先进高强度冷成型QP钢合金的火灾后力学性能及其本构模型

《Journal of Constructional Steel Research》：Post-fire mechanical properties and constitutive model of advanced high-strength cold-formed QP steel alloys

　　摘要
本研究针对第三代先进高强度淬火和分配（Q&P）钢的火灾后机械性能进行了实验和分析研究。这类钢材具有多相微观结构，并保留了奥氏体，从而在强度和延展性之间实现了良好的平衡。研究人员系统地测试了QP980和QP1180钢材在两种冷却条件（自然空气冷却和水淬火）下的残余机械性能以及应力-应变行为，测试温度范围从室温到900°C。结果表明，弹性模量基本不受热处理的影响。相比之下，屈服强度和极限强度随温度的变化呈现非单调性：在300–400°C时发生初始硬化，在500–700°C时显著下降，而在800°C之后强度有所恢复。值得注意的是，水淬火样品在900°C时表现出明显的强度回升，其强度值超过了室温水平。基于实验数据，研究者提出了描述关键机械性能残余保留因素的预测方程。此外，还采用了两种本构应力-应变模型来模拟不同温度下的不同屈服行为。这些预测方程和校准后的本构模型能够准确预测火灾后的机械响应，为冷成型QP钢结构基于性能的防火设计提供了可靠的基础。

引言
高强度结构钢（HSS），通常定义为名义屈服强度达到460 MPa或以上，由于其较高的承载能力和材料效率，已成功应用于各种大型结构中，包括高层建筑、大跨度体育场和海上平台[1][2][3]。从制造角度来看，HSS可分为热轧型和冷成型型。冷成型型由于具有优异的强度重量比、易于加工以及适用于轻型结构系统的特点，在现代建筑中越来越受欢迎。
先进高强度钢（AHSS）通过精心控制的合金化和热处理工艺，显著提升了冷成型钢结构的性能潜力[4]。AHSS代表了一代新型高性能钢材，其多相微观结构经过精心设计，增强了强度、延展性和可成形性[4]。与传统钢材不同，AHSS通常包含铁素体、珠光体和渗碳体之外的其他相，如马氏体、贝氏体和保留奥氏体，这些相通过多种强化机制提升了钢材的性能。AHSS涵盖了广泛的钢等级，其名义屈服强度可达1250 MPa，极限强度可达1900 MPa。第一代和第二代AHSS主要通过多相效应和变形诱导强化机制提高了性能，而第三代AHSS则致力于实现超高强度、延展性和可制造性的平衡。其中，淬火和分配（Q&P）钢因其含有亚稳态保留奥氏体的马氏体基体而表现出优异的强度-延展性平衡[5][6]。在变形过程中，保留奥氏体会通过变形诱导塑性（TRIP）效应逐渐转变为马氏体，从而增强应变硬化能力、延缓局部变形并提高延展性。这些特性使Q&P钢在土木工程中的轻型冷成型结构应用中具有巨大潜力[7][8][9][10]。然而，Q&P钢的亚稳态多相微观结构对热处理和冷却历史非常敏感，这可能导致火灾后的复杂微观结构演变和性能下降。它们的火灾后机械行为可能与传统冷成型钢和早期AHSS有显著差异[11][12][13]。
关于冷成型钢的火灾后机械性能已有大量研究，重点关注强度降解和残余变形能力。表1总结了相关实验研究结果。现有研究表明，弹性模量在火灾后相对稳定，而强度性能在高温下会显著下降。对于传统冷成型钢，先前研究一致指出强度降解通常在300–700°C之间开始，并在500–700°C后变得明显[14]。例如，Gunalan和Mahendran[15]报告称G300–G550钢的屈服强度和极限强度在300°C以上显著降低，高强度等级的钢材下降更为严重。Kesawan和Mahendran[16]观察到的G350和G450钢在500–600°C时的屈服强度损失分别为12–20%，Chen等人[17]发现G550钢的降解更为显著和快速。此外，多项研究还强调了冷却条件和制造工艺的影响。Li和Young[18]指出高强度冷成型钢（700–900 MPa）在800°C以上弹性模量仅略有下降，而Singh和Singh[19]以及Ren等人[20]发现火灾后性能受冷却方式影响较大，尤其是延展性方面。最近的研究重点转向了先进高强度钢（AHSS）。Yan等人[8]研究了双相（DP）和马氏体（MS）钢的火灾后行为，发现其强度降解比传统钢更为明显。Zhang等人[21]进一步观察到DP500钢在700–900°C温度范围内表现出强度恢复现象。尽管关于传统和先进高强度钢的研究越来越多，但针对第三代AHSS的火灾后机械行为的研究仍非常有限，特别是含有亚稳态保留奥氏体的淬火和分配（Q&P）钢，其独特的相变特性尚未在火灾后条件下得到系统研究。因此，全面了解它们的残余机械性能对于未来高性能冷成型钢结构的防火设计和火灾后评估至关重要。
目前，冷成型高强度钢的火灾后本构模型也尚未充分发展。现有的设计规范（如Eurocode 3[23]和AISI S100[24]）提供了高温下的本构关系，但未涵盖火灾后阶段。尽管有几种火灾后模型被提出，但其适用性尚不明确。Tao等人[25]为普通强度钢提出了分段火灾后应力-应变模型，但参数是基于屈服强度低于800 MPa的钢材校准的。Gunalan和Mahendran[15]为冷成型钢开发了Ramberg-Osgood型火灾后模型，主要适用于G300、G500、G550等传统冷成型钢。Li和Young[18]为700–900 MPa冷成型高强度钢提供了保留因子公式，但未包含完整的本构曲线。Yan等人[8]使用AISI三参数方程[24]拟合了先进高强度DP和MS钢的火灾后保留因子，Xia等人[26]和Zhang等人[21]提出了火灾后AHSS的本构模型。尽管已有这些努力，现有模型主要存在两个局限：(i) 它们主要是为传统或低强度钢开发的，不直接适用于先进高强度钢；(ii) 它们通常只关注强度保留因子，未能提供能够捕捉不同火灾后变形行为的统一应力-应变公式。为填补这些空白，本研究系统研究了两种QP钢（QP980和QP1180）的火灾后机械性能，测试温度范围从室温到900°C，包括自然空气冷却和水淬火条件。研究了应力-应变响应及弹性模量、屈服强度、极限强度和断裂伸长率等关键机械性能的变化。基于实验结果，量化了温度依赖的保留因子，并提出了预测方程以描述不同热处理和冷却条件下的演变规律。此外，采用了两种本构应力-应变模型来模拟不同温度下的不同屈服行为，从而准确预测火灾后的机械响应。

