Mo对耐火钢高温屈服强度的影响

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2013.03.009 第35卷第3期 北京科技大学学报 Vol.35 No.3 2013年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2013 Mo对耐火钢高温屈服强度的影响 万荣春1,2)，孙锋)区，张澜庭1)，温东辉3)，胡晓萍3)，单爱党1) 1)上海交通人学材料科学与工程学院，上海2002402)渤海船舶职业学院材料工程系，葫芦岛125000 3)宝钢股份研究院结构钢研究所，上海201900 ☒通信作者，E-mail:fsun@sjtu,cdu.cn 摘要设计了一系列Mo质量分数从0.1%到0.8%的Fe-Mo-C三元模型钢.采用两种不同热处理工艺制度得到不同 的组织，研究了M0元素对耐火钢高温强度的两种强化形式：固溶强化和贝氏体相变强化.Mo可以显著提高耐火钢的 扁温强度，它在耐火钢中的主要高温强化机理是固深强化.M0质量分数不高于0.5%时，其高温岗溶强化效果明显，每 添加0.1%的Mo,600℃的屈服强度增量为13.71MPa:但当Mo质量分数大于0.5%后，高温强度增幅逐渐减小.此外， 贝氏体相变强化对耐火钢的高温强度也有重要影响.当贝氏体体积分数达到20%时，耐火钢的高温强度显著增加. 关键词耐火钢：钳：材料强度：强化：贝氏体 分类号TG142.1 Effect of Mo on the high-temperature yield strength of fire-resistant steels WAN Rong-chun2),SUN Feng),ZHANG Lan-ting),WEN Dong-hui3),HU Xiao-ping3), SHAN Ai-dang1) 1)School of Materials Science and Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China 2)Materials Engineering Department,Bohai Shipbuilding Vocational College,Huludao 125000,China 3)Advanced Structural Steel Institute,Baoshan Tron Steel Co.Ltd.,Shanghai 201900,China Corresponding author,E-mail:fsun@sjtu.edu.cn ABSTRACT A series of Fe-Mo-C steels with the Mo mass fraction of 0.1%to 0.8%were designed to study the high-temperature strengthening mechanisms of fire-resistant steels with Mo addition.Two heat treatments were carried out on the Fe-Mo-C steels to investigate the strength contributions of Mo addition from solid-solution strengthening and bainite strengthening.It is found that Mo can remarkably increase the high-temperature strength of the Fe-Mo-C steels.The dominant strengthening mechanism is solid-solution strengthening.The contribution of Mo addition to strengthening the Fe-Mo-C steels shows a rapid increase with the mass fraction of Mo no more than 0.5%,and the yield strength at 600 C goes up by a significant 13.71 MPa per 0.1%Mo addition.But the high-temperature strength slowly increases when the mass fraction of Mo is more than 0.5%.Bainite strengthening also has great effect on the high-temperature strength of the Fe-Mo-C steels,and the strength increases remarkably when the volume fraction of bainite exceeds 20%. KEY WORDS fire-resistant steel;molybdenum;strength of materials;strengthening;bainite 耐火钢作为一种兼具良好的耐火性能和抗震力川.耐火钢最典型的特征就是在此温度下仍能够 性能的建筑用钢，被广泛应用于高层建筑、大型公 保持甚至超过2/3的室温屈服强度②，从而延续至 共建筑、高档住宅等消防安全要求较高的地方，通 少1~3h的承载能力，为人员安全撤离赢得了宝贵 常，建筑用低合金结构钢在600℃时屈服强度将会 时间 下降至室温屈服强度的1/2以下，从而失去承载能 在耐火钢中添加Mo被认为是提高高温强度 收稿日期：2011-12-11

