二氧化碳冷却条件下热处理温度对Q690结构高强钢力学性能的影响规律研究

摘要：此篇文章模拟了高强度结构钢在火灾作用下的冷却方式，并从Q690的断口形状、力学性能参数变化和微观组织等方面分析了模拟火灾温度因素对Q690高强度结构钢力学性能的影响，并结合断口特征、微观组织变化等因素进行了研究研究加热-保温-二氧化碳冷却的热处理方式对结构高强钢的性能的影响规律，为灾后结构高强钢合理使用提供实验依据。试验选用Q690结构高强钢试件20份，分为对照组和加热温度300、500、600、700和800共五组，每组四份，对Q690结构高强钢以固定速率加热到300-800度-保温20分钟-二氧化碳冷到室温，对Q690结构高强钢的弹性模量、屈服应力、屈服平台、断裂强度的影响规律。关键词：Q690、热处理工艺、力学性能

EffectofheattreatmenttemperatureonthemechanicalpropertiesofQ690structuralhigh-strengthsteelundercarbondioxidecoolingconditionsAbstract:Thispapersimulatesthecoolingmethodofhigh-strengthstructuralsteelafterfire,analyzestheinfluenceofsimulatedfiretemperatureandcoolingmethodonthemechanicalpropertiesofQ690structuralhigh-strengthsteelfromthechangesoffracturemodeandmechanicalpropertyparameters,combinesthefracturecharacteristicsandchangesofmicroscopicchemicalcomposition,andstudiestheinfluencelawofheattreatmentmethodofheating-holding-CO2coolingonthepropertiesofstructuralhigh-strengthsteelafterthedisaster,soastoprovideareasonablebasisforthepost-disasterstructuralhigh-strengthsteelTheexperimentalbasiswasprovidedfortheuseofstructuralhigh-strengthsteelafterthedisaster.Thetestwasconductedon20Q690structuralhigh-strengthsteelspecimens,whichweredividedintofivegroupsoffoureach,includingcontrolgroupandheatingtemperaturesof300,500,600,700and800,andtheQ690structuralhigh-strengthsteelwasheatedto300-800degreesatafixedrate-heldfor20minutes-andcooledtoroomtemperaturebycarbondioxide.Thepatternsofeffectsonthemodulusofelasticity,yieldstress,yieldplateau,andfracturestrengthofQ690structuralhigh-strengthsteel.Keywords:Q690;Heattreatmentprocess;Mechanicalproperties;

1引言由于成本低廉、高强度、良韧性、自重轻、抗震性能优良、有助于减少钢构件的厚度和零件重量等特点，高强度钢结构被广泛用于高层建筑、大跨空间结构和大跨桥梁、机械工程和其他工程领域的主要结构形式。在中国标准GB/T1591-2018中，有8种高强度钢（包括Q355、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620和Q690高强度钢），这表明这些高强度钢的最低强度为355MPa。然而，在一些研究中，高强度钢也被归类为抗拉强度在460兆帕以上，而Q355结构钢被归类为低碳钢，作为典型的高强度钢，Q460和Q690高强度钢由于其优良的机械性能和成本效益，已被广泛用于不同的工程结构中，在现实生活中，Q690高强度钢被广泛用于高层建筑中。1.1论文研究背景及工程意义例如，北京国家体育场，也被称为"鸟巢"，是由400吨的Q460高强度钢建成的。就钢结构成分而言，最大的问题就是腐蚀、循环载荷和火灾，随着服务的进展，钢结构部件的强度面临着挑战。在2012年至2021年间，在我国地域内共发生了132.4万起居住场所火灾，造成11634人不幸遇难，6738人遭受伤害，经济损失高达77.7亿元，其中城镇火灾占比52.1%，这表明火灾事故已经成为影响我国的一个严重问题。据了解,2022年我国共发生火灾82.5万次，造成2053人遇难、2122人受伤，还直接造成财产损失71.6亿元，占国内生产总值（GDP）的比重为1.94%。我国城市和农村住宅建筑均存在着防火安全问题，而这一现象主要体现在高层公共建筑和高层建筑。但是，随着建筑物大型化、高层化以及复合化的发展，火灾的发生频率日益密集化、规模逐渐扩大，而火灾高温对高强度钢结构力学性能产生影响。随着时间的推移，高层建筑发生火灾的概率显著增加，尽管部分钢结构或构件在火灾后未出现明显的变形或破坏，但在经过评估或简单加固后，它们仍可持续使用，展现出其卓越的耐久性和稳定性。