Changes in structural steel microstructures following heating and cooling episodes in fires Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

I

BADANIA I ROZWÖJ

dr hab. inz. Mariusz Maslak, prof. PKa)*, mgr inz. Grzegorz Zwirskia)

a>Politechnika Krakowska / Cracow University of Technology

*Autor korespondencyjny / Corresponding author: [email protected]

Zmiany strukturalne w stali konstrukcyjnej wywotane epizodami jej nagrzewania i stygni^cia podczas pozaru

Changes in Structural Steel Microstructures Following Heating and Cooling Episodes in Fires

Структурные изменения в строительной стали, вызванные эпизодами ее нагревания и охлаждения во время пожара

ABSTRAKT

Cel: Celem artykulu jest krotkie omöwienie podstawowych zagrozen wynikajqcych z epizodöw nagrzewania i stygni^cia stali konstrukcyjnej podczas pozaru, ktöre mogq warunkowac ewentualne dalsze uzytkowanie elementöw nosnych z niej wykonanych. Zagrozenia te wiqzq si§ na ogöl z termicznie indukowanymi i trwalymi zmianami obserwowanymi w mikrostrukturze stali wystudzonej po zakonczeniu ekspozycji na ogien, z reguly niedostrzeganymi wizualnie podczas klasycznej inwentaryzacji przeprowadzanej po pozarze, ktörej celem jest ocena stanu technicznego obiektu. Metody: Struktura artykulu pozwala przesledzic kolejne, potencjalne formy zmian mikrostruktury stali konstrukcyjnej, najpierw inicjowane monoto-nicznym wzrostem temperatury tego materialu, a nast^pnie mniej lub bardziej gwaltownym jego stygni^ciem. W pierwszej kolejnosci omöwiono skutki rozrostu ziaren ferrytu, w drugiej kolejnosci - efekty cz^sciowej przemiany perlitu w austenit, a w koncu - zagrozenia determinowane zainicjowaniem w fazie chlodzenia przemiany bainitycznej i/lub martenzytycznej. Na tym tle podjQto dyskusjQ na temat konsekwencji ewentualnego powierzchniowego odw^glenia, a takze mozliwego wystqpienia zjawisk grafityzacji i/lub sferoidyzacji ziaren cementytu.

Wyniki: Wykazano, ze zmieniajqce si§ w czasie, a przy tym niekontrolowane oddzialywanie wysokiej temperatury pozaru na stal konstrukcyjnq z duzym prawdopodobienstwem prowadzi do wystqpienia w tym materiale niekorzystnych przemian strukturalnych, ktöre z reguly skutkujq drastycznym zmniej-szeniem si§ jego efektywnej ciqgliwosci skojarzonym z wyraznym zwi^kszeniem si§ jego twardosci. Taki zestaw cech stali w przypadku dalszego jej uzytkowania po pozarze nieuchronnie implikuje duzq jej podatnosc na kruche p^kanie, a co za tym idzie - znaczne ryzyko naglego i niespodziewanego zniszczenia wykonanych z niej elementöw.

Wnioski: Klasyczna inwentaryzacja przeprowadzana po pozarze w celu oceny deformacji stalowego ustroju nosnego, uzupelniona jedynie o eksperymen-talnq weryfikacj? parametröw wytrzymalosciowych charakteryzujqcych takq stal, nie wystarcza, by dostatecznie wiarygodnie wnioskowac o przydatnosci tych elementöw do ich dalszego uzytkowania pod obciqzeniem. Taka ocena musi byc bowiem bezwzgl^dnie poszerzona co najmniej o aposterioryczne badania mikrostruktury rozpatrywanego materialu oraz o pröby pozwalajqce na sprawdzenie jego popozarowej twardosci i udarnosci. Stowa kluczowe: stal konstrukcyjna, pozar, mikrostruktura, przemiana fazowa, ferryt, perlit, bainit, martenzyt, grafityzacja, sferoidyzacja Typ artykutu: oryginalny artykul naukowy

Przyjçty: 03.08.2017; Zrecenzowany: 16.10.2017; Opublikowany: 29.12.2017;

Autorzy wniesli rowny wklad merytoryczny w powstanie artykulu;

Proszç cytowac: BiTP Vol. 48 Issue 4, 2017, pp. 34-52, doi: 10.12845/bitp.48.4.2017.2;

Artykul udostçpniany na licencji CC BY-NC-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).

ABSTRACT

Aim: The aim of this article is to provide a brief review of the basic hazards which might affect the potential re-use of bearing members made of structural steel following exposure to heating and cooling episodes in a fire. These hazards generally involve thermally induced and permanent changes observed in the microstructure of the steel after the fire is extinguished, usually not seen during a standard post-fire inventory aimed at assessing the technical condition of the building.