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 五 对耐火钢高温屈服强度的影响 万荣春, , 孙 锋 网, 张澜庭, , 温 东辉 , 胡晓萍 , 单爱党 ` 上海交通大学材料科学与工程学院, 一卜海 渤海船舶职业学院材料工程系, 葫芦岛 宝钢股份研究院结构钢研究所, 上海 困 通信作者, 卜 摘 要 设计了一系列 。质量分数从 到 的 一 , 三元模型钢 采用两种不同热处理工艺制度得到不同 的组织, 研究 了 元素对耐火钢高温强度的两种强化形式 固溶强化和贝氏体相变强化 可以显著提高耐火钢的 高温强度, 它在耐火钢中的主要高温强化机理是固济强化 。质量分数不高于 时, 其高温同溶强化效果明显, 每 添加 的 , ℃的屈服 强度增 量 为 但 当 质量 分数 大于 后 , 高温强 度增 幅逐渐 减 小 此外 , 贝氏体相变强化对耐火钢的高温强度也有重要影响 当贝氏体体积分数达到 时, 耐火钢的高温强度 破著增加 关键词 耐火钢 铂 材料强度 强化 贝氏体 分类号 一 一 叭 万 几。几夕一人。 , , 洲 夕 网, 刀通万` 石 几一乞夕 , 刃 刀。几夕一人二乞 , 万 爪 一刀乞几夕 月遴万 么一` 夕 , , , , , 即 , , , , 困 , 回 , , 一 一 一 一 一 , ℃ 勿 一 一 , 一 耐火钢作 为一种兼具 良好的耐火性能和抗震 胜能的建筑用钢 , 被广泛应用 于高层建筑 、大型公 共建筑 、 高档住宅等消防安全要求较 高的地方 通 常, 建筑用低合金结构钢在 ℃时屈服强度将会 下降至室温屈服强度的 以下, 从而 失去承载能 力 耐火钢最典型的特征就是在此温度下仍能够 保持甚至超过 的室温 屈服强度图, 从而延续至 少 的承载能力 , 为人员安全撤离赢得了宝贵 时 间 在 耐火钢 中添加 被认为是提 高高温 强度 收稿 日期 一 一 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2013.03.009

326 北京科技大学学报 第35卷 最有效的方法3-.常用的耐火钢，如武钢的WGJ 表1 Fe-Mo-C钢的名义化学成分（质录分数） 510C2,新日铁的NSFR400和NSFR490,Mo的 Table 1 Nominal chemical composition of Fe-Mo-C steels% 质量分数都在0.5%以上2,7-8副.一日M0添加量 钢样编号CMoe钢样编号C Mo Fe 稍有减少，材料的高温强度就会迅速下降.作为 0.1Mo0.110.1余量 0.5M00.110.5众0 一种贵金属心素，M0含承的增加必然会增加耐火 0.2Mo 0.110.2余量 0.6M00.110.6余 0.3Mo0.110.3余量 0.7M00.110.7余年 钢的生产成本.随着市场需求的加大以及对建筑品 0.4Mo0.110.4余量0.8Mo0.110.8余量 质要求的提高，迫切需要加快研发其有低成木的耐 火钢. 热处理后的薄板制成标准高温拉伸样品 Mizutani等3]认为Mo在耐火钢中存在两种高 (GB/T4338-1995),在SHIMADZU-100kNA材料 温强化形式，即固溶强化和促进贝氏体转变而形成 试验机上进行室温与高温力学性能测试，其中高 的相变强化，但并没有明确哪种是Mo的主要高 温拉伸温度为(600士1)℃，保温15min后开始拉 温强化机理.至今，不问学者对Mo的高温强化机 伸，拉伸速率为10-3s1,每个数据点代表两个平 理仍然看法不一9-10，而弄清Mo的主要高温强 行试样的平均值. 化机理有助于寻找Mo的替代方法以设计低成本低 热处理后以及高温拉伸后的试样经切割、研 Mo(质量分数<0.3%)其至无Mo耐火钢.此外，Mo磨、抛光及4%硝酸乙醇溶液腐蚀斤，用配备冇 的添加量的不同必然会对贝氏体体积分数产生影Image--Pro Plus软件的Leica DMRD止置式光学 响，进而影响到耐火钢的高温性能：但遗憾的是，上显微镜(OM)观察试样显微纵织和定量组织中贝氏 述研究中3,10并没有定量给出Mo的高温固溶强化 体的体积分数，采用JSM-7600F扫描电子显微 效果，也没有给出与贝氏体体积分数的定量关系.最 镜(SEM)对组织的精细结构进行观察. 近，笔者利用贝氏体相变强化的方式，通过调整Mo 2实验结果与讨论 的含量，成功开发了其有优异高温性能的贝氏体体 积分数约为12%的低Mo(质异分数<0.3%)耐火钢， 2.1微观组织 这为开发低成木高强度级别的耐火钢提供了一个 Fe-Mo-C钢经贝氏体化处理(BA)后的组织如 思路. 图1所示.可见，其主要组织为铁素体(F)加贝氏 本研究采用简化耐火钢化学成分的FeMo-C三 体(B).此外贝氏体化处理后的钢中还存在少量（体 元模型钢，采用两种不问热处理工艺制度得到不同 积分数≤5%)的珠光体(P),如图1所指小黑色区 的组织，研究一系列M0含量的耐火钢的高温力域.贝氏体'与珠光体在高倍扫描电镜下的差别如图 学性能，通过对比Mo的固溶强化和贝氏体相变强 2所示.从图可见珠光体为层片结构，贝氏体则' 化的效果，分析Mo在耐火钢中主要高温强化机理. 蔡明晖山所观察到形貌基木一致，由不连续的碳 研究还定中给出Mo的高温固溶强化影响公式及贝 化物和贝氏体铁素体板条组成.铁素体化处理(FA) 氏体体积分数对高温强度的影响关系，从而为开发 后Fe-Mo-C钢的主要组织为铁素体（如图3所示）， 低成木低Mo或尤Mo耐火钢提供设计思路. 