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耐火钢通过添加特定的合金元素（如Cr、Mo、Nb），可以在高温（通常指600 ℃）下一定时间内（通常指1～3 h），屈服强度大于室温屈服强度的2/3。其良好的耐高温性能，可有效保证钢结构建筑在火灾高温情况下的短时间内不发生倒塌，从而赢得宝贵的火灾救援时间。此外，耐火钢可在不喷涂防火涂料的情况下使用，环境效益显著。
为了研究耐火钢在高温环境下的力学性能，采用高温稳态试验方法进行耐火钢Q235FRB标准件的拉伸试验。基于试验结果，得到了不同温度条件下耐火钢Q235FRB的应力-应变曲线，据此给出了高温下耐火钢各项力学性能参数指标（包括弹性模量、屈服强度、抗拉强度）的折减系数。研究结果表明，耐火钢Q235FRB的强度指标（包括弹性模量、屈服强度、抗拉强度）与温度基本呈负相关关系，并提出了对应计算模型。当温度达到400 ℃时，强度指标劣化速率加快，温度升至800 ℃时，强度指标基本为常温性能的10%。耐火钢Q235FRB的变形指标（极限伸长率）基本随着温度的升高呈先减小后增大的趋势。通过对比分析，耐火钢Q235FRB的力学性能和耐高温性能优于同等级普通钢，具有广泛应用前景。
English Abstract
Fire-resistant steel, through the addition of specific alloying elements (such as Cr, Mo, and Nb), can maintain a yield strength greater than two-thirds of its room-temperature yield strength at elevated temperatures (typically 600 ℃) for a certain period (typically 1 to 3 hours). Its excellent high-temperature resistance can effectively ensure that steel structures do not collapse in a short period under fire conditions, thereby gaining valuable rescue time. Moreover, fire-resistant steel can be used without the application of fireproof coatings, offering significant environmental benefits.
To investigate the mechanical properties of fire-resistant steel at elevated temperatures, high-temperature steady-state test methods were employed for tensile tests on standard Q235FRB fire-resistant steel specimens. Based on the test results, stress-strain curves of Q235FRB fire-resistant steel under various temperature conditions were obtained, and reduction factors for key mechanical property parameters (including elastic modulus, yield strength, and tensile strength) at elevated temperatures were derived. The results indicate that the strength parameters of Q235FRB fire-resistant steel (including elastic modulus, yield strength, and tensile strength) are generally negatively correlated with temperature, and corresponding calculation models were proposed. The degradation rate of strength parameters accelerates when the temperature reaches 400 ℃, and at 800 ℃, the strength parameters are reduced to approximately 10% of their room-temperature values. The deformation指标 (ultimate elongation) of Q235FRB fire-resistant steel generally exhibits a trend of first decreasing and then increasing with rising temperature. Comparative analysis shows that the mechanical properties and high-temperature resistance of Q235FRB fire-resistant steel are superior to those of ordinary steel of the same grade, indicating broad application prospects.