Methods: The article's structure guides the reader through the successive potential forms of changes in the microstructure of structural steel, initiated by a monotonic increase in the temperature of the material, and followed by its more or less rapid cooling. The article first discusses the effects of ferrite-grain growth, then proceeds to a description of the effects of a partial pearlite-to-austenite transformation, and finally addresses the threats created by the initiation of a bainitic and/or martensitic transformation during the cooling phase. In this context, it discusses the consequences of potential surface decarburisation and the results of the possible occurrences of graphitisation and/or spheroidisation of cementite grains.

Results: It has been shown that the time-varying and uncontrolled impact on structural steel of a high fire temperature is likely to lead to the occurrence of unfavourable structural changes in this material, which usually result in a dramatic decrease in the effective ductility, coupled with a marked increase

in hardness. In structural members re-used after a fire, such a set of features inevitably implies the high vulnerability of this type of steel to brittle fracture, and, consequently, carries a significant risk of the sudden and unexpected destruction of the components made of it.

Conclusions: The standard post-fire inventory of member deformations in the steel-bearing structure, supplemented only by the experimental verification of such steel-strength parameters, is not sufficient to reasonably conclude that these members are suitable for re-use under load. Such an assessment must be extended at least by a detailed study of the microstructure of the material under consideration, made a posteriori, and also by tests which allow the verification of its post-fire hardness and impact strength.

Keywords: structural steel, fire, microstructure, phase transition, ferrite, pearlite, bainite, martensite, graphitisation, spheroidisation Type of article: original scientific article

Received: 03.08.2017; Reviewed: 16.10.2017; Published: 30.12.2017; The authors contributed equally to this article;

Please cite as: BiTP Vol. 48 Issue 4, 2017, pp. 34-52, doi: 10.12845/bitp.48.4.2017.2;

This is an open access article under the CC BY-NC-SA 4.0 license (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).

АННОТАЦИЯ

Цель: Цель статьи - кратко обсудить основные угрозы, возникающие в результате нагрева и охлаждения конструкционной стали во время пожара, которые могут влиять на дальнейшее использование несущих элементов, изготовленных из неё. Эти угрозы обычно связаны с термически-индуцированными и постоянными изменениями, наблюдаемыми в микроструктуре стали, охлажденной после ее контакта с огнем, которые, как правило, визуально незаметны во время классической инвентаризации, проведенной после пожара, целью которой является оценка технического состояния объекта.

Методы: Структура статьи позволяет проследить очередные, потенциальные формы изменений микроструктуры конструкционной стали, сначала вызванные монотонным ростом температуры этого материала, а в дальнейшем менее или более резким его охлаждением. В первую очередь были обговорены последствия роста зерен феррита, во вторую - эффекты частичного изменения перлита в аустенит, и, наконец - угрозы, обусловленные инициацией в фазе охлаждения бейнитового или мартенситского перехода. На этом фоне была поднята дискуссия на тему последствий возможной поверхностной декарбонизации, а также возможного присутствия явлений графитизации или сфероидизации зерен цементита. Результаты: Было выявлено, что меняющиеся во времени, а при этом неконтролируемое влияние высокой температуры пожара на конструкционную сталь с большой вероятностью приводит к появлению в данном материале неблагоприятных структурных изменений, которые, как правило, приводят к резкому уменьшению его эффективной гибкости, связанной с четким увеличением его твердости. Такой состав характеристик стали в случае ее дальнейшего использования после пожара подразумевает ее большую восприимчивость к растрескиванию и, следовательно - к значительным рискам внезапного и неожиданного разрушения изготовленных из нее компонентов. Выводы: Классическая инвентаризация, проведенная после пожара в целях оценки деформации стальной грузоподъемной структуры, дополненная только проверкой параметров прочности, характеризующих такую сталь, недостаточна, чтобы точно определить пригодность этих элементов для их дальнейшего использования под нагрузкой. Такая оценка должна быть обязательно дополнена, как минимум, апостериорными исследованиями микроструктуры рассматриваемого материала и пробами, позволяющими проверить его твердость и прочность после пожара.

Ключевые слова: конструкционная сталь, микроструктура, фазовый переход (фазовое превращение), феррит, перлит, бейнит, мартенсит,

граифизация, сфероидизация

Вид статьи: оригинальная научная статья

Принята: 03.08.2017; Рецензирована: 16.10.2017; Опубликована: 29.12.2017; Авторы внесли одинаковый вклад в создание этой статьи;

Просим ссылаться на статью следующим образом: BiTP Vol. 48 Issue 4, 2017, pp. 34-52, doi: 10.12845/bitp.48.4.2017.2;

Настоящая статья находится в открытом доступе и распространяется в соответствии с лицензией CC BY-NC-SA 4.0 (https://creativecommons.org/ licenses/by-nc-sa/4.0/).