同时发现在组织中存在极少量珠光体和贝氏体（两 者体积分数总量≤2%).Honeycombel12i认为，少量 1实验材料及方法 珠光体（体积分数≤5%）对低碳钢的屈服强度影啊 Fe-MoC钢的名义化学成分如表1所示.八种 甚微，因此木研究中不考虑实验钢中少量珠光体对 实验钢采用真空电弧炉熔炼，浇铸成铸锭，然后将 屈服强度的影响.贝氏体化处理钢的高温拉伸后的 铸锭重新加热至(1100士5)℃，保温0.5h后热轧成 组织如图4所示.可见拉伸前后的组织特别是贝氏 3mm厚的板材，然后空冷至室温. 体几乎没有变化，说明贝氏体化处理后的纠织具行 热轧斤试样分别进行铁素体化处理和贝氏体 很好的高温稳定性 化处理.其中铁素体化处理L艺为：在950℃保 图5给出了贝氏体化处理钠中贝氏体体积分数 温0.5h,然后随炉冷却至760℃保温0.5h,再随 随Mo质量分数的变化情况.可以看出Mo质量分 炉冷却至500℃后空冷至室温.贝氏体化处理1：艺 数在01%时贝氏体的体积分数仅为2.9%左右，之 为：在950℃保温0.5h,然后在510℃的亚硝酸盐 后贝氏体体积分数随Mo质量分数的增加而显著增 浴炉中进行等温处理，保温0.5h后出炉，空冷至 加，说明Mo有利于贝氏体的形成.Mo能强刻推迟 室温. 珠光体转变并降低转变速度，提高过冷奥氏体稳定

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 最有效的方法 一“ 常用的耐火钢 , 如武钢 的 , 新 日铁的 和 , 的 质量分数都在 。 以上 阵 一 一 日 添加 呈 稍有减少 , 材料 的高温 强度就会迅速下降 作为 一种贵金属儿素 , 含量的增加必然会增加耐 火 钢 的生产成本 随着市场需求 的加大 以及对建筑 钻 质要求的提 高, 迫切需要加快研发具有低成木的耐 火钢 等 认为 在耐火钢中存在两种高 温强化形式 , 即固溶强化和促进 贝氏体转变而形成 的相变 强化, 但并没有 明确哪 种是 的主要高 温强化机理 至今 , 不同学者对 的高温 强化机 理仍然 看法不一 一` , 佰弄清 的主要高温 强 化机理有助 ' 寻找 的替代方法以设计低成木低 质量分数 甚至无 耐火钢 此外 , 。 的添加量 的不 同必然会对 贝氏体体积分数产生影 响, 进而影响到耐火钢的高温性能 但遗憾的是, 上 述研究中, `明并没有 定量给 出 的高温 固溶强化 效果, 也没有给 出与贝氏体体积分数的定呈关系 最 近, 笔者利用贝氏体相变强化的方式 , 通过调整 的含最, 成功开发 了具有优异高温性能的贝氏体体 积分数约为 的低 质最分数 耐火钢 , 这为开发低成木高强度级别的耐火钢提供了一个 思路 本研究采用简化耐火钢化学成分的 一 一 二 元模型钢 , 采用两种不同热处理工艺制度得到不同 的组织 , 研究一系列 含量的耐火钢 的高温力 学性能 , 通过对 比 的固溶强化和贝氏体相变强 化的效果, 分析 在耐火钢中主要高温强化机理 研究还定量给 出 的高温固溶强化影响公式及 贝 氏体体积分数对高温强度的影响关系, 从 为开发 低成木低 或无 耐火钢提供设计思路 表 一 钢的名义化学成分 质最分数 认 钢样编 号 召 滩 一 一 卜冈样编号 。 , 余 量 余量 余量 余量 任︸月 石 … 曰八︹︶︸ 热 处 理 后 的 薄 板制 成 标 准 高 温 拉 伸 样 品 一 , 在 一 材料 试验机上进行室温 , 。高温 力学性 能测试 , 其中高 温拉伸温度为 士 ℃, 保温 后开始拉 伸 , 拉伸速率为 一” 一`, 每个数据 点代表两个 平 行试样的平均值 热 处理 后以及高温拉伸后的试样 经切割 、 研 磨 、 抛光及 硝酸 乙醇溶液腐蚀 后, 用配备有 一 软件 的 止置式光学 显微镜 观察试样显微组织和定 录组织中贝氏 体 的体积 分数 , 采用 一 扫描 电 子显微 镜 对组织的精细结构进行观察 实验材料及方法 一 一 钢 的名义化学成分如表 所示 八种 实验钢采用真空电弧炉熔炼, 浇铸成铸锭, 然后将 铸锭重新加热至 士 ℃, 保温 后热轧成 厚的板材, 然后空冷至室温 热轧后试样 分别进行铁素体化处理和 贝氏体 化处理 其 中铁素体化处理 艺为 在 ℃保 温 , 然后随炉冷却至 ℃保温 已 , 再随 炉冷却至 ℃后空冷至室温 贝氏体化处理 一艺 为 在 ℃保温 , 然后在 ℃的亚硝酸盐 浴炉 中进行等温处理, 保温 后 出炉, 空冷至 室温 实验结果与讨论 微观组织 一 一 钢经贝氏体化处理 后的组织如 图 所示 可见 , 其主要组织为铁素体 加贝氏 体 此外 贝氏体化处理后的钢中还存在少量 体 积分数 落 的珠光体 , 如图 所指示黑色区 域 贝氏体 , 珠光体在高倍扫描 电镜下的差别如图 所示 从图可见珠光 体为层片结构 , 贝氏体则 , 蔡明晖 所观察到形貌基木一致, 由不连续 的碳 化物和 贝氏体铁素体板条组成 铁素体化处理 后 一 一 钢 的主要组织 为铁素体 如图 所示 , 同时发现在组织中存在极少量珠光体和贝氏体 两 者体积分数总量 毛 `“ 认 为, 少量 珠光体 体积分数 对低碳钢的屈服强度影响 甚微, 因此木研究中不考虑实验钢中少量珠光体对 屈服强度 的影响, 贝氏体化处理钢的高温拉伸后的 组织如图 所示 可见拉伸前后的组织特别是贝氏 体几乎没有变化, 说明贝氏体化处理后的组织具有 很好的高温稳定性 图 给 出了贝氏体化处理钢中贝氏体体积分数 随 质量分数 的变化情况 可以看出 质 录分 数在 时 贝氏体的体积分数仅为 左右, 之 后贝氏体体积分数随 质量分数的增加 显著增 加, 说明 有利 几贝氏体的形成 能强烈推迟 珠光体转变并降低转变速度, 提高过冷奥 氏体稳定