这是因为火灾使结构产生了热弹塑性损伤和应力松弛现象，从而使得材料内部产生大量裂纹，这些缺陷会进一步加剧材料的软化行为，最终导致其发生塑性变形甚至断裂。因此，对于火灾后钢结构或构件的承载能力变化情况进行精准评估，以深入探究钢材在火灾后的残余力学性能显得尤为迫切。本文模拟高强度结构钢火灾后的冷却方法，研究加热-保温-二氧化碳冷却的热处理方式对结构高强钢的性能的影响规律，为灾后结构高强钢合理使用提供实验依据。1.2国内外研究综述自“9·11”事件以来，全球范围内对各种钢材在高温环境下的力学特性进行了广泛而深入的研究，以期更好地了解其性能表现。随着现代工业技术的发展，人们对钢的耐热性能要求越来越高，从而使得对其高温力学性能的深入研究显得尤为重要。在此背景下，本文综览了近年来国际上对于钢铁材料在高温环境下的力学性能方面所取得的研究进展。目前，对于钢的高温后力学性能的研究和认识已经涵盖了多种类型，包括但不限于延展性钢、高强度钢、超高强度钢、冷弯型钢和不锈钢等，这些研究成果为相关领域的探索提供了基础；对于钢的变形行为与断裂机理，则主要集中于钢中夹杂物以及晶粒尺寸大小的影响。此外，还牵涉到钢铁材料的蠕变特性以及其他相关方面。为了获得可靠的实验数据，需要对样品进行有效的测试分析，而这也正是本论文所要探讨的内容。一种常见的研究方法是将样本置于不同的温度下进行热处理，接着利用空气或水将其降温至室温状态，以达到研究目的。通过对这两种实验手段的对比分析可知，使用水冷法能获得更加准确的结果。在这些方法中，风冷法和水冷法是最为常见的两种，它们被广泛应用于制冷领域。其中，风冷法是通过对高温试样施加恒定的力或压力来进行试验的一种方法。采用风冷法，将经过升温处理的样品置于周遭环境中，经过自然冷却后达到室温，以模拟火灾未及时扑灭的情形；在此方法中，样品被置于一个封闭的容器内，以确保其完整性。由于空气与材料接触时间短，因此对钢有较好的保护作用。通过采用水冷法，将经过加热的试样从高温炉中取出，并将其浸泡于水中，以模拟高效扑灭火灾的过程，从而实现对钢材的立即冷却。本文利用该实验装置及方法研究了不同冷却速度下的钢样性能变化规律。借助上述方法，我们成功研发出一种高效、便捷且精准的实验方案，可用于测定高温后钢材的力学性能。接着，进行了静态拉伸实验以获取样品的力学特性，并研究了温度和冷却方式对其力学性能的影响趋势。同时，我们还考察了热变形前后钢样的金相组织变化情况。此外，还研究了在室温条件下，试样所受冲击载荷对其性能的影响，并比较了其与常温条件下的表现是否存在差异。据研究发现，在高温环境中，钢材的力学性能会受到多种温度和冷却方式的显著影响，尤其是当加热温度超过特定的阈值时，这种影响变得更加明显。这是因为火灾使结构产生了热弹塑性损伤和应力松弛现象，从而使得材料内部产生大量裂纹，这些缺陷会进一步加剧材料的软化行为，最终导致其发生塑性变形甚至断裂。JinJiang[1-2]在国内对钢材高温后力学性能的研究中，对Q690CFD焊接试样和普通试样进行了高温和高温后力学性能变化规律的实验探究，以探究其力学特性的变化规律。对于国产高强钢Q690，李国强、朱泓杰[3-8]等学者探究了其力学性能参数，包括屈服强度、抗拉强度、弹性模量和延伸率等。随着现代工业技术的发展，人们对钢的耐热性能要求越来越高，从而使得对其高温力学性能的深入研究显得尤为重要。实验结果表明，随着冷却速度的加快，试样在低温环境中的拉伸性能逐渐降低，但其弯曲性能却不断提高。Q690高强钢加热温度低于500°C时，其力学性能与高温加热和冷却方式基本没有关系；在室温时，随退火时间延长，试样在自然冷过程中的拉伸性能逐渐降低。随着温度的升高，试样在自然冷却条件下的屈服强度和抗拉强度均表现出明显的衰减趋势,而伸长率则呈现出增强的趋势，尤其是在温度超过700°C的情况下；当钢水从结晶器内浸入到铸坯中，钢液的凝固过程受到了很大程度的限制，使得钢水的凝固速率加快，因此其力学性能也会有所改变。随着加热温度的升高，水冷式Q690高强钢的屈服强度和抗拉强度呈上升趋势，而其伸长率则呈现明显的降低趋势。屈力军[9-10]等人通过对Q420钢进行的恒载恒温实验数据分析得出：恒载恒温一定时间后，钢强度会低于恒温加载条件下的钢强度，恒温时间越长，两者差值越大。黄炳生[11-14]等人，试样先升温至400～900°C不同温度水平，采用风冷和水冷两种不同的方式，将温度降低至室温水平。并通过金相显微镜观察断口形貌，分析材料微观组织变化情况。接着，进行静态拉伸实验以获取样品的力学特性，包括应力-应变曲线、弹性模量、屈服强度、抗拉强度和伸长率等信息。并将测试结果与相同热处理工艺下普通低碳钢进行对比分析。在此基础上，探究了钢材在高温环境下的性能变化规律，着重研究了加热温度和冷却时间对其影响的因素。结果表明：加热温度低于500°C时，钢材高温条件下力学性能和温度和冷却方法基本一致。当钢处于常温或接近于常温下，其力学性能随升温速度增加而减小。当试样进行水冷时，其屈服强度与伸长率均呈上升趋势，但两者变化趋势并不完全一致。相反，在此温度区间内，试样经过浸泡和冷却后，其屈服强度和抗拉强度均呈现逐渐增强的趋势，而其伸长率则逐渐呈现下降的趋势。同时，随冷却时间延长，试样中马氏体相数量增多，尺寸减小，硬度增大，而回火脆性增加，韧性下降。此外，加热温度和冷却方式对弹性模量的影响是不可忽视的。王卫永[15-18]等人对国产Q460高强度钢的高温力学性能进行了深入研究，运用了恒温拉伸法和振动法，以期获得更为精准的结论。利用光学显微镜及扫描电子显微镜观察分析了不同加热条件下试样表面形貌、断口形态以及显微组织特征。实验结果表明，随着升温温度的升高，Q460高强钢的力学性能呈现出逐渐减弱的趋势；对比传统球墨钢，Q460高强钢在高温力学性能方面表现出更为卓越的耐火性，这一结论得以证实。李国强等人和屈立军等学者采用不同升温速率进行热处理实验并测试其组织形貌和硬度变化。