Wprowadzenie

Ekspert oceniajqcy, czy stalowy element konstrukcyjny po epi-zodach gwattownego nagrzewania i stygniçcia podczas pozaru oraz po usuniçciu nalotu bçdqcego skutkiem zwyktego osmolenia jest przydatny do ponownego wykorzystania w ustroju nosnym, przeprowadza na ogot szczegotowq inwentaryzacjç zaobserwo-wanych post factum termicznie indukowanych deformacji. Uzu-petnia jq zazwyczaj jedynie o laboratoryjne badanie granicy pla-stycznosci i wytrzymatosci na rozciqganie wystudzonego, ale przetworzonego pod wptywem ekspozycji na ogien materiatu. Tak ograniczony zestaw badan trzeba jednak uznac za znacz-nie niewystarczajqcy. Powszechnie wiadomo, ze stal konstruk-cyjna najpierw poddana dziataniu wysokiej temperatury pozaru,

Introduction

Experts evaluating whether a steel structural member following episodes of rapid heating and cooling in a fire, and the removal of residue resulting from ordinary sooting, is fit for reuse in a load-bearing structure, generally conduct a detailed inventory of the thermally induced deformations observed after the fire event. This is usually supplemented only by laboratory tests of the yield limit and the tensile strength of the cooled-down material following a transformation induced by exposure to fire. However, such a limited set of tests might be considered highly insufficient. It is well known that structural steel first exposed to high temperature in a fire, and then cooled down to its initial temperature by free cooling or rapid cooling

a nast?pnie z powrotem doprowadzona do temperatury poczgt-kowej przez swobodne stygni?cie lub tez, co niewgtpliwie pot?gu-je opisywany efekt, przez gwattowne chtodzenie wodg w trakcie prowadzonej akcji gasniczej nie jest juz tym samym materiatem, który opisywaty modele teoretyczne sformalizowane a priori dla badanego ustroju bez uwzgl?dnienia wptywu pozaru. Szczególnie niebezpieczne na tym polu wydaje si? to, ze po zakonczeniu eks-pozycji na ogien istnieje duze prawdopodobienstwo wyraznego zmniejszenia si? efektywnej ciggliwosci stali, któremu towarzy-szy znaczgce zwi?kszenie si? jej kruchosci. Tego typu zjawiska sg nieuchronnym skutkiem trwatych zmian zachodzgcych w struktu-rze stali pod wptywem poczgtkowo monotonicznie wzrastajgcej, a nast?pnie mniej lub bardziej gwattownie malejgcej temperatury otoczenia. Zachodzg one nawet wtedy, gdy w trakcie pozaru w badanej stali nie zostata osiggni?ta temperatura inicjujgca prze-mian? perlityczng. Z tego wzgl?du w pracy [1] postulowano, zeby w ekspertyzach popozarowych niezb?dnym elementem rozwazan, oprócz tradycyjnie przeprowadzanych analiz przeprowadzanych, stata si? aposterioryczna weryfikacja mikrostruktury materiatu uzupetniona o badania jego udarnosci i twardosci. Pokazano tam i krótko przedyskutowano podstawowe czynniki wptywajgce na ostabienie stali po epizodach nagrzewania i stygni?cia podczas pozaru. Celem niniejszej analizy jest bardziej szczegótowy prze-glgd zagrozen wynikajgcych z termicznie generowanych zmian w strukturze stali podczas i po bezposredniej ekspozycji na ogien, z reguty niedostrzeganych wizualnie, niemniej jednak determinu-jgcych jej przyszte zachowanie pod obcigzeniem.

Obróbka cieplna stali konstrukcyjnej jest jedng z podstawo-wych technik zapewniajgcych polepszenie wtasciwosci uzyt-kowych tego materiatu. Sktadajg si? na nig procesy o scisle za-planowanym i zaprojektowanym, a nast?pnie kontrolowanym przebiegu, takie jak: wyzarzanie, hartowanie, odpuszczanie, a tak-ze przesycanie i starzenie [2, 3]. Trudno jednak odnosic je i w ja-kikolwiek sposób przyrównywac do charakteru oddziatywania temperatury na stal w warunkach pozaru. W tej sytuacji ma ono bowiem przebieg losowy i z pewnoscig niezalezny od woli czto-wieka, a zatem i niekontrolowany, dajgcy w efekcie niejednorodne pole temperatury z parametrami zmieniajgcymi si? chaotycznie, cz?sto bardzo gwattownie lub nawet jedynie lokalnie. Efekty tego nie mogg zatem prowadzic do stanu pozgdanego przez uzytkow-nika. Na ogót wi?c, analizujgc skutki takiego oddziatywani po wystudzeniu badanej konstrukcji, nalezy oczekiwac znaczgcego i trwatego pogorszenia si? wtasciwosci uzytkowych badanej stali, w szczególnosci takich, które stawiajg pod znakiem zapytania jej przydatnosc do dalszego wykorzystania w ustrojach nosnych.