第3期 万荣春等：Mo对耐火钢高温屈服强度的影响 ·327· 10μm 10μm 10m 10μm 图1不同Mo质量分数的贝氏体化处理钢的组织.(a)0.1%；(b)0.4%;(c)0.7%;(d)0.8% Fig.1 Microstructures of BA steels with different Mo contents:(a)0.1%;(b)0.4%:(c)0.7%;(d)0.8% 15k0 5.000 15kU5,000 5 un 图20.8Mo贝氏体化处理钢的扫描电镜照片.(a)珠光体：(b)贝氏体 Fig.2 SEM images of 0.8Mo BA steel:(a)pearlite:(b)bainite b 20m 20μm 图3不同Mo质量分数的铁素体化处理钢的组织.(a)0.1%:(b)0.8% Fig.3 Microstructures of FA steels with different Mo contents:(a)0.1%;(b)0.8%

第 期 万荣春等 对耐火钢高温屈服强度的影响 · · 图 不同 。质量分数的贝氏体化处理钢的组织 · 滩 图 住 。贝氏休化处理钢的扫描电镜照片 珠光体 贝氏体 图 不同 质量分数的铁素体化处理钢的组织 。名 ·

·328, 北京科技大学学报 第35卷 10m 15kU×5.0005μm 图40,8Mo贝氏体化处理钢高温拉伸后的组织.(a)光学显微镜照片：(b)打描电子显微镜照片 Fig.4 Microstructures of 0.8Mo BA steel after high-temperature tensile test:(a)OM photo;(b)SEM image 性，使连续冷却转变(CCT)曲线中珠光体转变部分 上升趋势也较为缓慢.维岐龙[13]也表明，每增加 明显右移：但对过冷奥氏体分解为贝氏体的转变速 1%的Mo,其固溶强化增量仅为11MPa.这些都说 度影响甚小，对连续冷却转变曲线中贝氏体转变部 明Mo对Fe-Mo-C钢的室温强度影响较小，原是 分影响也很小.从而随着M0的增加，珠光体转变 室温(RT)时Mo的固溶强化主要以置换周溶强化 孕育期明显延长，转变速度明显减慢，而贝氏体转 方式进行，因此其对钢的强化作用是有限的 变孕育期相对较短，所以同样冷速下能得到更多的 450 贝氏体.此外，从图1和图3可见，在同一热处理条 BA 件下，各试样的铁素体晶粒尺寸相差较小，但贝氏 400 FA 体化处理钢中铁素体晶粒尺寸要小于铁素体化处理 ● 钢中铁素体晶粒尺寸.Chijiwa等2证实铁素体晶粒 BA 细化对耐火钢高温屈服强度的影响甚微.当铁素体 Ys、 ●FA 晶粒尺寸从18μm增加到49um时，耐火钢在600 250 ℃的屈服强度仅增加了2MPa.因此本研究中可以 不考虑铁素体晶粒尺寸对高温屈服强度的影响.可 20 .00.10.20.30.40.50.60.70.80.9 Mo质量分数/% 见，在M0含量一定的条件下，两种热处理条件下 图6Mo对FeMo-C钢室温强度的影啊 性能变化主要是由贝氏体体积分数变化引起的 Fig.6 Effect of Mo addition on the room temperature 30 strength of Fe-Mo-C steels 。贝氏体体积分数 一珠光体体积分数 2.3Mo对高温强度的影响 20 2.3.1Mo的高温固溶强化 Mo对FeMo-C钢高温屈服强度的影响如图 $15 7(a)所示，对耐火能性指标YS(600℃)/YS(RT)的 10 影响则如图7(b)所示，其中BA-FA为贝氏体化处 理钢减去铁素体化处理钢的强度养值，虚线为对实验 8000.10.20.30.40.50.60.70.80.9 数据的拟合线.随Mo质朵分数增加，屈服强度和 Mo质量分数/% YS(600℃)/YS(RT)都孕现快速增长趋势.一般认为 图5Mo对贝氏体化处理钢中贝氏体和珠光体体积分数的影响 Mo在铁素体中的固溶度比较大.Uemori等i4利用 Fig.5 Effects of Mo on the volume fractions of bainite and 原子探针场离子显微镜(AP-FIM)研究发现，0.5% pearlite in BA steels Mo耐火钢在600℃保温15min后绝大部分Mo 2.2Mo对室温强度的影响 以固溶的形式存在于铁素体中.内此，本文认为在 图6为Fe-Mo-C钢在两种热处理态下室温屈 高温拉伸时绝大部分Mo将固溶在铁素体里，Mo 服强度(YS)和抗拉强度(UTS)随Mo质量分数的 在主要组织为铁素体的铁素体化处理钢中主要高温 变化情况.可见贝氏体化处理钢的强度明显高于铁 强化机理为固溶强化：贝氏体化处理钢的主要组织 素体化处理钢的强度.此外，随着Mo质量分数的 为铁素体加贝氏体，则M0在贝氏体化处理钢中主 增加，室温屈服强度升高的幅度很小，而抗拉强度 要高温强化机理为固溶强化和贝氏体相变强化.从