试验表明：高温对两种钢力学性能没有明显影响；随加热温度提高,Q345与Q420钢屈服强度，抗拉强度与弹性模量表现出显着恶化，而延伸率则逐渐表现出强化。这表明钢材的热物理性能是随温度变化而改变的。对比现有研究，实验数据表明，高温环境下钢材的力学性能表现出更为敏感的特性。最终，以实验数据为基础，提出了一种力学性能退化模型，旨在为工程实践和理论分析提供参考。根据研究结果，当加热温度低于一定的阈值时，国产钢的力学性能几乎不会受到温度和冷却方式的影响；超过此值后，随着冷却速度的加快，其屈服强度、抗拉强度均呈下降趋势。当温度超过一定范围时，钢材的力学性能将受到温度和冷却方式的显著影响。此外，还发现不同钢种之间，同一材料在相同条件下所对应的临界温度也不一样。对大部分国产钢材而言，临界温度一般为400～700℃。这说明，当热处理制度确定后，钢中的组织结构与性能之间并没有必然关系。这一结论同样适用于不锈钢以及绝大多数国外钢材，这一事实不容忽视。强旭红[19-20]等人对S690高强结构钢进行了稳态和瞬态燃烧试验研究，实验结果表明，即使在高温环境下，S690高强钢试件的延性仍然表现出优异的特性。采用光学显微镜观察分析了高温下钢中铁素体组织形貌特征，发现高温下发生再结晶现象。对S30408奥氏体不锈钢进行了室温和高温下的稳态和瞬态试验研究，并将试验结果与Eurocode和现有研究结果进行了比较和分析，其中范圣刚[21-23]等人的研究成果备受关注。采用有限元分析方法对以不同升温速率加热后的试样进行分析计算，通过改变加载路径模拟高温作用过程。实验结果表明，针对不锈钢材料的两种测试方法所得到的高温应力-应变曲线存在一定程度的差异；600°C温度范围内无明显差异，但温度大于600°C后，随温度升高差异逐渐加大。为了深入探究钢高温冷却后微观形貌和化学成分对宏观力学性能的影响机制，近年来众多学者对拉伸断口的形态和金相特征进行了广泛研究。这些研究表明，在不同条件下获得相同显微组织的试样会有较大的强度差别。例如,H.U.Sajid[24]研究了高温和冷却方式对ASTM36钢力学性能的影响，研究了钢断面的微观组织和金相组织。并根据试验结果提出了一个新的理论模型来解释这种变化。根据实验结果，当钢材在高温冷却条件下发生相变时，其力学性能呈现出明显的异质性。ChonrRen[25-27]研究Q235钢高温金相组织特征，对其进行了高温拉伸实验。通过运用金相法，我们得以观察到该钢材在不同温度下的显微硬度变化情况。利用扫描电镜对其进行微观分析，并将所得结果与试验数据相结合，得出不同温度下高温合金的显微组织特点。据研究发现，未经过高温加热的钢的金相组织主要由铁素体和珠光体构成，然而随着温度的升高，水冷试样的金相组织中珠光体的含量显著高于风冷试样，从而进一步提升了水冷试样的强度。FatemehAzhari[28-30]考察了高温后冷速率及低温处理对于理论屈服强度1200MPa超高强度钢的力学性能。采用光学显微镜观察分析不同热处理条件下钢中奥氏体晶粒尺寸变化，并通过金相显微组织观测分析得到相应的微观结构参数。实验结果表明：300°C时钢的力学性能开始退化，800°C时钢的力学性能基本消失。对高温冷却而言，当气温高于470°C后，钢材开始出现下降的趋势。随着降温速度增大，钢中出现大量孔洞，且随时间延长逐渐增多。在低温环境下，当温度降至80°C时，钢材的抗拉强度得到了显著提升，但同时其延性却出现了下降的趋势。通过对不同回火时间下材料显微组织观察发现，随着回火时间延长，奥氏体晶粒逐渐长大并最终发生再结晶。随着温度升高，钢中奥氏体晶粒尺寸逐渐增大。此外，高温加热后，钢的理论强度等级对残余力学性能的变化规律产生了显著的影响。1.3文献总结及问题提出综上所述，尽管在高温环境下，各种钢材的力学性能已经得到了广泛的研究和探索，并且已经取得了一定的研究成果。然而，二氧化碳灭火剂是一种广泛使用的灭火设备，但对于其冷却后对钢材高温后力学性能的影响，国内外的研究相对较为匮乏。由于目前国内还没有针对二氧化碳灭火剂的实验数据，无法直接利用这些实验结果来指导相关的工程设计。虽然有部分实验对Q690结构高强度钢进行了高温冷却后的力学性能研究，但这些研究大都只针对不同温的热处理度和冷却方式对其刚度、塑性、韧性、强度、硬度和疲劳强度的影响，而忽略了拉伸断裂形状、断裂形式的变化以及Q690高强钢金属断裂形式的机制。因此，有必要探究二氧化碳灭火剂冷却后Q690高强度钢的力学特性、微观断口形态以及金相特征在不同温度下的变化趋势。

1.4本文研究主要内容基于上述分析，本文拟对Q690高强钢在不同温度热处理经过二氧化碳冷却后的弹性模量、断口形状、断裂拉伸率、屈服强度和抗拉强度进行研究。结合金属断裂失效模式特征及微观金相组织的变化，探讨高温引起力学性能参数发生变化的机理，并建立高温后二氧化碳冷却后Q690钢材的力学模型。根据实验数据与数值计算得到了该材料的宏观性能指标以及热-机械特性之间的关系式，为今后进一步优化其结构提供参考。（1）探讨不同温度热处理经二氧化碳冷却后对Q690高强钢的弹性模量、断口形状、断裂拉伸率、屈服强度和抗拉强度的影响。在实验仪器高温炉中，对Q690高强钢试件分别加热到指定温度，然后对达到预定温度热处理后的试件进行二氧化碳冷却。观察不同温度热处理经二氧化碳冷却后试件表面特征和形状的变化规律，并对不同温度热处理经二氧化碳冷却后的试件进行不同程度力的拉伸试验，获得力和位移变化曲线关系，在经过查找文献，结合实际情况，确定数据处理所需要的软件和操作方法，得到其应力-应变曲线，进而分析Q690结构高强钢参数，分析不同温度热处理经二氧化碳冷却后的试件经冷却后的弹性模量、断口形状、断裂拉伸率、屈服强度和抗拉强度等力学性能参数随加热温度的变化规律。（2）研究Q690高强钢在不同温度热处理经二氧化碳冷却后的金属断裂失效模式。