with water during a firefighting operation (which clearly magnifies the described effects), is not the same material as the one described by theoretical models formalised a priori for the studied structure without taking into account the impact of the fire. The fact that exposure to fire leads to a high probability of a considerable decrease in effective ductility combined with a significant increase in brittleness is particularly dangerous. Such phenomena inevitably follow from permanent changes in steel microstructures resulting from the initial monotonic increase and a subsequent more or less rapid decrease in ambient temperature. These changes occur even in cases where the tested steel did not reach the temperature initiating pearlite transformation during the fire. For this reason, it was suggested in [1] that the essential issue to be considered in post-fire evaluation, in addition to standard analyses, should be an a posteriori verification of the material's microstructure combined with an impact-toughness and hardness test. It also demonstrated and briefly discussed the main factors contributing to the weakening of steel following heating-and-cooling episodes in a fire. The aim of this analysis is to provide a more detailed review of the threats arising from thermally induced changes in steel microstructures during and after direct exposure to fire, usually not observable by visual inspection, but determining its future behaviour under load.

The heat treatment of structural steel is one of the basic techniques for improving the performance of this material. It involves a number of specifically planned, designed and controlled processes, such as annealing, hardening, and tempering, as well as solution heat treatment and ageing [2, 3]. These processes, however, are hardly comparable to the nature of the thermal impact on steel exposed to fire. Under such circumstances, the process is random and clearly out of control, resulting in a heterogeneous temperature field with chaotically changing parameters, involving rapid or even only local changes. Such a process will not yield the desired results. In analysing the consequences after the cooling down of the studied structure, a permanently impaired performance is, therefore, generally expected, particularly with regard to those parameters which affect its potential re-use in load-bearing structures.

Charakterystyka typowych stali konstrukcyjnych stosowanych w Polsce

Podstawowe gatunki stali stosowne obecnie w konstrukcjach obiektów budowlanych to S235 oraz S355. Nalezg one do grupy tak zwanych stali podeutektoidalnych. Majg zatem typowg struktur? ferrytyczno-perlityczng. Ich sktad chemiczny regulujg wy-magania normy PN-EN 10025 [4], co oznacza ze, odpowiednio:

dla stali S235: C < 0,170%, Mn < 1,40, S < 0,035%, P < 0,035; (1)

The characteristics of typical structural steels used in Poland

The main steel grades currently used in building structures are S235 and S355. These grades belong to the group of sub-eutectoid steels, which means they exhibit a typical ferrite-pearlite structure. Their chemical compositions, governed by the PN-EN 10025 standard [4], are as follows

S235 steel: C < 0.170%, Mn < 1.40, S < 0.035%, P < 0.035; (1)

dla stali S355: C < 0,240%, Mn < 1,60 S < 0,035%, P < 0,035. (2)

Stale S355 coraz cz?sciej wytwarzane sg w stanie normalizo-wanym lub w stanie po walcowaniu termomechanicznym, dzi?ki czemu majg struktur? drobnoziarnistg. Mogg bye równiez dostar-czane w stanie surowym, co jednak wigze si? z nieco wi?kszym rozmiarem ziaren. Stale S235 sg z reguty produkowane w stanie surowym. Wspótczesnie produkcja stali konstrukcyjnych odbywa si? w konwertorach przy zastosowaniu koncowego odtleniania z wykorzystaniem aluminium. Dalszym etapem wytwarzania jest ciggte odlewanie oraz walcownie na gorgco. Konsekwencjg prze-róbki plastycznej na gorgco jest pasmowose struktury. Pasma de -terminujg segregacj? fosforu, a takze segregujg wtrgcenia nieme-taliczne, gtównie zawierajgce krzem i siark?. Struktura taka jest w zasadzie trwata. Moze bye intencjonalnie usuni?ta przez bardzo szybkie chtodzenie, co jednak cz?sto prowadzi do zainicjowania przemiany martenzytycznej. Struktur? pasmowg obserwuje si? wyraznie w zasadzie jedynie na przekroju podtuznym badanego materiatu. Jej konsekwencjg sg rózne wtasciwosci mechaniczne odnotowywane dla próbek pobranych wzdtuz oraz w poprzek kie-runku walcowania. Podwyzszona zawartose w?gla oraz manganu w stalach S355 (w stosunku do zawartosci w?gla i manganu w sta -lach S235) zwi?ksza przy tym procentowy udziat perlitu w obser-wowanej strukturze, a takze powoduje dalsze rozdrobnienie ziaren (mangan hamuje bowiem przemian? perlityczng), co z kolei skut-kuje wi?kszg wytrzymatoscig materiatu. Poza tym w stalach S355, odpowiednio szybko chtodzonych, tatwiej niz w stalach S235 moz-na uzyskae elementy struktury bainitycznej lub martenzytycznej.