实验框架
为了评估冷成型QP钢的火灾后机械性能，本研究开发了包括自然空气冷却和水淬火条件在内的实验程序。测试旨在量化这些钢材在代表性火灾条件下的性能降解和潜在恢复情况。本研究采用的整体方法框架如图1所示。

宏观形态和表面特征
图8和图9展示了QP980和QP1180钢在不同热处理和冷却条件下的宏观表面演变。在500°C以下，试样表面相对平滑，但随着温度升高逐渐出现变色。大约在300°C时，表面呈现蓝橙色，这可能与薄氧化膜的形成有关[21][29]。在400–500°C时，表面逐渐变为灰色或棕色。

火灾后机械性能的预测模型
前几节中的比较结果表明，QP钢的火灾后机械响应受初始强度等级、冷却条件和热处理历史的显著影响。然而，现有预测模型主要是针对传统或早期高强度冷成型钢开发的，因此无法准确描述QP钢的独特演变特征。因此，本研究采用了作者之前开发的两种本构模型[26]来表示不同类型的应力-应变响应。第一个模型（模型1，图7(a)）适用于具有连续屈服行为的应力-应变曲线。

结论
本研究对不同冷却条件（包括自然空气冷却和水淬火）下先进高强度冷成型QP980和QP1180钢的火灾后机械性能进行了实验研究。系统地描述了应力-应变响应及关键机械性能的温度依赖性演变。基于实验数据，开发了火灾后材料性能的预测方程，并建立了统一的应力-应变模型。

作者贡献声明
Xia Yan：撰写——原始草案，监督，方法论，资金获取，概念构思。
Qi Zhao：撰写——审稿与编辑，验证，调查，形式分析。
Yu Xia：撰写——审稿与编辑，方法论。
Enyi Zheng：资源协调，调查。
Binhui Jiang：撰写——审稿与编辑，监督，资源协调，概念构思。

利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢
感谢湖南省自然科学基金（2026JJ60460）的财政支持。本文中的任何观点、发现、结论或建议仅代表作者本人，并不一定反映赞助者或其他参与者的意见。