硬度。

表1 Q345厚板化學(xué)成分 w/%

2 結(jié)果與分析

2.1 Q345厚鋼板典型微觀組織結(jié)果

Q345厚鋼板原始樣與不同火災(zāi)環(huán)境下(400、600、800 ℃,保溫40 min)的典型微觀組織觀測結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同火災(zāi)環(huán)境下Q345厚鋼板典型微觀組織

由圖2a～c可知,其微觀組織由淺色相鐵素體(F)和深色相珠光體(P)構(gòu)成,鐵素體與珠光體沿平行于軋制方向(RD)呈層狀分布形成帶狀組織[7]。帶狀組織是軋制過程中最常見的組織缺陷,因溶解在奧氏體中元素的擴(kuò)散速率差異使鋼中Mn的偏析所致[8]。這些不均勻的帶狀組織會使材料的力學(xué)性能呈各向異性,嚴(yán)重影響材料的使用性能。如圖2d所示,其微觀組織主要由鐵素體(F)和馬氏體(M)組成,試樣的帶狀組織隨溫度的升高得到改善。其主要因800 ℃時鋼材處于雙相區(qū),在加熱過程中奧氏體發(fā)生形核、生長,以及組織中的滲碳體通過碳原子擴(kuò)散逐漸溶解到奧氏體中[9],原始碳偏聚程度減小,進(jìn)而弱化了帶狀組織現(xiàn)象。

2.2 Q345厚鋼板鐵素體相含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

為揭示火災(zāi)環(huán)境對Q345厚板鐵素體含量VF的影響規(guī)律,分別在每個觀測點(diǎn)內(nèi)獲取6張微觀組織圖像,利用Matlab軟件測定出各組織圖像的VF并取平均值,其統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖3。

(a) 20 ℃-0 min

(b) 400 ℃-40 min

(c) 600 ℃-40 min

(d) 800 ℃-40 min圖3 不同火災(zāi)環(huán)境下Q345厚鋼板鐵素體相含量

由圖3可知,鐵素體相含量VF總體波動范圍分別為:57.3～71.2%(20 ℃)、57.6～62.5%(400 ℃)、58.9～72.0%(600 ℃)和36.4～41.0%(800 ℃)。當(dāng)溫度低于600 ℃時,試樣組織未發(fā)生相變,仍由鐵素體+珠光體組成,因此,組織中鐵素體相含量的變化范圍相近;800 ℃時,珠光體分解為鐵素體+滲碳體,由于溫度不夠高,部分鐵素體轉(zhuǎn)化為奧氏體,經(jīng)水冷后奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,導(dǎo)致鐵素體相含量明顯降低[10]。當(dāng)受火溫度相同時,VF隨l的增加而總體增加,l3=20 mm與l1=2 mm位置相比,VF的最大增幅分別為:18.4%(20 ℃)、5.8%(400 ℃)、16.4%(600 ℃)和16.5%(800 ℃),這主要因高溫后材料芯部冷卻緩慢導(dǎo)致奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變所造成[11]。綜上所述,火災(zāi)溫度對Q345厚鋼板鐵素體相含量的變化具有一定影響。

2.3 Q345厚鋼板硬度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖4為原始樣與不同火災(zāi)環(huán)境下Q345厚鋼板硬度H的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖4a～d可知,H總體變化范圍分別為:131.3～140.1 HV(20 ℃)、139.9～151.4 HV(400 ℃)、150.7～175.3 HV(600 ℃)和195.5～204.1 HV(800 ℃)。當(dāng)溫度低于600 ℃時,Q345厚鋼板硬度值相近;800 ℃時,經(jīng)水冷后組織中析出的馬氏體使Q345厚鋼板硬度值增加[12]。對比400、600和800 ℃三種受火溫度下,800 ℃時試樣硬度值的總體波動范圍明顯低于400和600 ℃,細(xì)小的鐵素體和馬氏體組織是導(dǎo)致其硬度值波動較小的主要原因[13]。綜上可知,受火溫度對Q345厚鋼板硬度的非均勻分布影響顯著。

(a) 20 ℃-0 min

(b) 400 ℃-40 min

(c) 600 ℃-40 min

(d) 800 ℃-40 min圖4 不同火災(zāi)環(huán)境下Q345厚鋼板硬度

3 火災(zāi)溫度與Q345厚板組織性能關(guān)系

為了揭示火災(zāi)環(huán)境下Q345厚板組織與力學(xué)性能的變化規(guī)律,采用指數(shù)函數(shù)對Q345厚鋼板鐵素體相含量VF、硬度H與火災(zāi)溫度T之間的內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行研究。有

(1)

式中:V0、H0為偏移量;AV、AH為系數(shù);tV、tH為常數(shù)。

3.1 鐵素體相含量

鐵素體相含量擬合結(jié)果如圖5所示,可以看出:Q345厚板L1與L2位置處各觀測點(diǎn)的VF總體上隨火災(zāi)溫度T的增加而減小。由20 ℃到800 ℃時,L1位置處各觀測點(diǎn)VF的值分別為:59.8 - 36.4%(#1-1)、62.0 - 41.1%(#1-2)、和70.8 - 42.4%(#1-3);L2位置處各觀測點(diǎn)VF的值分別為:57.3 - 42.0%(#2-1)、71.2 - 41.0%(#2-2)、和66.7 - 48.1%(#2-3)。