W starszych konstrukcjach powszechnie stosowano stale St3S (b?dgce odpowiednikiem wspótczesnych stali S235) oraz stale18G2 (obecnie zastgpione przez stale S355). Mimo ze majg one wtasciwosci mechaniczne podobne do odpowiadajgcych im stali wspótczesnych, technologia ich wytwarzania byta nieco odmien-na. Kiedys bowiem w wi?kszosci przypadków stosowano odlewanie do wlewnic, w których nast?pnie inicjowano proces odtleniania. W zaleznosci od ilosci i rodzaju stosowanych odtleniaczy wytwa-rzano stale uspokojone, a takze stale pótuspokojone i nieuspo-kojone (oznaczone odpowiednio dodatkowymi symbolami X i Y). Dopiero z chwilg upowszechnienia technologii ciggtego odlewnia stali wprowadzono odtlenianie z wykorzystaniem aluminium, dzi?-ki czemu wyeliminowano odgazowywanie przez proste utlenianie w?gla, niekorzystne ze wzgl?du na lokalne zaktócenia jednorodno-sci otrzymywanej struktury. Te gatunki stali dostarczano z reguty w stanie surowym. Ze wzgl?du na wyzej opisany, mato nowoczesny sposób ich produkcji oraz ze wzgl?du na nieco wi?kszg niz w stalach produkowanych wspótczesnie zawartose siarki i fosforu stale te na ogót charakteryzowaty si? znacznie wyrazniejszg strukturg pasmowg, a wi?c i mocniejszg anizotropig cech mechanicznych.

S355 steel: C < 0.240%, Mn < 1.60, S < 0.035%, P < 0.035. (2)

S355 steel is increasingly often prepared in a normalised state or following thermomechanical rolling, which results in a fine-grained structure. It can also be supplied raw, but this results in increased grain size. S235 steel is usually produced raw. Modern structural-steel manufacturing involves converters and final deoxidation using aluminium. The next stage is continuous casting and hot rolling. Hot forming results in a banded structure. The bands determine the segregation of phosphorus and non-metallic inclusions, mainly containing silicon and sulphur. Such a structure is generally durable. It can be intentionally removed by means of rapid cooling, although it often leads to martensitic transformation. A banded structure is generally clearly observable only in a longitudinal section of the studied material. It influences a number of mechanical properties observed for samples collected longitudinally and transversely to the rolling direction. The increased carbon and manganese content in S355 grade steel (relative to the carbon and manganese content in S235 grade steel) also results in a higher percentage of pearlite in the observed structure, and leads to finer grains (as manganese inhibits pearlite transformation), thereby increasing material strength. Furthermore, when the appropriate rapid cooling is applied, it is easier to obtain elements of bainitic or martensitic structure in S355 than in S235 grade steel.

The predominant steel grades in older structures used to be St3S (equivalent to S235) and 18G2 (replaced by S355). Although their mechanical properties are similar to their modern counterparts, their manufacturing technology was slightly different. Before the introduction of modern technologies, most steel manufacturing involved pouring steel into moulds, where the de-oxidation process was initiated. Depending on the amount and type of de-oxidant, killed, semi-killed or non-killed steel was produced (marked with the additional symbols X and Y, respectively). Only after continuous casting began to be widely used was aluminium de-oxidation introduced, thus eliminating degassing by simple carbon oxidation, which was unfavourable due to local disturbances in structure homogeneity. Those steel grades were usually supplied raw. Due to the outdated manufacturing process, and slightly higher sulphur and phosphorus content than in modern steel, such steel grades were usually characterised by considerably more pronounced banded structures, resulting in the higher anisotropy of mechanical properties.

Utlenianie powierzchni stali poddanej dziataniu ognia i wywotane tym zmiany obserwowane w elementach inwentaryzowanych po pozarze

W warunkach pozaru na konstrukcyjne elementy stalowe w sposób posredni (jesli sg one w jakikolwiek sposób izolowane

The oxidation of the surface of steel exposed to fire and the resultant changes in members in a post-fire inventory

Fire causes the indirect (if there is any insulation by means of passive fire protection) or direct (if no such

przez zastosowanie srodkow biernej ochrony przed ogniem) lub bezposredni (gdy takiej ochrony brak) oddziatuje nagrzane do wysokiej temperatury powietrze atmosferyczne, cz?sto znacz-nie wzbogacone w dwutlenek w?gla, w wyniku czego nast?puje niekorzystne zjawisko utleniania powierzchni zewn?trznej tych elementow. Gazami utleniajgcymi sg tu: tlen czgsteczkowy (O2), dwutlenek w?gla (CO2) i para wodna (H2O). Proces ten przebiega zgodnie z nast?pujgcymi reakcjami:

2Fe + O2 ^ 2FeO (3)

(4)

(5)

Fe + CO2 ^ FeO + CO

Fe + H2O ^ FeO + H2

protection is present) exposure of structural-steel members to hot atmospheric air, often with a high carbon dioxide con -tent, which results in the undesirable outer-surface oxidation in these members. The oxidation gases are molecular oxygen (O2) and water vapour (H2O). The process involves the reactions

