论文推荐建筑结构用抗震耐蚀耐火钢Q460FRW低温冲击韧性性能分析

摘 要

随着一带一路框架下国际间合作不断深入开展，我国建筑行业不断进军俄罗斯等寒冷国家进行建筑施工，其中俄罗斯、北欧的大部分地区处于较为寒冷的地区，尤其是在气候环境较为恶劣的情况下，常常受到低温寒潮的侵袭，而低温则容易降低结构钢材的韧性。因此，低温抗冲击韧性性能试验对于高强度钢材来说是必须考虑的问题。

Q460FRW钢成分组成对于建筑结构用抗震耐蚀耐火钢以及低温冲击韧性性能起到至关重要的作用，表1是Q460FRW抗震耐蚀耐火钢成分组成，其中主要影响大气中钢腐蚀的锈层结构和组成的是羟基氧化铁α-FeOOH和γ-FeOOH的相对含量。前期研究发现，低碳设计、Cu、Cr、Ni、Mo等元素成分合理配比对耐大气腐蚀性能有重要贡献。其中，Cr 在锈层中所起的作用较为复杂，主要是能在钢表面形成致密的氧化膜，提高钢的钝化能力，因此，大幅提高Cr可耐沿海大气腐蚀性能；而Cu有助于提高钢的冲击韧性；部分合金元素如Cu、Cr、P 等有助于α-FeOOH 的形成，促使钢的表面形成致密的、黏附性强的稳定保护膜，从而减缓钢的腐蚀；Si与Cu、Cr、P 配合使用可改善钢的耐候性；Ni元素是一种比较稳定的元素，加入后能使钢的自腐蚀电位向正方向变化，增强了钢材的稳定性。因此，Q460FRW 钢种耐蚀性设计以Cu、Cr、Ni、Si 为基本成分,以Nb、V、Ti等复合微合金为辅助成分。

表1 Q460FRW 抗震耐蚀耐火钢成分组成

本文研究建筑结构用抗震耐蚀耐火钢Q460FRW低温环境下冲击韧性性能特征，以获得韧性受低温变化影响的规律，为这种钢材在低温环境下的应用提供试验依据；通过制备标准冲击试件，利用力学实验室低温环境保温箱及SANS 型摆锤式冲击试验机设备，对-20，-40，-60 ℃不同温度点下的试件进行冲击试验，并对冲击试件断口电镜扫描分析。

对建筑结构用抗震耐蚀耐火钢Q460FRW在-20，-40，-60 ℃低温条件下的冲击韧性开展试验研究，冲击试验根据GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》规定进行，以获得Q460 FRW的冲击功值 A _kV 随温度变化的数据，同时对冲击试件的断口进行电镜扫描分析(SEM型号,Quanta 250 FEG)，为研究断裂面和冲击韧性两者之间的关系提供依据。

1.1 试验目的

GB/T 229—2007冲击试验采用SANS 摆锤式冲击试验机，其具备500 J 的标准冲击能，试验装置如图1a所示，降温设备如图1b所示。冷却液选用的是液氮和酒精的混合液体，试验的温度为-20,-40,-60 ℃，间距为20 ℃，共3个温度点。试件从保温箱中移出至最终冲击的整个过程不应超过5 s，在每个温度点上选用3个平行试样，最后结果取平均值，具体的试样规格以及分组见表2。试验所使用的试样为V型缺口的样品，通过检测各温度点的冲击功大小，获得冲击功大小与温度之间的变化规律，并进行常温和低温环境下拉伸强度、屈服强度、伸长率的检测测试，从而给钢材的结构设计提供数据支撑。

a—装置；b—降温设备。
图1 SANS 型摆锤式冲击试验机

表2 Q460FRW抗震耐蚀耐火钢低温冲击试验数据

1.2 试验用材、尺寸及其设备

试验材料取自首都钢铁厂生产的Q460钢板，钢板厚度为10，28 mm，供货状态为热轧。试样依据相关的标准尺寸进行前期制备，试样缺口底部保持光滑，同时注意到试样在加工过程中应避免因加工硬化或者加热过高而导致试样的冲击性能受到影响。

由于所检测的是纵向冲击功，因此试样的缺口方向要与钢板的轧向一致。试验主要在SANS 摆锤式冲击试验机上进行。在进行冲击试验前，把试样放置在控温箱中进行冷却。

标准试样低温冲击试件选用标准夏比 V型试件，沿钢板厚度方向居中取样，缺口方向与钢板轧制方向保持一致以测量钢材纵向冲击功，试件尺寸见图2。

a—正视；b—V型缺口剖视。
图2 标准夏比 V型冲击试件加工尺寸示意

由于耐候钢的冲击功与温度密切相关，通常伴随温度的降低而降低，相应的冲击韧性值也会发生变化，因此，在进行冲击试验时应在规定的温度下开展试验，Q460FRW钢的冲击功随温度变化的试验数据见表2。为了更直接地观察高强度钢材的低温冲击韧性值，特将表2中的V型缺口冲击功值的数据绘制成冲击吸收功与温度之间的关系曲线，见图3。

图3 冲击吸收功与温度的依赖关系曲线

由表2、图3可知，在-20～-60 ℃过程中，随着温度的下降，两种Q460FRW钢(10、28 mm)的冲击功值均上升。其值从-20 ℃到-60 ℃时分别提高了2.3%和9.4%，在-20，-40，-60 ℃低温环境中，两种规格的Q460FRW 抗震耐蚀耐火钢冲击功均大于34 J，满足 GB/T 19879—2005《建筑结构用钢板》规定在低温环境下的 Q460 结构钢材的纵向冲击功值数值要求,具有较好的低温冲击韧性。