并利用光学显微硬度计对在不同温度热处理经二氧化碳冷却后的试件进行观察，探究Q690结构高强钢在不同温度热处理后的表面与其拉伸试验断口形状特征；利用金相显微镜观察拉伸试验的断口微观组织变化，并从金相组织微观变化规律研究温度和冷却方式对其宏观力学性能参数的影响机理。（3）Q690高强钢在不同温度热处理经二氧化碳冷却后，其弹性模量、断口形状、断裂拉伸率、屈服强度和抗拉强度等力学特性呈现出一种复杂的关系。通过前期查询的相关资料，我们建立了一种力学模型关系，并对其精度进行的测试，进而对试验得到数据进行了对比和反思，思考在实验操作中的不足和缺陷，为之后的更深一步的研究打下一定的研究基础。同时，在现有的力学模型和调整过后的实验数据结果，通过Origin软件，拟合了一个三段式的Q690结构高强钢力学模型，该模型以温度为横坐标，通过温度的变化探讨纵坐标弹性模量、断口形状、断裂拉伸率、屈服强度和抗拉强度等力学性能的影响。

2实验设计2.1研究材料及试样规格试验所用试件为国产Q690高强钢，Q代表屈服强度，690表示该钢材的理论屈服强度690MPa。将这些材料加工成所需要的规格后进行拉伸、弯曲等实验。根据规范，试件的形态和尺寸已被精心设计，其示意图如图2.1（a）所示。通过对不同温度热处理经二氧化碳冷却后的试件进行力学性能测试，得到了各工况下材料在不同应变率情况下及相同应变率时对应于相应荷载作用下的应力分布曲线。根据表2.1所示，试件的化学成分是由厂家提供的。采用热分析技术对所制作的试件进行温度场及力学性能测试，得到各部位应力分布情况以及不同升温条件下的破坏模式等结果。为模拟火灾现场环境，本次试验在范围区间内设置了六个温度等级，分别是：20°C、300°C、500°C、600°C、700°C和800°C,对照组设置为未经高温热处理的20℃的常温试件，。为了得到准确可靠的结果，将每根试棒进行热处理处理以提高材料强度，使之能够满足后续实验要求。在进行加热过程时，试件首先被置于高温炉中，以达到预设的目标温度，并对加热速率进行控制，使其保持在每分钟10°C的水平；随后再取出试样进行自然冷却，直至所有的试件完全冷却到室温为止。为确保每个试件都能得到均匀的加热，每次进行加热时，熔炉内只放置了5个试件，如图2.1（b）所示。通过改变试件表面与空气接触面积来获得不同表面温度。试样到达目标温度时，将试样在此温度下保温20min以确保钢材受热均匀。为了避免因升温过快而导致的裂纹产生，在加热完成后取试样时必须对其进行降温处理。接着，将样品取出后，施以二氧化碳灭火剂进行冷却，直至达到室温。(a)试件尺寸(b)试件放（c）二氧化碳冷却（d）高温炉图2-1试验设备和试件表2.1Q690钢材化学成分C：≤0.18Si：≤0.60Mn：≤2.00P：≤0.03S：≤0.025Nb：≤0.11V：≤0.12Ti：≤0.20Cr：≤1.00Ni：≤0.80Cu：≤0.80N：≤0.015Mo：≤0.30B：≤0.004Als：≥0.0152.2热处理实验方法热处理实验将多个试件分别分为300℃、500℃、600℃、700℃和800℃，共计五组，每组各五份试件。升温温度约为10℃/min，当试件达到预设温度后，保温约20min，使试件受热均匀，并在一定时间内保持室温。试验结果表明：与常规的高温回火相比，该方法不仅能提高材料的强度和韧性，而且还可以减少残余应力，从而大大提高了产品的力学性能。然后，将试件取出后使用二氧化碳灭火剂冷却至室温，而后打磨抛光，用4%的硝酸酒精腐蚀后在金相显微镜下观察内部组织。温度曲线见图2.2，实验试件见图2.3.图2.2温度曲线图图2.3实验试件从左到右依次是试件原件、300℃冷却、500℃冷却、600℃冷却、700℃冷却、800℃冷却2.3力学性能测试实验方案力学性能测试实验选用万能材料试验机作为主要实验器械（图2.4）。具体操作步骤如下：1、在进行器械预热之前，请先启动试验机主机的电源开关，进行至少15分钟的预热。2、启动计算机，启动我们的实验软件，将主机连接起来；在软件界面设置好实验名称，以便与其他实验进行区分方便寻找。3、在软件界面对试验方案参数在进行检查，确定实验参数后，点击查看，在屏幕的左下方确认并核对该试验方案的相关参数，如果需要更改即可进入编辑试验方案窗口进行更改或者添加新的试验方案。在进行试样尺寸测量时，通常需要进行三次平均值测量，并将其输入到软件中。如果需要计算断后伸长率，则需要使用打点法来确定原始标距。这样就会导致实际的数据与理论上可能存在一定偏差。因此，有必要对这一误差值加以控制，测量结果通过程序输出，最后根据得到的曲线或数值即可得出最终长度和宽度，准确性也相当不错。在此次实验方案中，试样宽度10mm，试样厚度4mm，原始标距20mm，试验速度3mm/min。4、通过仪器两边的按键，人工控制横梁运动，根据实验试件尺寸先快速调整后微调夹具，打开万能试验机限位开关，查看是否对力学传感器进行清零操作即软件中作用力清零运动，同时点击里面传感器显示值附近的【清零】键，实现清零。5、若传感器的显示力值过大，点击仪器上卸载按键，使横梁自动调节，使力传感器自动回到零位。当力值回到零附近，可按下小键盘上的【停止】键或单击软件中的【停止】按钮，使横梁停止调节，然后将引伸计装夹到试样上，并确保引伸计安装在试样的中间部分。当系统提示“已加载完毕”时，即可进行测试操作了。6、在确认试验参数的正确性后，请按下操作盘上的【运行】按钮以启动试验；将程序下载到计算机中进行测试，当出现故障时可根据不同情况进行判断并记录相关数据。注意：引伸计是通过机械装置和传感器来实现的，所以在使用过程中要尽量选择合适的机器或传感器；在更换引伸计之前应检查传感器是否损坏。7、在试验过程中，应经常检查各部位是否有松动现象，如发现松动应立即重新紧固；如有不均匀变形或出现裂纹等情况时，应及时更换零件和调整位置，以免造成损坏。