2Fe + O2 ^ 2FeO (3)

Fe + CO2 ^ FeO + CO

Fe + H2O ^ FeO + H2

W tym przypadku utlenianie zachodzi na drodze dyfuzji odrdzeniowej. W jego efekcie na powierzchni stali tworzy si? war-stwa tlenkow, ktorej grubosc jest determinowana przez dyfuzj? jonow zelaza z rownowazng liczbg elektronow z fazy metalicznej do granicy faz metal - zgorzelina. Po zakonczeniu ekspozycji na ogien powierzchnia wystudzonej stali traci potysk i pokrywa si? zwartg warstwg nalotowg b?dgcg jednofazowym produktem utle -niania w catosci ztozonym z tlenku zelaza (FeO). Na podstawie koloru tej warstwy mozna dosc wiarygodnie wnioskowac o gru-bosci nalotu tlenku a takze, co niezmiernie wazne, oszacowac maksymalng temperature, do jakiej inwentaryzowana stal byta wygrzewana podczas wczesniejszej ekspozycji na ogien. Zotta barwa nalotu swiadczy w tym przypadku o nagrzaniu stali do temperatury ponizej 250°C. Odpowiada jej warstwa tlenku zelaza o grubosci okoto 0,05 pm. Taka obserwacja pozwala wst?pnie twierdzic, ze po wystudzeniu stal nie utracita znaczgco swoich pierwotnych wtasciwosci uzytkowych, ani tych determinujgcych jej plastycznosc, ani tych okreslajgcych jej wytrzymatosc. Przy na -grzaniu stali do temperatury 250-400°C grubosc warstwy tlenku zelaza z reguty si? zwi?ksza do okoto 0,08 pm, czemu odpowiada charakterystyczna niebieska barwa nalotu [5]. Nadal jednak warstwa utleniona ma struktur? jednofazowg. W przypadku typowej stali konstrukcyjnej moze wöwczas wystgpic zjawisko starzenia b?dgce skutkiem wydzielania si? cementytu trzeciorz?dowego lub w?glikoazotkow pierwiastkow stopowych na granicach ziaren struktury. Wigze si? ono z pogorszeniem si? wtasciwosci plastycz-nych materiatu przy röwnoczesnym zwi?kszeniu si? jego krucho -sci. Powierzchni? utlenionej w ten sposob stali mozna przyrownac do tak zwanego obszaru kruchosci zabarwionego na niebiesko, ktory powstaje w procesie spawania w pewnej odlegtosci od spo -iny. W tych warunkach, po stosunkowo krotkim czasie ekspozycji na ogien, struktura ferrytyczno-perlityczna obserwowana po po-zarze nie rozni si? znaczgco od struktury ferrytyczno-perlitycz-nej obserwowanej przed jego rozpocz?ciem. Nie ma bowiem jesz -cze mozliwosci zainicjowania procesow rekrystalizacji. Dtuzsze nagrzewanie stali konstrukcyjnej w nieco wyzszej temperaturze - 700-800°C, czyli w zasadzie powyzej wartosci kojarzonej z re-krystalizacjg, skutkuje wytworzeniem si? grubszej i tym razem juz wielofazowej warstwy tak zwanej zgorzeliny o ztozonym sktadzie chemicznym. W jej sktad wchodzg gtownie rozne tlenki zelaza, takie jak: FeO, Fe2O3 i Fe3O4. W takim przypadku z powierzchnig stali graniczy faza FeO, w ktorej zelazo wyst?puje na najnizszym stopniu utlenienia, a z atmosferg - faza Fe2O3, w ktorej zelazo wy -st?puje na najwyzszym stopniu utlenienia Warstwa zewn?trzna