3 2 8 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 图 , 贝氏体化处理钢 高温拉伸后的组织 光学显微镜照片 扫描电 显微镜照片 名 一 入 眼 上升趋势 也较为缓慢 雍岐龙 也表 明, 每增加 的 , 其固溶强化增 最仅为 这些都说 明 对 一 一 钢 的室温强度影响较小, 原因是 室温 时 的固溶强化 主要以置换固溶强化 方式进行, 因此其对钢的强化作用是有限的 卜人 泣芝二 二一 刀… 八几,︸月曰氏气勺﹄︺曰八 侧袭写川 性 , 使连续冷却转变 曲线中珠光体转变部分 明显右移 但对过冷奥氏体分解为贝氏体的转变速 度影响甚小, 对连续冷却转变曲线中贝氏体转变部 分影响也很小 从而随着 的增加 , 珠光体转变 孕育期明显延长 , 转变速度明显减慢 , 而贝氏体转 变孕育期相对较短, 所以同样冷速下能得到更多的 贝氏体 此外, 从 图 和图 可见, 在 同一热处理条 件下, 各试样的铁素体晶粒尺一寸相差较小, 但贝氏 体化处理钢 中铁素体晶粒尺寸要小于铁素体化处理 钢 中铁素体晶粒尺 寸 等 证实铁素体晶粒 细化对耐火钢高温屈服强度的影响甚微 当铁素体 晶粒尺寸从 卜 增加到 卜 时, 耐火钢在 ℃的屈服强度仅增加了 陈此本研究中可以 不考虑铁 素体 晶粒尺寸对高温屈服强度 的影响 可 见, 在 含量一定 的条件下 , 两种热处理条件下 性能变化主要是由贝氏体体积分数变化引起的 图 。质量分数 对 钢室温强度的影响 贝氏体体积分数 一, 一珠光体体积分数 后 十万犷诀而 了益万六币片几言斌 质量分数 图 。对贝氏体化处理钢中贝氏体和珠光体体积分数的影响 对室温强度的影响 图 为 一 一 钢在两种热处理态下室温 屈 服强度 和抗拉强度 随 质量分数的 变化情况 可见 贝氏体化处理钢 的强度 明显高 几铁 素体化处理钢的强度 此外, 随着 质量分数的 增加, 室温屈服强度升高的幅度很小, 而抗拉强度 对高温强度的影响 。的高温固溶强化 对 一 一 钢高温屈服强度 的影响如图 所示 , 对耐火能性指标 ℃ 的 影响则如图 所示 , 其中 一 为贝氏体化处 理钢减去铁素体化处理钢的强度差值 , 虚线为对实验 数据 的拟合线 随 。质 呈分数增加, 屈服强度和 ℃ 都呈现快速增 长趋势 一般认为 在铁素体 中的固溶度 比较 大 等 利用 原子探针场离子显微镜 一 研究发现 , 耐 火钢在 ℃保温 后绝大部分 以固溶的形式存在 于铁索体中 因此 , 木文认为在 高温拉伸时绝大部分 将固溶在铁素体里 , 在主要组织为铁素体的铁素体化处理钢 中主要高温 强化机理为固溶强化 贝氏体化处理钢的主要组织 为铁素体加贝氏体, 则 。在 贝氏体化处理钢中主 要高温强化机理为固溶强化和 贝氏体相变强化 从 二,一日匕一曰︸ 慕尔耸彩享

第3期 万荣春等：Mo对耐火钢高温屈服强度的影响 ,329· 图7可见：铁素体化处理钢中，当M0质量分数 加，从削弱Mo的固溶强化效果，进使铁素体 ≤0.5%时，随Mo含承增加，屈服强度和YS(600℃)/ 化处理钢的高温强度增加幅度逐渐减小.虽然Mo YS(RT)都保特快速增长趋势，Mo的高温固溶强化 含量越高耐火钢的高温强度也越高，但超过0.5%后 作用明显：但M0质量分数>0.5%以斤，高温强度 其强化效果会相对减弱，更重要的是YS(600℃)/ 增长幅度都有所减小，特别是YS(600℃)/YS(T) YS(RT)几乎不再增K,这样再增加Mo含势必 几乎没有增长，Mo的高温固溶强化作用相对减缓. 造成相对浪费.这也是Chijiwa等2认为Q345级别 Mo质量分数>0.5%以后，钢中有微量Mo的析 耐火钢(YS(RT)≥345MPa,YS(600℃≥230MPa) 出相出现2，这样在铁素体中Mo固溶量将不再增 合理的Mo质量分数在0.5%左右的原内. 240m 750 0.8 50 (a) BA (b) BA 200 40 三0.6叶 40 +FA ◆◆FA 30 120 Y(600℃)=137.1wo+58.61 ⊙0g BA 20 80 BA-FA BA-FA 40 10 02 0.0 0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.9 0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.9 Mo质量分数/% Mo质量分数/% 图TMo对FeMo-C钢高温强度的影响.(a)YS;(b)YS(600℃)/YS(RT) Fig.7 Effect of Mo addition on the strength of Fe-Mo-C steels at 600 C:(a)YS;(b)YS(600 C)/YS(RT) 2.3.2Mo的高温贝氏体相变强化 元尺约为0.2m,亚.单元内有更细小(20nm左 如前所述，高温拉伸时绝大部分Mo将固溶在 右)的亚块存在，而且有碳化物弥散分布在铁素体 铁素体里，且贝氏体化处理钢中贝氏体只占少部分， 条或亚条边界或分布在亚块边界1④.此外，在高温 则Mo的贝氏体相变强化对高温强度的影响则可以 拉伸前后实验钢的组织几乎没行变化，说明贝氏体 通过贝氏体化处理钢的强度减去铁素体化处理钢的 能保证高温下组织结构的相对稳定.这样的织使 强度近似得到.如图7所示，两种热处理钢的屈服 得贝氏体化处理钢的高温强度高于铁素体化处理. 强度差和YS(600℃)/YS(RT)差的增长趋势与贝氏 随贝氏体体积分数的增加，贝氏体包用在铁素体周 体体积分数的增长趋势基本一致.在贝氏体体积分 用形成如图1(d)中所标示出的复合结构，利用贝 数达到10%(0.4Mo钢)和20%(0.7Mo钢)时，屈服强 氏体/铁素体界面强化，阻碍位错在铁素体晶内滑 度差均出现快速增长.特别在0.7Mo钢屈服强度差 移，强化复合结构中铁素体，从而提高钢的高温强 的增幅快速加大，达到36.2MPa.同样，YS(600℃)/ 度.同时，组织中贝氏体体积分数越高，这种复合强 YS(RT)从0.4%Mo开始出现差值，之后养值逐渐 化结构越多，耐火钢的高温强度也越高，当贝氏体 增大，到0.7%Mo时差值出现快速增长，增幅达到 体积分数达到20%时耐火钢的高温强度显著增加. 0.113.