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火场中A3钢的晶粒度与燃烧时间和温度关系的研究
张
辉 邹 红
(武警学院消防指挥系
廊坊 065000)
摘
要：本文模拟典型火灾温度-时间曲线，对热轧成的A3钢进行受热处理，测定在不同燃烧时间和温度下A3钢的晶粒度，给出了A3钢的晶粒度与然烧时间和温度之间的定量关系，提出了通过测定A3钢晶粒度的大小来鉴定火场中不同部位的燃烧时间和温度的科学方法。
关键词：火场；A3钢；晶粒度；燃烧时间；燃烧温度
A3钢广泛用于制作钢结构的各种型材、钢板和钢筋混凝土中的钢筋、钢丝等，几乎存在于任何建筑中。当建筑物发生火灾时，A3钢的晶粒度随燃烧温度、燃烧时间和火场冷却速度等条件而变化。根据这种变化，在火灾调查过程中可以判断其所在位置的燃烧时间和温度。为确定火灾蔓延方向、起火部位和起火点，综合分析认定火灾原因.提供科学依据。
1
试验材料及方法
1.1
试脸材料
试验用钢是在热轧成Z10mm的A3钢光面圆钢筋上切取的。试样尺寸为Z10mm×15mm。其显微组织由铁素体基体和少量的珠光体组成。晶粒度为9.6级。
1.2
试验方法
每组3个试样，同时置于SR1X-5-12型高温箱形电阻护内，按照典型火灾温度一时间曲线对其进行加热受热温度分别为600、700、750、800、850、900、950、1000、1050、1100、1150和1200。然后，分别采取喷水冷却、置于空气中冷却和敞开炉门随炉一起冷却的方式进行冷却，直至炉外正常环境温度。试样经砂纸磨光、机械抛光和4%的硝酸酒精溶液浸蚀后，在XJG-OS型金相显微镜上观察显微组织并测定晶粒度。
2
试验结果与分析
2.1
A3钢的晶粒度与燃烧时间和温度的关来
按照GB6394-86《金属平均晶粒度测量法》中的截点法，测定出平均弦长，并计算出平均晶粒度。测定与计算结果列于表1。根据表1试验数据，作出A3钢的晶粒度与燃烧温度的关系曲线，如图1所示。
图1
A3钢的晶粒度与燃烧温度的关系
当建筑物发生火灾时，可用现场金相检测装置在柱、梁、板、门窗等具有代表性的部位选取样品，现场直接测定出A3钢的晶粒度。然后利用图1曲线即可求出对应的燃烧温度。按照火灾温度与时间的关系式：
T-T。=3451g(8 t十1)，计算出该部位的燃烧时间。通过对火场中不同部位的燃烧时间和温度的比较，即可确定出起火部位和起火点。
2.2
燃烧温度和时间对晶粒度的影响
2.2.1
随炉冷却
由图1炉冷曲线可知，燃烧温度在700℃以下，即燃烧时间在13min以内，晶粒度基本不变；之后，随燃烧温度的升高，即燃烧时间的延长，晶粒明显粗化。这种变化是与A3钢的奥氏体转变及晶粒长大有关。A3钢在727
～
830℃发生奥氏体转变。奥氏体转变完成后，随温度的升高，奥氏休品粒将发生长大现象，致使其转变产物铁素体和珠光体组织粗化。
2.2.2
空气冷却
由图1空冷曲线可知，燃烧温度在800℃以下，即燃烧时间在25min以内，晶粒度基本不变；之后，随燃烧温度的升高，即燃烧时间的延长，晶粒缓慢长大，1100℃以上迅速长大。这种变化也是与A3钢的奥氏体转变及长大有关。钢的奥氏体转变过程需要一定的时间来完成，由于火场升温速度很快，在空冷的条件下，试祥在高温持续的时间较短，使A3钢的奥氏体化温度向高温方向偏移，晶粒粗化温度也随之升高。
2.2.3于某种原因喷水冷却
由图1水冷曲线可知，燃烧温度在850℃以下，即燃烧时间在36min以内，晶粒度基本不变；之后，随燃烧温度的升高，即燃烧时间的延长，晶粒迅速细化，在燃烧温度为1000℃，即燃烧时间为99min时，出现最小值，然后随燃烧温度的升高，即燃烧时间的延长，晶粒又迅速粗化。出现这种关系，是由于在850～1000℃的温度区间，随温度的升高，A3钢奥氏体均匀化，并在水冷的条件下，生成了细小的索氏体组织；在1000℃以上，由于奥氏体晶粒长大，导致淬火组织粗化。
2.3
火场冷却速度对晶粒度的影响
由图1可知，又寸于同一燃烧温度和时间，在炉冷、空冷和水冷三种不同的冷却速度下，A3钢的晶粒度是不同的，并且随冷却速度的增大而增大。这主要是由于随冷却速度的增大，奥氏体的过冷度也增大，而晶粒的大小取决于生核速率N和长大速度G的比值，N和G的值又取决于过冷度。随过冷度的增大，N和G值增大，但前者的增大更快，因而N/G值也增大，结果使晶粒细化。在实际火灾过程中，由于火场高温不可能在瞬间或几分钟内降至正常环境温度，即实际火场的冷却速度比较缓慢，接近于本试验中随炉冷却时的速度。
2.4 钢的化学成夺对晶粒度的影响
A3钢是按机械性能供应的，其主要化学成分是C、Si、Mn、S、P，但含量波动较大。奥氏体中的C含量增高时，晶粒长大的倾向增大。若C以未熔碳化物的形式存在，则有阻碍晶粒长大的作用。Mn和P是促进晶粒长大的元素。Si和S对晶粒度的影响不大。
2.5
钢的变形度对晶粒度的影响
建筑上经常采用冷拉或冷拔来提高钢材的强度和硬度。冷拉或冷拔会使金属内部晶粒的形状沿变形方向被拉长，变成细条状。冷加工变形后的A3钢受到火灾热的作用，可在540℃左右发生再结晶过程。变形度对再结晶晶粒度的影响主要与金属变形的均匀度有关。变形愈不均匀.再结品后的晶粒愈大。
2.6
钢在受火前的纽织对晶粒度的影响
珠光体中的渗碳体有片状和粒状两种形式。A3钢受火前的组织中渗碳体为片状时，奥氏体形成速度快，因为它的相界面积较大。并且，渗碳体片问距愈小，相界面愈大，同时奥氏体晶粒中碳浓度梯度也大，所以奥氏体长大速度更快。
2.7
鉴定样品的选择应连循同一性原刘
A3钢属于低碳钢。但由于生产厂家、生产批号以及用户加卫变形量的不同，其在受火前的品粒度也是不同的。因此，本试验结果中的数据仅供鉴定时参考，而应注重其变化的规律性。在选择鉴定样品时，应在火场中有代表性的部位选取同一种材料，以便进行对比分析。这样，可以避免因钢的化学成分、受火前的组织和预变形度的不同而对晶粒度产生的影响，以提高鉴定结果的可靠性。
3 结论
火场中A3钢晶粒度大小的变化能够真实地反映火灾燃烧的时间和温度。
(1)在实际火场的冷却条件下，A3钢的晶粒度随燃烧时间的延长和温度的升高而减小.即品粒变大。
(2)A3钢的品粒度与燃烧时间和温度的关系，可用于鉴定火场中不同部位的燃烧时间和温度。
(3)A3钢的晶粒度随燃烧时间和温度的变化规律，也适合于其它牌号的低碳钢。例如，132钢.15#钢等。
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