In this case, oxidation occurs by way of outward diffusion. As a result, an oxide layer forms on the steel surface, with its thickness determined by the diffusion of iron ions with an equivalent number of electrons from the metallic phase to the scale/metal interface. After exposure to fire, the surface of the cooled-down steel loses its glossiness and becomes covered with a compact residue layer which is the single-phase product of oxidation, fully composed of iron oxide (FeO). The colour of this layer provides a fairly reliable method of assessing the thickness of the oxide residue, and also, which is extremely important, estimating the maximum temperature to which the analysed steel was exposed during the previous exposure to fire. If it is yellow, steel was heated to a temperature below 250°C. This corresponds to a 0.05-pm thick layer of iron oxide. This observation leads to the initial conclusion that steel did not lose its initial performance properties, nor the properties affecting its ductility or strength to a significant extent. When steel is heated to 250-400°C, the thickness of the iron-oxide layer is usually increased to about 0.08 pm, which is evidenced in the characteristic blue colour of the residue [5]. The oxidised layer still retains its single-phase structure. In the case of typical structural steel, this might lead to ageing caused by the precipitation of tertiary cementite or car-bonitrides of alloying elements at the extremities of structural grains. This impairs the material's ductile properties while also making it more brittle. The surface of steel oxidised in this way can be compared to the so-called brittle area, which is coloured blue, and forms in the welding process at a certain distance from the weld. Under such conditions, after a relatively short exposure to fire, the ferrite-pearlite structure observed after the fire does not exhibit any significant difference from the ferrite-pearlite structure observed before it started, as it is not yet possible to initiate the re-crystallisation processes. The longer heating of structural steel at a slightly higher temperature - 700-800°C, i.e. generally above the value associated with re-crystallisation, leads to the formation of a thicker, and this time multi-phase, layer of scale exhibiting a complex chemical composition. It is mainly composed of various iron oxides, such as FeO, Fe2O3 and Fe3O4. In such a case, the FeO phase, in which iron is the least oxidised, borders the steel surface, and the Fe2O3 phase, where iron is the most oxidised, borders the atmosphere. The external layer of this type of residue is brittle and porous, and the steel surface itself is strongly eroded, without traces of smoothness or glossiness typical of materials observed at room tempera -ture, which is the effect of oxygen diffusion from the material's

tego typu nalotu jest przy tym krucha i porowata, sama zas po-wierzchnia stali pozostaje silnie zerodowana, bez sladow gtadko-sci i potysku typowego dla metali obserwowanych w temperaturze pokojowej, co jest skutkiem wzmozonej w tak wysokiej temperaturze dyfuzji tlenu z catej objçtosci materiatu [6]. W skrajnych przy-padkach, kiedy stal konstrukcyjna byta bardzo dtugo poddawana ekspozycji na ogien, po jej wystudzeniu mozna zaobserwowac zjawisko tak zwanego spalenia materiatu. Charakteryzuje siç ono wnikaniem atomow tlenu w gtqb struktury, wzdtuz granic tworzq-cych jq ziaren. Towarzyszy temu czçsto nadtopienie granic tych ziaren w warstwie przypowierzchniowej. W przypadku wystqpie -nia tego typu zmian, nawet jesli zaszty one jedynie lokalnie, na bardzo ograniczonym obszarze, w zasadzie wykluczone jest, by oceniany materiat zostat uznany za przydatny do dalszego uzytkowania pod obciqzeniem.

whole volume intensified in such high temperatures [6]. In extreme cases, where structural steel has been exposed to fire for extended periods of time, the burning of the material can be observed after cooling down. It involves oxygen atoms' infiltrating the structure along the boundaries of the material's grains. This is often accompanied by a slight melting of the grain boundaries in the near-surface layer. Such changes, even if they are only local and affect a very limited area, generally exclude the possibility of qualifying the studied material as fit for re-use under load.

Przemiana poczgtkowej struktury ferrytyczno-perlitycznej w struktur^ bainityczng lub martenzytycznq Chaotyczny rozrost ziaren w strukturze stali w trakcie jej nagrzewania podczas pozaru

Sprawg podstawowg dla rozwazan na temat struktury stali konstrukcyjnej obserwowanej po pozarze jest jednoznaczna odpowiedz na pytanie, czy w trakcie nagrzewania temperatura w badanym materiale przekroczyta progowg wartose A1, to zna -czy, czy mogty zajse w nim przemiany fazowe. Jednak nawet gdy stwierdzi si?, ze do takiego przekroczenia nie doszto, z pewno -scig trzeba si? liczye ze zjawiskami, których zajscie wewngtrz struktury zasadniczo wptyn?to na wtasciwosci (wytrzymatose oraz plastycznose) badanego materiatu. Typowym przyktadem jest tu cz?sto obserwowany w strukturze stali konstrukcyjnej po pozarze indukowany termicznie chaotyczny i trwaty rozrost ziaren. Efekt ten zostat wielokrotnie potwierdzony eksperymen -talnie. Na przyktad badania raportowane w pracy [7], w których amerykanskg stal niskow?glowg A572-50 [8] nagrzewano w pie-cu laboratoryjnym ze statg pr?dkoscig 105°C/min do róznych poziomów temperatury (od 300°C do 700°C, z krokiem co 100°C). Ustalong temperatur? utrzymywano nast?pnie przez 200 min, po czym próbki gwattownie chtodzono, umieszczajgc je w kg-pieli prowadzonej w stonej wodzie z lodem. Pomiar srednicy ziaren mikrostruktury badanej stali pokazat, ze do temperatury 600°C wymiar ten wynosit srednio 50 pm i nie zmieniat si? istotnie w stosunku do srednicy mierzonej a priori dla próbek przed eksperymentem, w temperaturze pokojowej. Zasadniczg róznic? wykazat dopiero pomiar wykonany dla stali ogrzanej do 700°C, dla której sredni rozmiar ziarna wynosit az 74 pm. W tej temperaturze zaobserwowano zresztg równiez stopniowe za-nikanie ziaren perlitu, a takze poczgtki sferoidyzacji cementy-tu. Tego typu zjawiska bardziej szczegótowo omówiono w dal-szej cz?sci pracy.