当发生故障时能及时与试品及有关人员取得联系并做好记录，以便及时发现问题、及时处理。8、在实验过程中，试件拉伸断裂后会自动停止，取下夹具，测定实验后所需的数据，分别输入断后厚度、断后宽度、断后标距等参数，最后单击【应用】按钮，计算出断后伸长率等参数。当测量值与实际长度不一致时，应检查其偏差是否超过规定值；当用卡尺或直角坐标系作测量器测长时，要注意使测量结果符合规定要求；在使用过程中，不要将工具移动到工作位置上，以免造成误差过大而影响精度。9、若持续测试，则重新进行上述操作。11、最后通过软件可在线生成一份试验报告，可打印word和其excel。在试验结束之后，点击脱机，退出软件，关闭电脑。图2.4万能材料机（a）金属材料拉伸试验示例（b）金属材料拉伸试验应变-应力示例图2.6Q690试件CO2拉伸实验示例2.4微观组织测试实验方案微观组织测试实验选用金相显微镜作为主要实验器械（如图27）。具体步骤如下：1、样品制备方法：首先用铣床先对试件表面进行铣，在进行打磨之前，先使用打磨机对试样进行处理，除去试件表面其他杂质，避免实验误差。随后对试验试件表面进行机械打磨，使用200-2000目的砂纸惊醒操作。再次，将试样放置到旋转平台上，并使其处于水平位置。完成后，对样品进行抛光处理，即在抛光机上进行抛光，直至表面出现划痕，同时金属表面呈现出锃亮的光泽。试样经过抛光处理后，被置于含有4%硝酸酒精的溶液中，经过5-10秒的腐蚀后，被取出并放置于显微镜下进行观察。在腐蚀过程中会产生少量的气泡，因此必须要有一个专门的设备来控制这些气泡的数量以及它们之间的比例。对于某些特殊材料，比如不锈钢等，需要用到超声波清洗液。超声波清洗液主要用来去除金属工件表层的氧化层。2、显微镜操作步骤：当载物台上的金属为水平摆放时，再进行后续操作观察金属试样。一般情况下应将金属放在载物台下面，用镊子夹起后再放入载物台上，使之与载物板平行或接近垂直位置。显微镜的放大倍数分别达到了50,100,250,500和1000倍。由于不同样品具有不一样的显微特征，所以需要使用各种型号的目镜进行观察。在开始观察时，一般会选择那些倍数较小的镜头，这样可以更好地确定需要观测的区域，并逐步增加放大倍数。随着目数的增多，逐渐增加放大倍率，直到所需的最大分辨率为止。通过对物镜进行旋转，可以实现放大倍数的增加。转动转台可改变焦距，使所需物体与被拍摄物处于同一平面上。在对高倍材料进行观测时，务必确保试样表面处于水平状态，否则所得到的成像将是虚幻的。为了获得清晰图像，需要调整焦距和视场角，调节角度是根据不同情况而定。在仔细挑选好样品后，使用目镜进行拍照。在拍照过程中，需要使用一个工具来控制相机快门。将显微镜的信号传输至计算机后，选择“freeze”选项，接着点击拍照图表，最后选择所需保存位置即可。这样就能清晰地观察样品了，而且图像质量也很高。经过成像后，可以在电脑上进行调节，包括但不限于光照度、亮度和对比度等参数。对于不同尺寸的工件，使用不同的目镜可以方便地分辨出它们的形状和大小。为了保证实验结果准确可靠，请按照以下步骤操作：1)打开显示器；2)单击“文件管理”按钮，然后选中要查看的文件，单击“属性”命令，打开文件夹；3)双击“打印”图标。图2.7金相显微镜金相组织观察：1、热处理温度300°保温20分钟使用CO2冷却2、热处理温度500°保温20分钟使用CO2冷却3、热处理温度600°保温20分钟使用CO2冷却4、热处理温度700°保温20分钟使用CO2冷却5、热处理温度800°保温20分钟使用CO2冷却3二氧化碳冷却过火Q690结构高强钢力学性能3.1二氧化碳冷却过火Q690结构高强钢力学性能测试结果及分析试验结果显示当受热温度低于600℃时，钢材力学性能较为稳定，温度对热处理的影响微不足道；在高温下，由于应力作用使钢中出现了许多裂纹和孔洞等缺陷。在高于600°C的温度下，热处理温度对钢材的力学特性产生了显著的影响。钢材的抗压能力出现了明显的下降,并且应力降低的范围随着钢的火灾前强度而增加。试样在烧后的伸长率和屈服平台尺寸均大于室温下的伸长率和屈服平台尺寸，并随目标温度的增加而增大。因此，可将600℃定为临界温度，本节将对Q690钢材受热处理后力学性能变化趋势展开讨论。3.1.1拉伸实验结果（a）试件1力-位移曲线（b）试件2力-位移曲线（c）试件3力-位移曲线图3-1力-位移曲线试件经过高温冷却后，其表面呈现出明显的色彩变化，同时随着温度的升高，试件表面的锈蚀程度也逐渐加剧。试件经300°C高温处理后，试件表面有明显蓝光。在经受了高达400°C的高温考验后，试件表面出现了局部呈现出红褐色的锈斑,到600℃时，锈斑颜色进一步加深并遍布整个试件。温度在700℃-800℃时，试件表面颜色为红褐色略带灰色和蓝色，部分试件表皮因锈蚀而脱落。Q690结构高强钢在室温下无屈服平台，但在高温和自然冷却条件下，其屈服平台逐渐显现；而在二氧化碳冷却条件下，300~700°C的高温条件下，其屈服平台逐渐显现，但当温度超过700°C时，则不存在屈服平台。3.1.2力学参数的变化规律（a）20℃应变应力（b）300℃应变应力（c）500℃应变应力（d）600℃应变应力

（e）700℃应变应力（f）800℃应变应力(g)试件1应力-应变曲线（h）试件2应力-应变曲线(i)试件3应力-应变曲线(j)应变应力汇总