这表明由Mo引起贝氏体相变强化对耐火钢 当然，贝氏体相变强化作用也行一定极限（如图7 高温强度也有重要的影响，而且贝氏体体积分数达 所示)，0.8%Mo的贝氏体化处理钢中贝氏体体积分 到20%时对高温强度提升明显.另外，需要指出的 数超过20%后，其强化效柴又相对减缓.此外，当贝 是，如果按照耐火能力YS(600℃)/YS(RT)≥2/3以 氏体体积分数超过50%后，纽织中基体相由铁素体 上判断，只有Mo质量分数达到0.7%以上时贝氏体 转变成贝氏体，钢的塑性也会明显下降.因此，确 化处理钢才能满足要求（见图7(b).作为研究Mo 定贝氏体体积分数斋要多方面的考虑 的强化机理的简化耐火钢化学成分的Fe-Mo-C三 2.3.3Mo的主要高温强化机理 元模型钢，其强度必然低于相同M0含量的普通耐 从图7中可以发现：Mo质量分数从01%到 火钢.在普通耐火钢设计中还会添加Mn、Si、Cr等 0.8%,铁素体化处理钢的屈服强度增量为89.6 常用合金元素，从而使耐火钢的强度和YS(600℃)/ MPa,YS(600℃)/YS(RT)增量为0.294：ii两种热 YS(RT)得到保证 处理钢的屈服强度差的增为44.5MPa,YS(600℃)/ 贝氏体通常由细小的亚单元或亚块组成，亚单 YS(RT)差值的增为0.129.铁素体化处理钢的高

第 期 万荣春等 对耐火钢高温屈服强度的影响 · · 图 可见 铁素体化处理钢 中, 当 质 量分数 毛 时, 随 含最增加, 屈服强度和 ℃ 都保持快速增长趋势, 。的高温固溶强化 作用 明显 但 。质量分数 以后, 高温强度 增长幅度都有所减 小, 特别是 ℃ 几乎没有增 长, 的高温固溶强化作用相对减缓 质量分数 以后 , 钢 中有微量 的析 出相 出现 , 这样在铁素体中 固溶量将不再增 加, 从 削弱 的固溶强化效果, 进 使铁素体 化处理钢的高温强度增加幅度逐渐减小 虽然 含量越高耐火钢的高温强度也越高, 但超过 后 其强化效果会相对减弱, 更重要的是 ℃ 几乎不再增 长, 这样再增加 含 录势必 造成相对浪费 这也是 等 认为 级别 耐火钢 , 合理 的 质 录分数在 左右的原因 任勺自 ︸长挂象出余彩以李 卜护巴︵比︶吕﹄ 过长粼佘彩出以享 侧燃墨因艺阅 ` ` 二 一司` 滩 , 习 质量分数 , , 石 质量分数 盛 占 习 一 图 对 件 钢窃温强度的影响 ℃ · ℃ ℃ 的高温 贝氏体相变强化 如前所述 , 高温拉伸时绝大部分 将固溶在 铁素体里 , 且 贝氏体化处理钢中贝氏体只占少部分, 则 的贝氏体相变强化对高温强度的影响则可以 通过 贝氏体化处理钢的强度减去铁素体化处理钢 的 强度近似得到 如 图 所示, 两种热处理钢的屈服 强度差和 ℃ 差的增 长趋势一与贝氏 体体积分数的增长趋势基本一致 在贝氏体体积分 数达到 钢 和 钢 时, 屈服强 度差均 出现快速增长 特别在 钢屈服强度差 的增幅快速加大 , 达到 同样 , ℃ 从 。开始 出现差值 , 之后 差值逐渐 增大, 到 时差值 出现快速增长, 增幅达到 这表明 由 引起贝氏体相变强化对耐火钢 高温强度 也有重要的影响, 而且贝氏体体积分数达 到 时对高温强度提升明显 另外 , 需要指出的 是, 如果按照耐火能力 ℃ 以 上判断, 只有 质量分数达到 以上 时贝氏体 化处理钢才能满足要求 见图 作为研究 的强化机理的简化耐火钢化学成分的 一 一 二 元模型钢, 其强度必然低一于相同 含量的普通耐 火钢 在普通耐火钢设计中还会添加 、 、 等 常用合金元素, 从而使耐火钢的强度和 ℃ 得到保证 贝氏体通常由细小的亚单元或亚块组成, 亚单 儿尺 寸约为 拼 , 亚单儿 内有更细小 左 右 的亚块存在, 且有碳化物弥散分布在铁素体 条或亚条边界或分布在亚块边界 此外, 在高温 拉伸前后实验钢的组织几乎没有变化, 说 明贝氏体 能保证高温下组织结构的相对稳定 这样的组织使 得 贝氏体化处理钢 的高温强度高于铁素体化处理 随贝氏体体积分数的增加 , 贝氏体包围在铁素体周 围形成如图 中所标示 出的复合结构, 利用贝 氏体 铁素体界面强化 , 阻碍位错在铁素体晶 内滑 移 , 强化复合结构 中铁素体, 从 而提高钢 的高温 强 度 同时, 组织中贝氏体体积分数越高, 这种 复合强 化结构越 多, 耐火钢的高温强度也越高, 当贝氏体 体积分数达到 时耐 火钢的高温强度显著增加 当然 , 贝氏体相变强化作用也有一定极限 如图 所示 , 的 贝氏体化处理钢中贝氏体体积分 数超过 后 , 其强化效果又相对减缓 此外 , 当贝 氏体体积分数超过 后, 组织中基体相 由铁素体 转变成 贝氏体, 钢的塑性也会明显下降 因此 , 确 定贝氏体体积分数需要多方面的考虑 的主 要高温强化机理 从图 中可以发现 质 量分数从 到 , 铁素 体化处理 钢 的屈服 强度 增量 为 , 增量为 一两种热 处理钢的屈服强度差的增呈为 , ℃ 差值的增 录为 , 铁素体化处理钢的高

