460 MPa级QST型H型钢的厚度方向微观结构及力学性能演变：应用于抗震和防火工程

《Journal of Materials Research and Technology》：Through-thickness Microstructure and Mechanical Property Evolution of a 460 MPa-Grade QST H-Section Steel for Seismic and Fire-Resistant Applications

本研究通过QST工艺制备了460MPa级H型钢，系统研究其横截面显微组织与力学性能分布规律，发现表面形成高强tempered martensite，内部为M/A相和degenerated pearlite混合物，热循环后M/A相分解，cementite球化，影响材料性能。该研究为兼顾抗震和耐火性能的H型钢设计提供了指导。

　　本研究探讨了一种用于抗震和防火的460 MPa级H型钢的纵向微结构演变及其机械性能变化。H型钢因其优异的承载能力和广泛应用，在现代建筑中扮演着重要角色，尤其是在高层建筑和大跨度结构中，其在极端条件下的稳定性至关重要。随着对高性能结构钢需求的增加，开发一种能够在地震和火灾条件下同时满足要求的H型钢成为提高现代基础设施安全性的关键。传统的淬火和回火（Q&T）工艺在制造厚截面钢材时往往需要较高的合金含量，以确保材料的淬透性和强度，但这也导致了较低的延展性，影响了抗震性能。相比之下，淬火和自回火（QST）工艺通过快速表面淬火形成高强度的马氏体层，同时利用核心的残余热量进行自回火，从而减少合金元素的添加量，降低屈服比，并提高纵向性能的均匀性。

QST工艺自1990年代引入H型钢生产以来，已成为一种高效的制造方法，相比传统热处理工艺，其优势在于提高了焊接性和韧性，同时减少了纵向性能的波动。在该工艺中，H型钢的翼缘表面被迅速喷水冷却，随后利用核心的残余热量进行自回火，形成具有高表面强度、韧性核心和良好高温软化抗性的微结构。这种工艺不仅减少了额外的回火步骤，还提高了能源效率，降低了碳排放。研究中使用的H型钢具有24 mm厚的翼缘，其目标性能包括屈服强度（YS）高于460 MPa、抗拉强度（UTS）高于570 MPa、屈服比（YR）低于0.75，以及在600°C时屈服强度仍高于308 MPa，符合抗震和防火的应用要求。

为了确保H型钢在不同区域的性能一致性，本研究通过分析翼缘厚度方向的微结构和机械性能，评估了其在实际应用中的可靠性。在制造过程中，钢水通过电弧炉熔炼，并在钢包炉和真空脱气后达到目标合金成分。随后，钢锭被铸造并热轧成具有300 mm翼缘宽度、700 mm腹板高度、24 mm翼缘厚度和13 mm腹板厚度的H型钢。热轧后，H型钢进行了QST处理，其中加热温度为1230°C，最终轧制和自回火温度分别为760°C和660°C。在QST过程中，水仅被喷洒在翼缘表面，以实现快速冷却，形成硬化微结构。

为了研究纵向微结构和机械性能的变化，本研究采用了来自翼缘宽度四分之一位置的试样，该位置根据韩国标准KS D 3503推荐，以提供具有代表性的整体性能数据，同时避免极端表面或中间层效应。微结构观察采用了扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM），而纳米压痕和拉伸测试则用于评估局部和整体的机械性能。通过这些方法，研究人员能够量化不同微结构成分在纵向上的分布，并进一步分析其对性能的影响。

在拉伸测试中，从翼缘厚度方向的五个位置提取了微型试样，并在室温下测试其力学性能。测试结果显示，表面试样（位置#1）由于其由回火马氏体主导，表现出最高的强度，但延展性较差。相比之下，内部试样（位置#2–#5）由于含有马氏体-奥氏体（M/A）成分和退化珠光体（DP），其强度较低，但延展性和应变硬化指数（n值）较高。这些结果反映了微结构在纵向上的变化，以及其对材料性能的直接影响。此外，通过SEM断口分析，研究人员观察到表面试样表现出混合断裂模式，而内部试样则呈现出典型的韧性断裂特征，如锥形形貌和微孔合并。

为了评估热稳定性，试样经历了两次600°C的热循环。该温度是火灾抵抗钢标准中常用的参考温度，通常要求钢材在该温度下保持至少其室温屈服强度的三分之二。在热循环后，表面和内部的微结构均发生了变化，包括回火马氏体中的渗碳体球化和DP区域的渗碳体形成。这些变化表明，随着热暴露，M/A成分分解为铁素体和渗碳体，而渗碳体的球化则有助于提高高温下的强度。然而，整体抗拉强度下降，屈服比增加，这反映了微结构和性能在火灾后的变化。

研究还通过纳米压痕技术对不同微结构成分的硬度和弹性模量进行了定量分析。结果表明，M/A成分的硬度最高，DP次之，而铁素体硬度最低。这种硬度差异与微结构的组成和局部碳分布密切相关。此外，采用高斯混合模型（GMM）和偏态正态分布拟合对纳米压痕数据进行分类，以揭示纵向上的性能变化。研究发现，表面区域的微结构在热循环后仍保持一定的均匀性，而内部区域的M/A成分则完全分解，形成了更均匀的DP微结构。

综合来看，本研究揭示了QST处理的H型钢在纵向上的微结构和性能演变规律，为设计兼具抗震和防火性能的厚截面H型钢提供了重要的指导。通过系统分析微结构与性能之间的关系，研究强调了QST工艺在平衡地震延展性和火灾强度保留方面的创新性。此外，研究还指出，未来的进一步研究应集中在直接的微观结构表征上，以确认渗碳体的形成及其在火灾后对机械性能的具体影响。这些发现不仅有助于理解QST工艺的微观机制，也为相关领域的材料设计和应用提供了理论依据和实践指导。