（k）断后延伸率（l）断后延伸率残余因子图3.2拉伸试验结果和分析表3-1断后延伸率温度(℃)材料断后延伸率（%）残余因子Sp-1Sp-2Sp-3AveraeSp-1Sp-2Sp-3Averag20Q69026.8828.9628.6828.170.951.031.021.00300Q69028.0427.0825.8827.001.000.960.920.96500Q69028.0828.1228.2428.151.001.001.001.00600Q69028.4027.6827.0427.711.010.980.960.98700Q69028.4826.8028.4827.921.010.951.010.99800Q69028.7221.5225.0125.081.020.760.890.89表3.2弹性模量温度(℃)材料弹性模量(GPa)残余因子(ET/E20)Sp-1Sp-2Sp-3AveraeSp-1Sp-2Sp-3Averag20Q690210.28213.91211.66211.950.991.011.001.00300Q690206.9206.67210.67208.080.980.980.990.98500Q690206.05212.41211.84210.10.971.001.000.99600Q690210.17208.68208.39209.080.990.980.980.99700Q690202.15205.18203.39203.570.950.970.960.96800Q690204.93205.71210.9207.180.970.971.000.98表3.3抗拉强度温度(℃)材料抗拉强度(MPa)残余因子(δbT/δb20)Sp-1Sp-2Sp-3AveraeSp-1Sp-2Sp-3Averag20Q690793.69767.38710.75757.271.051.010.941.00300Q690754.85746.93762.50754.761.000.991.011.00500Q690787.86795.98777.84787.231.041.051.031.04600Q690725.81756.44764.01748.750.961.001.010.99700Q690763.65762.18740.32755.381.011.010.981.00800Q690603.66587.05623.28604.660.800.780.820.80表3.4屈服强度温度(℃)材料屈服强度(MPa)残余因子(δbT/δb20)Sp-1Sp-2Sp-3AveraeSp-1Sp-2Sp-3Averag20Q690728.84703.50643.12691.821.051.020.931.00300Q690697.56691.04704.26697.621.011.011.021.01500Q690735.54730.45723.05729.681.061.061.051.06600Q690672.13698.90689.56686.860.970.971.000.98700Q690728.03723.141118.68856.611.051.051.621.24800Q690214.38223.24245.85227.820.310.310.360.33通过对力-位移进行数据处理，得到应力-应变曲线。从图3.2给出了不同高温下经过二氧化碳冷却后Q690钢材的应力-应变曲线。由图可知，当热处理温度低于600℃时，不同热处理温度下Q690结构高强钢应力-应变曲线基本一致：其中20-700℃热处理下的应力-应变曲线均能观察到明显的屈服平台阶段，而且也都能观察到明显的强化阶段和弹性阶段，同时在热处理600℃以下时Q690结构高强钢的力学性能基本不受温度的影响；当热处理温度高于600℃时，各种工况下Q690钢材的力学性能显示出明显差异，且有一定程度上与热冲击有关，其基本特征是Q690钢材的强度大幅度降低而延性明显增加。同时，随着试件的屈服，Q690钢材的塑性得到了显著提升，这是由于高温加热超过600°C所致，导致其应力-应变稳定增加。从表3-3分析得，Q690钢材抗拉强度在700°C以下变化较小，且变化范围都在5%以内,700°C以上抗拉强度随着温度的增加而下降,700°C抗拉强度比常温抗拉强度下降20%左右。相对于其抗拉强度而言，Q690钢材的弹性模量在表3.2中呈现出基本不受冷却方式影响的趋势，但在受热温度变化时会出现一定程度的波动，其幅度不超过10%。因此，在实际工程中，可通过适当降低冷却速率来减小或避免这种波动性。对比钢材强度的变化趋势，可以发现其弹性模量随着温度的变化呈现出一种错综复杂的趋势，缺乏明确的规律性。此外，还观察到试样表面存在不同程度的开裂现象。钢材的弹性模量与材料晶体结构密切相关，因此在冷却至室温后，先前的加热温度对其影响微乎其微。此外，试验中还存在着试样变形程度不同、测试时间差异等因素的干扰。因此，Q690高强钢的弹性模量变化可以归因于实验误差所导致的影响。由于试验过程中会受到外界环境条件（如湿度）和环境温度等的作用而产生一系列物理效应，从而引起力学性能的改变。这些影响包括：应变能随应力值大小发生衰减；热胀冷缩时残余应力的增加以及因温差增大造成的温度差加大；热膨胀系数随升温速度加快而显着增长等。从表3.1和图3.2数据可知，当热处理温度低于600°C时，Q690结构高强钢在二氧化碳冷却方式下延伸率与未进行热处理的试件相比均有所提高幅度小于30%。此外，试件在700°C至800°C的温度范围内呈现出一定程度的回弹现象，表明其延伸率存在一定的变化。通过对试样进行拉伸试验，发现该材料具有良好的力学性能和塑性韧性特性，并且随着升温速率增大，其屈服强度、抗拉强度及伸长率逐渐降低，但仍高于常温状态下的弹性模量；同时还可获得较高的剪切变形量和较大的弯曲模量以及断裂后残余应力值等特点。