.330 北京科技大学学报 第35卷 温强度增量明显大两种热处理钢高温强度差值增 时为了更好地保证耐火钢的高温强度，可以在耐火 量，表明M0的固溶强化对高温强度的影响明显大 钢中适当的添加微量（质承分数0.5%后， 固溶强化和贝氏体相变强化作用减弱.因此，为了 高温强度增幅逐渐减小. 控制耐火钢的成本，设计低成本低Mo(<0.3%)或 (3)贝氏体相变强化对耐火钢的高温强度有重 无Mo耐火钢时，可以通过控轧控冷工艺来增加 要影响.高温强度随肴贝氏体体积分数增加心逐渐 组织中贝氏体体积分数，增强贝氏体相变强化，弥 增加，当贝氏体体积分数达到20%时耐火钢的高温 补损失的固溶强化，保证耐火钢的高流强度：但贝 强度显茗增加. 氏体相变强化作用有一定极限，不能完全替代作为 Mo主要高温强化机理的固溶强化.所以在设计超 参考文献 低Mo或无Mo耐火钢时，还可以通过成本相对较 低的微合金元素Nb、V和Ti的析出强化替代Mo [1]Fushimi M,Keira K,Chikaraishi H.Development of fire 的固溶强化米直接增强铁素体基体的高温强度，从 resistant steel frame building structures.Nippon Steel 而保证耐火钢的高温强度. Tech Rep,1995,66:29 Mo的固溶强化方式是置换固溶强化，其固溶 2 Chijiwa R,Tamehiro H,Yoshida Y,et al.Development 强化的强度增量与Mo的质承分数成正比13到.通过 and practical application of fire-resistant steel for build- ings.Nippon Steel Tech Rep,1993,58:48 对实验数据的拟合（图7(a)虚线），可以得到600℃ [3]Mizutani Y,Ishibashi K,Yoshii K,et al.590MPa class 时Mo质录分数从0.1%到0.5%的固溶强化公式： fire-resistant steel for building structural use.Nippon Steel Tech Rep,2004,90:45 YS(600℃)=137.1uMo+58.61,MPa. (1) [4 Uemori R,Chijiiwa R,Tamehiro H,et al.AP-FIM study 其中，Mo为Mo的质量分数.从式(1)中可见，即 on the effect of Mo addition on microstructure in Ti-Nb steel.Appl Surf Sci,1994,76/77:255 每添加质量分数0.1%的Mo,高温屈服强度增承为 [5 Sha W,Kirby B R,Kelly F S.The behaviour of struc- 13.71MPa. tural steels at elevated temperatures and the design of fire 根据式(1)减少质量分数0.2%的Mo,高温周 resistant steel.Mater Trans,2001,42:1913 溶强化的屈服强度增量降低27.4MPa,f而如图7(a) 6]Sha W,Kelly F S,Guo Z X.Microstructure and proper- 所示体积分数为10%的贝氏体（参照0,4Mo钢）可 ties of nippon fire-resistant steels.J Mater Eng Perform, 以提高高温屈服强度35.3MPa,两项正好相抵.同 1999,8(5):606

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 温强度增量明显大一几两种热处理钢高温强度差值增 量 , 表 明 的固溶强化对高温强度 的影响明显大 于 的贝氏体相变强化, 固溶 强化为 在耐火 钢中的主要高温强化机理 通过 固溶强化直接强化铁素体基体, 实现 对铁素体化处理钢的高温屈服强度的提高 贝氏 体相变强化 是通过 贝氏体 铁素体复合强化结构的 界面 强化间接强化铁素体基体的 的固溶强化 是直接和主要强化机理, 贝氏体相变强化是间接和 次之的强化机理 因此 , 利用 贝氏体相变强化不能 完全替代 的固溶强化 , 只能替代部分 等 尽管通过控制终轧温度使 耐火钢 的 室温 屈服强度达到 , 但 却低于 这说 明当耐火钢的 含量很低或无 时, 不仅要利用 贝氏体相变强化等手段 , 还需 要寻找方法替代 。的固溶强化 , 直接强化铁素体 基体, 保证耐火钢的高温屈服强度 低成本低 和无 耐火钢的设计 综上所述, 可知固溶强化为 在耐火钢 中的 主要高温强化机理 , 而贝氏体相变强化对耐火钢 的 高温强度有重要影响 含量 降低 , 必然使 的 固溶强化和 贝氏体相变强化作用减弱 因此 , 为了 控制耐火钢 的成木 , 设计低成本低 或 无 耐火钢 时, 可以通过控 轧控冷 艺来增 加 组织 中贝氏体体积分数, 增强 贝氏体相变强化 , 弥 补损失的固溶强化 , 保证耐火钢的高温强度 但 贝 氏体相变强化作用有一定极 限, 不能完全替代作为 主要高温强化机理的固溶强化 所以在设计超 低 或无 耐火钢 时, 还可以通过成本相对较 低 的微合金儿素 、 和 的析出强化替代 的固溶强化来直接增强铁素体基体的高温强度 , 从 而保证耐火钢 的高温强度 的固溶强化方式是置换固溶强化, 其固溶 强化的强度增量与 的质最分数成正比 通过 对实验数据的拟合 图 虚线 , 可以得到 ℃ 时 质量分数从 到 的固溶强化公式 时为了更好地保证耐火钢的高温强度 , 可 以在耐火 钢中适当的添加微 最 质量分数 的微合金 元素 、 和 由此 , 根据 该思想成功设计 了 一种 级别低成本低 。 微合金化 耐火钢 低 耐火钢组织为铁素体 珠 光体 贝氏体 贝氏体体积分数为 , 并有着低 的屈强比 , 优异的高温强度 和优 良的耐火性能 肛 `“ 上述结果很好地给 出了一个思路, 即通过控轧 控冷技术调整贝氏体体积分数, 并配合 、 和 微合金化处理, 可以制备 出不同强度级别的低成木 低 或无 耐火钢 进一步的研究在后续工作 中进行 结论 一可以显著提高耐火钢高温强度 , 但对室 温强度的提 高不明显 。