Q460FRW 抗震耐蚀耐火钢拉伸试验数据见表3。可以看出，Q460FRW抗震耐蚀耐火钢(10、28 mm)在常温和低温环境下拉伸强度、规定塑性延伸强度、断后伸长率都分别大于460 MPa、550 MPa、17%，均能保持较好的拉伸性能，满足 GB/T 19879—2005规定在低温环境下的 Q460 结构钢材的屈服强度及伸长率数值要求(即460 MPa、550 MPa、17%)。

表3 Q460FRW抗震耐蚀耐火钢拉伸试验数据

对冲击试件的断口进行电镜扫描分析(SEM型号,Quanta 250 FEG)，拍摄部位选为断口中心纤维区附近，且放大1000倍拍摄观察。图4a～4f为冲击试件在-20，-40，-60 ℃三个温度点下两种规格试件(10、28 mm)冲断后的断口微观概貌。图中，试件的断口从上到下分别表示为-20,-40,-60 ℃温度下冲断的情况。观察发现，试件断口撕裂痕迹随着温度的降低而减少，断层也越来越明显。

a—-20 ℃、28 mm；b—-20 ℃、10 mm；c—-40 ℃、28 mm；d—-40 ℃、10 mm；e—-60 ℃、28 mm；f—-60 ℃、10 mm。

图4 冲击试件的断口的扫描电镜图

试件断口的中心部位，金属晶体三维界面被冲击形成纤维状，断口由许多纤维状晶体网格构成，晶体网格的斜面与冲击下的拉伸轴一般呈锐角，试件在冲击下以某晶体网格点为中心撕裂形成裂纹，纤维状就是由塑性变形过程中微裂纹不断扩展所形成。宏观形貌具有典型的纤维状和剪切豁口，纤维状在断口表面所占比例大得多，剪切豁口相对宽得多，图4中没有发现放射状。这是因为冲击造成的拉伸过程中，裂纹从试样中心的纤维区向外扩展，裂纹附近区域都有很大的塑性变形，从而形成较大的剪切豁口，表明它们都是延性断裂，且材料的塑性很好。不同温度下，试件塑性变形区别不大。-60 ℃下,试件断口的面积小于其他两个温度段试件的断口面积，说明-60 ℃试样的断面收缩率大于其他两个温度的试件。而断面收缩率反映了材料塑性变形的大小，断面收缩率越大，材料的塑性就越好。因此，此种材料抗低温冲击性较好，随着温度的降低，试件的抗冲击韧性有所增加。从图4中可以看出，其断口韧窝的大小与深浅相差不大，因此，-60 ℃与 -20 ℃试件的抗冲击性能基本相同，韧窝的尺寸受到杂相晶粒的尺寸和分布、冲击变形后硬化参数及材料本身微观结构和相对塑性的影响，这说明试件元素晶界分布均匀且冲击试验条件参数一致。从图4c、图4e 可以看出，随着温度降低，试件断口韧窝数目变少，但口径大小增加。这表明 28 mm试件在-40 ℃ 与-60 ℃时的力学性能与-20 ℃试件略有不同。这是由于相同的冲击试验条件参数导致的应力、应变速率不同，温度通过对材料的塑性和变形后硬化参数发生作用而影响韧窝的尺寸。

分析图4a～4f可知：试件断口韧窝和撕裂棱随着温度的降低而逐渐减少，-20 ℃时断口呈现出微孔聚集型，断口面布满大小不一的撕裂棱和韧窝；-40 ℃时断口呈现须形、涟漪形花样，表现出准解理断裂，产生由隐蔽裂纹扩展形成的撕裂棱；-60 ℃时断口的解理裂纹显出涟漪形状走向，表现为解理断裂。总的来说，10 mm和28 mm规格的试件断面都呈冰糖状，未出现太多宏观塑性变形，可观察到大量的涟漪形花样，这些可能是由于双边解理面的位错差，解理裂纹无法在扭转晶界时重新形核，从而在晶界处形成涟漪形状特征。

一般认为，微量元素的杂相导致并形成材料中的韧窝核，使韧窝密度增加，从而改善材料的塑性。从图4可看出，试件断口有杂相的存在，有很多分布均匀、面积较小的解理面，在大韧窝壁上产生涟漪形解理、延展拉伸特征，韧窝表面与主应力方向垂直时，克服试件断裂面的表面势和功函数导致孪晶产生新的滑移，冲击拉伸开始时的滑移痕迹锐利一些，继续滑移使之平滑发展为涟漪形，继而进一步形成须形、网状特征区。

1)Q460FRW抗震耐蚀耐火钢在低温环境中均能保持较高的冲击功，具有较好的低温冲击韧性。同时，在-20，-40，-60 ℃低温环境下，冲击韧性均随温度降低而有所提升，两个系列的 Q460FRW 抗震耐蚀耐火钢冲击功均大于34 J，满足 GB/T 19879—2005规定在低温环境下结构钢材的纵向冲击功值数值要求。

2)Q460FRW抗震耐蚀耐火钢在常温和低温环境下拉伸强度、规定塑性延伸强度、断后伸长率均能保持较好的拉伸性能，满足 GB/T 19879—2005规定在低温环境下的 Q460 结构钢材的屈服强度值要求。

3)冲击试件在-20，-40，-60 ℃时的断口分别呈现出微孔聚集型，断口面布满大小不一的撕裂棱、韧窝和河流花样，这些可能是由于双边解理面的位错差，解理裂纹无法在扭转晶界时重新形核，从而在晶界处形成涟漪形特征。