3.2微观组织特征及其对力学参数的影响规律3.2.1二氧化碳冷却过火Q690结构高强钢微观组织图3.2铁碳合金相图（a）目镜10倍，物镜20倍（b）目镜10倍，物镜40倍图3.4300℃热处理从铁碳合金相图中分析，上图在300℃热处理后晶粒组织为铁素体，珠光体（a）目镜10倍，物镜20倍（b）目镜10倍，物镜40倍图3.5500℃热处理从铁碳合金相图中分析，上图在500℃热处理后晶粒组织为铁素体，珠光体（a）目镜10倍，物镜20倍（b）目镜10倍，物镜40倍图3.6600℃热处理从铁碳合金相图中分析，上图在600℃热处理后晶粒组织为铁素体，珠光体（a）目镜10倍，物镜20倍（b）目镜10倍，物镜40倍图3.7700℃热处理从铁碳合金相图中分析，上图在700℃热处理后晶粒组织为铁素体和球状珠光体（a）目镜10倍，物镜20倍（b）目镜10倍，物镜40倍图3.8800℃热处理从铁碳合金相图中分析，上图在800℃热处理后晶粒组织为铁素体加球状珠光体3.2.2二氧化碳冷却过火Q690结构高强钢力学性能影响的微观机制不同温度下进行二氧化碳冷却，在目镜10倍，物镜40倍下的金相显微镜观察，观察到组织为铁素体和珠光体，在700-800℃会出现铁素体和球状珠光体。烧后温度为300℃时，出现“蓝脆”现象，促进钢材强度的提高。这是由于杂质原子位错密度的增加。当烧后温度升高到400℃时，热激活足以促使大量位错迁移并相互作用，位错密度显著降低。使材料内应力释放，钢的弹性模量和强度降低，材料的塑性提高。当温度达到700℃时，会产生一些残余奥氏体，并且主要发生在晶界处。由于奥氏体中碳的富集，使得周围铁素体晶粒中碳的浓度下降，从而造成了钢强度的下降，塑性提高。在火后温度为800℃时，残余奥氏体体积分数继续增加，使基体材料（铁素体/珠光体）的含碳量大大降低，材料的屈服强度降低，马氏体的出现导致材料屈服平台消失，出现连续屈服现象。此外，材料的轧制特性在此温度下消失，晶粒尺寸在各个方向上趋于均匀。结构钢的屈服应力、弹性模量、屈服平台尺寸、极限强度和颈缩应变等参数在结构钢使用过程中，氧化层将保留在表面上。氧化层降低了所制造的试样的表面质量。试样断裂对表面质量的依赖性高于扩散颈缩。然后选择颈缩应变来描述结构钢板的破坏。

4二氧化碳冷却过火Q690结构高强钢力学模型通过对每组试件进行从室温到高温的频率测量，我们得出了Q690钢材在不同温度下的弹性模量数据，具体数据可参见表3-2。同时还分析了试样尺寸、加载速率、冷却方式等因素对钢弹性常数的影响。根据表3-2所示，六组数据的差异不显著，总体趋势相符，因此以其平均值作为弹性模量的代表值。由于试验中出现较大变形或应变时，用平均模量代替弹性模量是合适的。表3.2弹性模量温度(℃)材料弹性模量(GPa)残余因子(ET/E20)Sp-1Sp-2Sp-3AveraeSp-1Sp-2Sp-3Averag20Q690210.28213.91211.66211.950.991.011.001.00300Q690206.9206.67210.67208.080.980.980.990.98500Q690206.05212.41211.84210.10.971.001.000.99600Q690210.17208.68208.39209.080.990.980.980.99700Q690202.15205.18203.39203.570.950.970.960.96800Q690204.93205.71210.9207.180.970.971.000.98考虑实验误差，对实验数据进行处理，我们对不同温度热处理后Q690结高强钢的强度和弹性模量结果进行了数值拟合。首先根据Q690的弹性模量、断口形状、断裂拉伸率、屈服强度和抗拉强度等力学性能建立模型；然后利用origin软件模拟分析在不同冷却速度20-800°条件下，试样内部温度场分布及应力-应变关系曲线。其中弹性阶段和屈服阶段采用线性拟合，强化阶段采用Asymptoticl模型进行非线性拟合。弹性阶段：Y=a+b屈服阶段：Y=a+b强化阶段：Y=a图4.1拟合预测如图4.1结果表明，非线性方程（多项式方程、指数方程和幂方程）可以较好地描述力学性能剩余系数与火后温度的关系。此外，指数方程和幂方程由于拟合参数少，优于多项式方程。为了描述整个曲线，将每条真实应力-应变曲线分为三部分（弹性、屈服和塑性），描述如下：σ=σ和ε0分别为真实的应力和应变，k1是在弹性阶段的真实应力-应变曲线,可以得到真实应力-应变曲线。ε0是真正的应变初始屈服点和ε1是真正的应变初始应变硬化,k2在屈服阶段ε0和ε1之间的真实应力-应变曲线,可以计算的真实应力-应变曲线。

1、弹性阶段（a）20℃弹性阶段拟合方程（b）300℃弹性阶段拟合方程（c）500℃弹性阶段拟合方程（d）600℃弹性阶段拟合方程（e）700℃弹性阶段拟合方程（f）800℃弹性阶段拟合方程图4.2弹性阶段拟合曲线2、屈服平台阶段（a）20℃屈服平台阶段拟合方程（b）300℃屈服平台阶段拟合方程（c）500℃屈服平台阶段拟合方程（d）600℃屈服平台阶段拟合方程（e）700℃屈服平台阶段拟合方程图4-3屈服平台拟合曲线3、强化阶段（a）20℃强化阶段拟合方程（b）300℃强化阶段拟合方程（c）500℃强化阶段拟合方程（d）600℃强化阶段拟合方程（e）700℃强化阶段拟合方程（d）800℃屈服平台阶段拟合方程图4.4强化阶段拟合曲线

4、残余因子（a）弹性模量（b）屈服强度（c）断后延伸率（d）抗拉强度图4.5残余因子拟合曲线表4.1Q690高强钢拟合曲线预测方程温度阶段拟合曲线范围20弹性211.95ε0<ε≤屈服729.4260.00374<ε≤强化80.035<ε300弹性208.08ε0<ε≤屈服715.5340.00359强化70.03561<ε500弹性210.1ε0<ε≤屈服737.2230.00517<ε≤强化70.04703<ε600弹性209.08ε0<ε≤屈服712.7600.00293强化70.0462<ε700弹性203.57ε0<ε≤屈服712.2310.00308强化70.06011<ε800弹性207.18ε0<ε≤强化64表4.2Q690高强钢残余因子拟合曲线预测方程残余因子公式拟合曲线范围弹性模量E0.99905±0.0129−−1.97816×20屈服强度σ0.9031±0.32650.00165±0.00176−2.52906×20断后延伸率δ0.98339±0.043721.344×−2.57106×20抗拉强度σ0.97135±0.066245.21434×−8.34606×20结果表明，这些结构钢表现出不同的火灾后的强度和火灾后的强度有关的火灾前的强度。