多元微合金化耐火钢研究进展

随着社会经济的不断发展,建筑行业对于建筑材料强度的要求也越来越高,建筑结构用钢的组织类型也由铁素体/珠光体向铁素体/贝氏体、全贝氏体和多相多尺度亚稳(M~3)组织方向发展。耐火钢以其优异的综合性能和良好的耐火安全性等优点,被广泛应用于高层及大跨度建筑中。对于耐火性能的调控方式也从高成本的高Mo(≥0.40%)加单一元素的微合金化为主的方式向经济型的节Mo(≤0.30%)加Nb、V和Ti等多元复合微合金化方式发展。详细介绍了国内外耐火钢的发展历史、产品种类和应用工程以及提高耐火钢室温强度和耐火性能的理论和技术,对比研究了不同组织和微合金元素的耐火性能的差异。研究表明,多元复合微合金化钢在室温和600℃高温的性能要优于单一元素的微合金化钢的性能,因此提出了多元复合微合金纳米碳化物遇火析出增强高温耐火性能的新思路。针对Q345~Q690不同强度级别耐火钢,形成了差异化的合金与组织设计及其热轧/热处理技术,利用扫描电镜(SEM)观察不同强度级别耐火钢的组织类型,阐明了典型多元复合微合金化耐火钢升温-加载过程中显微组织和力学性能的变化规律。采用透射电镜(TEM)、物理化学相分析和三维原子探针(3DAP)等研究方法观察和统计热轧态、不同热处理态和600℃高温拉伸态析出相的分布、尺寸和数量,探讨了纳米碳化物高温沉淀强化、基体组织高温稳定的耐火机理。研究表明,经过弛豫处理的Q345级别钢板为先共析铁素体+少量贝氏体/珠光体组织,具有较高的细晶和沉淀强化增量;轧后直接进行层流冷却的Q345级别钢板为全贝氏体组织,有着较高的位错和固溶强化增量,600℃拉伸的屈服强度(Yield Strength,YS)仍能达到327 MPa。Q460级别钢板为全贝氏体组织,600℃时组织具有良好的高温稳定性,随着在600℃时保温时间的延长,直径小于10 nm的纳米析出相显著增加。Q690级别钢板为马氏体+亚稳奥氏体+纳米析出相和低碳高强贝氏体组织,室温下具有690 MPa的屈服强度和良好的延伸性能,经600℃高温拉伸试验后,其屈服强度不低于室温标准屈服强度的2/3。采用多元微合金化设计、遇火纳米析出强化的调控思路可实现Q345~Q690不同级别耐火钢的耐火功能。