一、耐火钢的基本概念与发展背景
耐火钢通过添加特定的合金元素（如Cr、Mo、Nb），可以在高温（通常指600 ℃）下一定时间内（通常指1～3 h），屈服强度大于室温屈服强度的2/3。其良好的耐高温性能，可有效保证钢结构建筑在火灾高温情况下的短时间内不发生倒塌，从而赢得宝贵的火灾救援时间。此外，耐火钢可在不喷涂防火涂料的情况下使用，环境效益显著。为此，国内外学者陆续开展耐火钢的研发与生产工作，以期利用高性能钢材来缓解和解决钢结构的防火安全问题。
二、钢材高温力学性能的研究现状
对于钢材在高温下的力学性能，已有一些研究成果。Qiang、Ranawaka、Kankanamge、Choi和Chiew等采用稳态试验和瞬态试验的方法，获得了欧洲钢材S460N、S690和S960在25～800 ℃温度区间内的力学行为与高温破坏形式。刘兵、李国强、范圣刚和陈伟等对国产高强钢材的高温力学性能进行研究，给出了对应的钢材力学性能随温度的变化曲线。Zhang等给出了国产钢材Q345在高温自然冷却后的疲劳性能。蒋首超等针对马钢生产的耐火钢进行了高温稳态试验，证明了耐火钢的优越力学性能和耐高温能力。楼国彪等通过试验研究，获得了国产耐火钢Q345FR、Q420FR和Q460FR在20～800 ℃温度下的破坏模式、本构关系曲线、力学性能参数和热膨胀系数。Chen等对澳大利亚钢材BISPLATE80的高温力学性能进行研究，他们发现温度小于600 ℃时该钢材力学性能与普通钢差异不大，而当温度高于600 ℃时，该钢材与普通钢的力学性能有显著差异。
三、研究空白与本文研究目的
综上所述，钢材高温力学性能研究多集中于普通钢，而对于高性能钢材如耐火钢的高温力学性能研究相对较少。同时，钢材等级和生產加工方法对其高温力学行为影响显著，国内外钢材性能也存在差异，亟需对国产高性能耐火钢的高温力学性能进行研究。
在上述背景下，本文通过高温稳态试验对耐火钢Q235FRB在高温环境下的力学性能进行系统研究，旨在获得该材料在不同温度条件下的应力-应变曲线、关键力学性能参数的折减规律及变形特征，为其在钢结构抗火设计中的合理应用提供试验依据和数据支撑。
本文的研究主要涵盖以下几个方面：
（一）试验方案设计
研究采用高温稳态试验方法进行耐火钢Q235FRB标准件的拉伸试验。稳态试验方法是在将试件加热至目标温度并保持稳定后，再施加拉伸荷载直至破坏，从而获得材料在特定温度下的力学性能参数。试验温度范围覆盖了从常温到800 ℃的宽广区间，以全面揭示耐火钢Q235FRB在不同火灾温度条件下的力学性能演化规律。
（二）应力-应变曲线与力学性能参数
基于试验结果，研究得到了不同温度条件下耐火钢Q235FRB的应力-应变曲线。据此给出了高温下耐火钢各项力学性能参数指标的折减系数，包括弹性模量、屈服强度、抗拉强度等关键指标。这些折减系数是钢结构抗火设计中计算高温下构件承载力的重要基础数据。
（三）强度指标随温度的变化规律
研究结果表明，耐火钢Q235FRB的强度指标（包括弹性模量、屈服强度、抗拉强度）与温度基本呈负相关关系。具体而言：
基于上述试验数据，研究提出了耐火钢Q235FRB强度指标随温度变化的对应计算模型，为工程设计中的高温承载力计算提供了定量工具。
（四）变形指标随温度的变化规律
耐火钢Q235FRB的变形指标（极限伸长率）基本随着温度的升高呈先减小后增大的趋势。这一规律反映了耐火钢在不同温度区间内塑性变形能力的变化特征——在中等温度区间，材料的塑性有所降低；而在更高温度区间，由于材料软化加剧，塑性变形能力又有所恢复。
（五）与普通钢的对比分析
通过对比分析，耐火钢Q235FRB的力学性能和耐高温性能优于同等级普通钢。具体而言，常温条件和高温条件下，耐火钢Q235FRB力学性能均满足规范要求，且有一定程度的安全储备，其耐高温能力优于普通钢，温度越高，耐火钢Q235FRB的高温稳定性优势越明显。普通钢在600 ℃左右时屈服强度已大幅下降，而耐火钢Q235FRB在600 ℃高温下屈服强度折减系数约为0.75，在600 ℃高温1 h保持下，屈服强度能够达到常温时的2/3。这一优势使得耐火钢在火灾高温环境下能够更长时间地维持结构的承载能力。
通过对高温环境下耐火钢Q235FRB力学性能的试验研究，可以得出以下主要结论：
（1）耐火钢Q235FRB的强度指标与温度呈负相关关系。 弹性模量、屈服强度和抗拉强度均随温度的升高而降低。当温度达到400 ℃时，强度指标的劣化速率明显加快；当温度升至800 ℃时，强度指标基本降至常温性能的10%。
（2）耐火钢Q235FRB的变形指标随温度呈先减小后增大的趋势。 极限伸长率随温度的升高基本呈现先减小后增大的变化规律，反映了材料在不同温度区间内塑性变形能力的差异。
（3）耐火钢Q235FRB的力学性能和耐高温性能优于同等级普通钢。 在600 ℃高温下，耐火钢Q235FRB的屈服强度折减系数约为0.75，能够达到常温屈服强度的2/3以上，其高温稳定性优势在温度越高时越为明显。
（4）研究提出的计算模型可为工程设计提供依据。 基于试验数据提出的耐火钢Q235FRB强度指标随温度变化的计算模型，可为钢结构抗火设计中材料高温力学性能的取值提供参考。
（5）耐火钢具有广泛的工程应用前景。 耐火钢Q235FRB可在不喷涂防火涂料的情况下使用，兼具结构安全与环境效益，在高层及大跨度钢结构建筑中具有良好的推广应用价值。