利用式(1)分別對圖 5中各Q345厚鋼板的VF值進(jìn)行擬合,構(gòu)建了L1、L2各觀測點(diǎn)鐵素體含量VF與火災(zāi)溫度T之間的關(guān)系曲線。擬合公式如式(2),結(jié)果參數(shù)如表2所示。

(a) L1=20 mm

(b) L2=80 mm圖5 鐵素體相含量擬合結(jié)果

(2)

表2 VF-T預(yù)測模型(式2)參數(shù)結(jié)果

根據(jù)預(yù)測式(2)對Q345厚板L1、L2位置處各觀測點(diǎn)內(nèi)VF值進(jìn)行計(jì)算,對比結(jié)果如圖6所示,預(yù)測值與試驗(yàn)值偏差均小于12.2%。表明式(2)能較好地預(yù)測受火后Q345厚板L1、L2位置處各觀測點(diǎn)的鐵素體相含量。

3.2 硬度

硬度擬合結(jié)果如圖7所示,可以看出:Q345厚板L1與L2位置處各觀測點(diǎn)硬度H隨火災(zāi)溫度T的升高而增大。與室溫(20 ℃)相比,L1位置處各觀測點(diǎn)H的最大增幅分別為:55.5%(#1-1)、44.56%(#1-2)和48.38%(#1-3);L2位置處各觀測點(diǎn)H的最大增幅分別為:44.02%(#2-1)、50.1%(#2-2)和48.65%(#2-3)。

采用式(1)對硬度H進(jìn)行擬合,分別構(gòu)建了L1、L2位置處各觀測點(diǎn)硬度H與火災(zāi)溫度T之間的關(guān)系曲線,擬合參數(shù)如表3所示。

表3 H-T預(yù)測模型(式(4))參數(shù)結(jié)果

(a) L1=20 mm

(b) L2=80 mm圖6 鐵素體相含量試驗(yàn)值與預(yù)測值對比

(a) L1=20 mm

(b) L2=80 mm圖7 硬度擬合結(jié)果

由表3可知,對于H0、AH、tH三個參數(shù),H0對H的影響程度最大,因此,對H0的變化規(guī)律進(jìn)行分析,并采用線性函數(shù)進(jìn)行擬合,建立L1、L2處距表層距離l與H0關(guān)系,即

(3)

將式(3)帶入式(1),得到Q345厚板L1與L2位置處各硬度H、距表層距離l和火災(zāi)暴露溫度T之間的關(guān)系,即

(4)

根據(jù)式(4)對Q345厚板各觀測點(diǎn)硬度H進(jìn)行計(jì)算,并與試驗(yàn)值進(jìn)行對比,對比結(jié)果如圖8所示。預(yù)測值與試驗(yàn)值的最大計(jì)算偏差小于12.6%,表明式(4)能夠預(yù)測火災(zāi)環(huán)境下Q345厚板L1、L2位置處各觀測點(diǎn)的硬度。

3.3 鐵素體相含量與硬度關(guān)系

如前所述,火災(zāi)溫度對Q345厚鋼板鐵素體相含量及硬度影響顯著。因此,為評價火災(zāi)環(huán)境下Q345厚板鐵素體相含量對其硬度的影響,對其相互關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果見圖9。

VF=64.1-1.1*10-38H17.05,R2=0.76.

(5)

由圖9可知,當(dāng)試樣中鐵素體相含量低于50%時,其硬度明顯提高?；谠囼?yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)火災(zāi)環(huán)境下Q345厚板鐵素體含量與硬度符合式(5)函數(shù)模型,且模型精度較高。因此,該模型可為火災(zāi)環(huán)境下Q345厚板組織對其力學(xué)性能的影響提供理論依據(jù)。

(a) L1=20 mm

(b) L2=80 mm圖8 硬度試驗(yàn)值與預(yù)測值對比

圖9 鐵素體相含量對硬度的影響

4 結(jié)論

1) 相同受火溫度下,Q345厚鋼板鐵素體含量及硬度沿厚向的變化趨勢不明顯;試樣同一觀測點(diǎn)位置的鐵素體相含量隨溫度的增加而下降,硬度則不斷增大。

2) Q345厚板鐵素體含量VF、硬度H均與火災(zāi)溫度T之間符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系;分別構(gòu)建了Q345厚板鐵素體含量的“VF-T”預(yù)測模型,以及硬度的“H-l-T”雙參數(shù)預(yù)測模型。對比試驗(yàn)值與預(yù)測值,Q345厚板VF與H預(yù)測模型的最大誤差分別為12.2%和12.6%,具有較好的準(zhǔn)確性。

3) 基于火災(zāi)環(huán)境下Q345厚板鐵素體含量VF及硬度H試驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)兩者之間符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系,為火災(zāi)環(huán)境下Q345厚板組織對其力學(xué)性能的影響提供理論依據(jù)。