在耐火钢中的主要高温强化机理为固溶 强化 当 质量分数 毛 时, 高温 固溶强化效果 明显, ℃时每添加质量分数 的 , 屈服强 度增量为 但 当 质母分数 后, 高温强度增幅逐渐减小 贝氏体相变强化对 耐火钢的高温强度有重 要影响 高温强度随着 贝氏体体积分数增加 ' 逐渐 增加, 当贝氏体体积分数达到 时耐火钢的高温 强度显著增加 参 考 文 献 二 。 , 其中, 二 。为 的质量分数 从式 中可见, 即 每添加质量分数 的 , 高温屈服强度增 最为 根据式 减少质量分数 的 , 高温固 溶强化的屈服强度增 呈降低 , 如图 所示体积分数为 的贝氏体 参照 。钢 可 以提高高温屈服强度 , 两项止好相抵 同 , , · 从 亡 , , , , , · 甲 几 亡 , , 【」 , , , · 乞 几 决 , , , , , · 一 一 尹尹 、 , , 【 , , 材 乍 几 , , 〕 , , 二 二 , ,

第3期 万荣春等：Mo对耐火钢高温屈服强度的影响 ·331· 7]Wang X F,Luo L,Yang Y W.The first application of fire- University,2009 resistant and weather-resistant steel WGJ510C2 in struc- (蔡明晖。高延伸凸缘型铁素体/贝氏体钢的组织演变及力 tures.Struct Eng,2002,4:11 学行为[学位论文.沈阳：东北大学，2009) (上笑峰，罗烈，杨迎文.耐火耐候钢WGJ510C2在结构丁 [12]Honeycombe R W K.Steels:Microstructure and Proper. 程中的首次成用.结构T程师，2002,4：11) ties.London:Arnold,1981 [8]Sakumoto Y.Research on new fire-protection materials [13]Yong Q L.Secondary Phases in Steels.Beijing:Metallur- and fire-safe design.J Struct Eng,1999,125:1415 gical Industry Press,2006 [9]Chen J,Pan F S,Zuo R L,et al.Effect of Mo on mi- (雍岐龙.钢铁材料中的第二相.北京：冶金工业出版社， crostructure and property of fire-resistant steel.Iron Steel 2006) Vanadium Titanium,2007,28:24 [14]Furuhara T,Howe J M,Aaronsom H I.Interphase bound- (陈杰，潘复生，左汝林，等.Mo对耐火钢组织性能的影响 ary structures of intragranular proeutectoid a plates in a 钢铁钒钛，2007,28：24) hypoeutectoid Ti-Cr alloy.Acta Metall,1991,39:2873 10]Sha W,Kelly FS.Atom probe field ion microscopy study (15]Calado W R,Castro C S B,Dos Santos,et al.Effects of commercial and experimental structural steels with fire of dynamic strain aging on high temperature mechanical resistant microstructures.Mater Sci Technol,2004,20: proprieties for a structural steel containing Mo and Nb 449 IS1JInt,2008,481:1592 11]Cai M H.Microstructural Evolution and Mechanical [16]Wan R C,Sun F,Zhang L T,et al.Study on microstruc- Behavior of Ferrite/Bainite Steels with High Stretch- ture and properties of low-Mo fire-resistant steel.Adv Flangeability [Dissertation].Shenyang:Northeastern Mater Res,,2011,168-170:1792

第 期 万荣春等 。对耐火钢高温屈服强度的影响 · · 【』 【』 」 【 」 , , 已 、 一 、 几 , , 上笑峰, 罗烈, 杨迎文 耐火耐候钢 在结构丁 程中的泞次应用 结构工程师, , 一 邝 亡 几 , , , , , 。几 亡 几 乞牡 几 亡 几乞, 爪 , , 陈杰, 潘复生, 左汝林, 等 对耐火钢组织性能的影响 钢铁钒钦, , , , 人五 ￡几 几 , , 乞阳 汽 包 钊 牡 几 儿 几乞 乞。￡亡。 二乞 爪夕 , 。夕 乙乞“ 夕 【 」 叮 【 】 【 【 」 【 , 蔡明晖 高延伸凸缘型铁素体 贝氏体钢的组织演变及力 学行为 【学位论文」沈阳 东北大学, 亡 城 叩 几 尤 陀 卜 乞 ` , 几 印 乞。及 , 雍岐龙 钢铁材料中的第二相 北京 冶金工业出版社, , , 一 , , , , 毗 , 了 刀 玩 , , , , , 一 面 云 ,