0. 引言

现代建筑工程都会使用钢材来增强建筑结构的承载能力[1-2]，而建筑结构在服役过程中可能会经历地震、火灾等灾害，因此现代建筑用钢除了要满足强度、塑性等指标要求外[3]，还需要提升抗震、耐火等性能[4-5]，从而提升服役安全性和寿命。目前，通过添加合金元素精炼—铜板结晶器水冷浇铸—控轧控冷—淬火—临界淬火—回火工艺开发出的Q460GJEZ35钢板，具有较高的强塑性和抗低温冲击等性能[6]，在超高层建筑和大跨度体育场馆中得到了成功应用。但是，针对其经历火灾高温作用后的抗震性能的研究较少[7]，高温作用对其组织和性能的影响规律尚未明确。为此，作者将热轧态Q460GJEZ35钢板在温度225~625 ℃下保温60 min以模拟火灾温度环境，研究了温度对试验钢显微组织、力学性能和抗震性能的影响，拟为高强抗震耐火钢的开发与应用提供参考。

1. 试样制备与试验方法

试验材料为厚度20 mm的Q460GJEZ35热轧钢板，采用电感耦合等离子发射光谱法测得其化学成分如表1所示；试验钢的显微组织见图1，由粒状贝氏体（GB，铁素体内分布着众多马氏体/奥氏体小岛的复相组织[8]）和铁素体（F）组成，马氏体/奥氏体小岛主要分布在铁素体边界处，尺寸不大于2 µm的马氏体/奥氏体小岛多呈粒状或者不规则多边形状，尺寸大于2 µm的马氏体/奥氏体小岛主要呈团簇形态。试验钢的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率分别为463 MPa，614 MPa和23.3%，屈强比为0.754。

图 1 热轧态试验钢的光学显微镜和扫描电镜形貌

Figure 1. Optical microscope (a) and scanning electron microscope (b) morphology of hot-rolled test steel

将试验钢板加工成尺寸为550 mm×330 mm×20 mm（长×宽×厚）的试样，对试样进行表面清洗并烘干后，置于Nabertherm L3/11-L40/12型热处理炉中模拟火灾高温作用过程，温度为225，325，425，525，575，625 ℃，保温60 min后取出，空冷至室温。

采用线切割在模拟火灾高温作用后的试验钢上切取块状试样，经过打磨、机械抛光和体积分数3.5%硝酸乙醇溶液腐蚀后，采用日本电子IT 500型钨灯丝扫描电子显微镜（SEM）观察显微组织。按照GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》，将试验钢加工成如图2所示的拉伸试样[9]，在INSTRON 3365型万能材料试验机上进行室温拉伸试验，拉伸速度为2 mm·min−1，测3个试样取平均值。采用线切割加工出尺寸为ϕ1.8 mm×70 mm的棒状试样，按照GB/T 13665—2007《金属阻尼材料阻尼本领试验方法 扭摆法和弯曲振动法》，在MFP-A1000型高精度多功能内耗仪上进行内耗试验，获得弛豫型内耗（SKK）峰值并计算碳化物析出量[10]，测5个试样取平均值。

图 2 拉伸试样的形状与尺寸

Figure 2. Shape and size of tensile specimen

2. 试验结果与讨论

2.1 对显微组织的影响

由图3可见，经过低温（225 ℃）和中温（325~425 ℃）保温60 min处理后，试验钢的组织仍由粒状贝氏体和铁素体组成，与热轧态相比，低温热处理后贝氏体组织中尺寸较大的马氏体/奥氏体小岛已经逐渐分解，中温热处理后尺寸大于2 µm的团簇状马氏体/奥氏体小岛分解加剧，尺寸不大于2 µm的马氏体/奥氏体小岛数量增多。

图 3 低温和中温保温60 min处理后试验钢的SEM形貌

Figure 3. SEM morphology of test steel after holding at low temperatures (a–b) and medium temperatures (c–f) for 60 min: (a, c, e) at low magnification and (b, d, f) at high magnification

由图4可见，经高温（525~625 ℃）保温60 min空冷处理后，试验钢组织仍为粒状贝氏体和铁素体，但贝氏体组织中的马氏体/奥氏体小岛进一步分解。当温度为625 ℃时，马氏体/奥氏体小岛基本分解完毕，呈粒状，尺寸大于2 µm的团簇状组织基本消失，铁素体发生不同程度的粗化[11]。综上可知，随着温度升高，尺寸大于2 µm的团簇状马氏体/奥氏体小岛逐渐分解成尺寸细小的粒状组织，多边形马氏体/奥氏体小岛也逐渐圆钝化。

图 4 高温保温60 min处理后试验钢的SEM形貌

Figure 4. SEM morphology of test steel after holding at high temperatures for 60 min: (a, c, e) at low magnification and (b, d, f) at high magnification

2.2 对拉伸性能的影响

由表2可知，随着温度升高，试验钢的屈服强度和抗拉强度基本先增大后减小，断后伸长率降低，当温度为575 ℃时屈服强度和抗拉强度最大。随着温度升高，尺寸大于2 µm的团簇状马氏体/奥氏体小岛逐渐分解成尺寸细小的粒状组织[12]，多边形马氏体/奥氏体小岛逐渐圆钝化，因此试验钢强度增大[13]；但当温度过高（625 ℃）时，铁素体发生粗化[14]，使得试验钢强度减小，而由于温度升高加剧团簇状组织分解所产生的强化效果仍然较高，因此强度仍保持在较高水平。相比于热轧态试验钢，在温度225，325 ℃保温60 min后试验钢的强塑性变化不大，屈强比保持在0.8以下；当温度升至不低于425 ℃时，由于尺寸较大的马氏体/奥氏体小岛分解，尺寸不大于2 µm的马氏体/奥氏体小岛数量增多，试验钢的屈服强度显著上升，抗拉强度增加幅度相对较小，表现为屈强比略有上升。