烧后温度为300℃时，出现“蓝脆”现象，促进钢材强度的提高。这是由于杂质原子位错密度的增加。当烧后温度升高到400℃时，热激活足以促使大量位错迁移并相互作用，位错密度显著降低。使材料内应力释放，钢的弹性模量和强度降低，材料的塑性提高。当温度达到700时，会产生一些残余奥氏体，并且主要发生在晶界处。由于碳在奥氏体中的聚集，使周围铁素体晶粒中的碳浓度降低，导致钢的强度降低，塑性提高。在火后温度为800◦C时，残余奥氏体体积分数继续增加，使基体材料（铁素体/珠光体）的含碳量大大降低，材料的屈服强度降低，马氏体的出现导致材料屈服平台消失，出现连续屈服现象。此外，材料的轧制特性在此温度下消失，晶粒尺寸在各个方向上趋于均匀。在所有曲线中均出现屈服平台，并且屈服平台尺寸随烧制温度增加而增加，但在800◦C下处理的Q690曲线除外。图4-2、4-3、4-4分别展示了在材料的演化过程中，经历了弹性阶段、屈服平台阶段和强化阶段三个不同的阶段，对应的温度范围分别为20-300°C、300-600°C和600-800°C。在弹性阶段，屈服应力呈现轻微上升的趋势,弹性模量先略有下降，然后几乎不变，最后下降。屈服平台尺寸在弹性阶段略有增加，在屈服平台阶段迅速增加，在强化阶段不稳定地增加。极限强度与屈服应力曲线相似，在弹性和屈服平台两个阶段，其基本特性保持不变，但在强化阶段则出现了急剧的下降趋势。随着载荷的增大，应力集中系数不断减小。在材料的弹性阶段，颈部的收缩应变呈现出快速上升的趋势，而在屈服平台阶段，则呈现出缓慢增加的趋势在强化阶段再次快速增加。在弹性阶段中，“蓝脆”现象引起钢的强度（屈服应力和极限应力）增强。当火灾暴露温度超过蓝脆温度范围时，由于晶体回复和再结晶，位错密度降低，导致钢的强度在屈服平台阶段下降。强化阶段产生残余奥氏体，周围铁素体晶粒的碳浓度降低，导致强度下降，塑性提高。在800℃时，由于基体材料（铁素体/珠光体）的碳含量大大降低，Q690钢的屈服平台消失，碳元素不易被位错钉扎形成Cottrell气氛球，含碳量较低的软基体相能不断促进试样拉伸变形。

5总结本论文采用实验与分析的方法对Q690高强钢在高温二氧化碳降温过程中力学性能的变化规律进行了较为深入的研究，提出了其力学模型。主要得出以下结论:（1）对Q690高强钢的力学性能进行了研究，探究了高温环境对其影响的规律。实验结果表明：受热温度小于600°C时钢材力学性能比较稳定，受热处理温度影响不大；在高于600°C的温度下，热处理温度对钢材的力学特性产生了显著的影响。随着加热时间的增加,Q690钢中屈服强度和抗拉强度逐渐降低，而伸长率却有所提高；但由于受热分解作用较大，因此材料整体性能下降较快。钢的强度显著降低，并且应力降低的范围随着钢的火灾前强度而增加。试样在烧后的伸长率和屈服平台尺寸均大于室温下的伸长率和屈服平台尺寸，并随目标温度的增加而增大。（2）探究了高温环境对Q690高强钢拉伸断口形态和金相组织特征的影响规律。首先，对Q690高强钢的表观特征和断裂模式进行了分析，考察了温度和冷却方式对其影响规律；同时，利用扫描电镜观察了高温后试样表面显微硬度值的变化趋势及其与裂纹扩展路径之间的关系。随后，利用金相显微镜对试件拉伸断面在不同温度下的金相微观结构、数量和分布情况进行了观察和研究；最终，探讨了Q690高强钢宏观力学性能受高温和冷却方式影响的机理，并深入研究了试件金相组织特征随温度和冷却方式的变化规律。结果表明：随着温度升高，基体晶粒细化而呈粗大状态，抗拉强度下降；当室温为-50℃时，合金元素以奥氏体为主；当室温达到350℃左右时，合金元素开始转变为易析出马氏体或铁素体，从而使材料性能降低，出现脆性破坏现象。（3）Q690高强钢在经过高温冷却后，我们成功构建了其力学模型。在Q690高强钢的研究中，我们进行了相关文献的阅读，以验证不同的拟合方式的准确性；再次，利用有限元方法分析了高温和低温时高强钢中残余奥氏体含量变化情况，为后续理论建模提供依据。其次，我们对力学模型进行了适度的改良，以试验数据为基础；最终，基于现有研究成果，推导出了Q690高强钢在弹性、屈服和强化三个阶段之间的拟合关系，并结合改进的应力-应变关系，建立了高强钢在不同温度和冷却方式下的拉伸本构模型。最后，本文将这一结果应用于工程实例中，通过对比实验数据与数值模拟数据来证明此方程的正确性。结果表明：采用适当简化处理，该非线性回归函数可以很好地描述高强度高强钢的力学性能特征。

参考文献JinJiangetal.ExperimentalinvestigationonmechanicalbehavioursofTMCPhighstrengthsteel[J].ConstructionandBuildingMaterials,2019,200:664-680.戴中爽.Q690CFD高强钢平板对接焊节点的韧性及疲劳寿命研究[D].导师：叶茂.广州大学,2022.李国强,吕慧宝,张超.Q690钢材高温后的力学性能试验研究[J].建筑结构学报,2017,38(05):109-116.李国强,陈凯,蒋首超,殷颖智.高温下Q345钢的材料性能试验研究[J].建筑结构,2001,(01):53-55.李国强,黄雷,张超.国产Q690高强钢高温下力学性能试验研究[J].建筑结构学报,2020,41(02):149-156.朱泓杰.Q690D高强钢高温后力学性能测试及本构关系研究[D].导师：张春涛.西南科技大学,2021.李鹏伟.Q6