Jak juz wspomniano, rozrost ziaren mikrostruktury stali konstrukcyjnej w procesie jej nagrzewania podczas pozaru jest ze swej natury dose chaotyczny, a przez to - w przypadku elemen -tów niepoddanych wyraznemu i ukierunkowanemu oddziatywa-niu przytozonego z zewngtrz obcigzenia - stabo uporzgdkowany. Z tego wzgl?du jego zainicjowanie z reguty niszczy pasmowose

The transformation of an initial ferrite-pearlite structure into a bainitic or martensitic structure Chaotic grain growth in steel microstructures when heated in a fire

For the consideration of structural steel microstructures observed after a fire, it is essential to answer the question of whether the temperature in the studied material exceeded the threshold value of A1 during heating, i.e. whether phase transi -tions have occurred. However, even if it were determined that no such event had occurred, there is a definite possibility that certain phenomena had occurred inside the structure which significantly affected the properties (strength and ductility) of the studied material. The typical example here is thermally induced chaotic and permanent grain growth frequently observed in structural-steel microstructures after a fire. This effect has been confirmed in multiple experiments. For example, studies reported in [7], in which American low-carbon steel, A572-50 [8] was heated in a laboratory furnace at a constant rate of 105°C/min. to various temperature levels (from 300°C to 700°C , with steps of 100°C). A fixed temperature was then main -tained for 200 minutes, after which the samples were rapidly cooled down by being placed in a salt-water ice bath. A measurement of the microstructure grain diameter in the studied steel demonstrated that up to the temperature of 600°C it was 50 pm on average, and did not change significantly in relation to the diameter measured a priori for samples before the experiment at room temperature. A significant difference was only shown by the measurement made for steel heated to 700°C, for which the average grain size was as large as 74 pm. In this temperature the gradual disappearance of pearlite grains was also observed, combined with the early stages of cementite spheroidisation. Such phenomena are described in more detail later in this article.

As mentioned, microstructure grain growth in structural steel during the heating process in a fire is naturally quite chaotic, and as such - in the case of elements not subjected to the clear and directed influence of an externally-applied load - poorly structured. Consequently, its initiation generally destroys the banded structure if it were previously intentionally

tej struktury, jesli tylko byta ona wczesniej intencjonalnie wy-tworzona przez cztowieka w procesach metalurgicznych w celu uzyskania odpowiednio wysokiej wytrzymatosci materiatu. Do-tyczy to zwtaszcza szczególnie pieczotowicie ksztattowanych struktur wysokogatunkowych stali konstrukcyjnych, których gra-nica plastycznosci znajduje si? znacznie powyzej 400 MPa [9]. Taki efekt opisano i przedyskutowano na przyktad w pracy [10].

Czçsciowa przemiana perlitu w austenit skutkujqca pojawieniem siç struktury drobnoziarnistej w stali nagrzewanej podczas pozaru

Jezeli temperatura stali konstrukcyjnej poddanej ekspozycji na ogien osiggnie podczas pozaru 700-800°C, to nalezy si? liczye z tym, ze w materiale zostanie zainicjowana cz?sciowa przemiana perlitu w austenit. W tych warunkach cz?se ziaren moze ulec przemianie typowej dla stosowanego w tradycyjnej obróbce ciepl -nej wyzarzania normalizujgcego. W pierwszej fazie tego procesu, zwigzanej z nagrzewaniem materiatu, z perlitu powstaje austenit

0 niewielkiej wielkosci ziarna. W kolejnej fazie, tym razem skoja-rzonej z chtodzeniem i stygni?ciem stali (jednak pod warunkiem, ze temperatura materiatu b?dzie obnizana z odpowiednio matg szybkoscig) powinna ponownie wytworzye si? w niej struktu-ra ferrytyczno-perlityczna, ale tym razem o ziarnach znacznie drobniejszych niz te, które obserwowano przed zainicjowaniem przemiany. Wyzej opisane zjawiska zachodzg na drodze dyfuzji atomów w?gla oraz zelaza. Zauwazono je na przyktad w ekspery-mencie raportowanym w pracy [11], w którym badaniom poddano mikrostruktur? stali konstrukcyjnej wytopionej z lokalnego ztomu

1 uzytej do wyprodukowania pr?tów stosowanych pózniej do zbro-jenia betonu. Rozpatrywano przy tym trzy równoliczne grupy pró -bek, z których kazda odnosita si? do stali pochodzgcej od innego wytwórcy. Stale w kazdej grupie, choe podobnego typu, róznity si? zatem sktadem chemicznym, a to w efekcie przektadato si? na ich odmienne wtasciwosci mechaniczne stwierdzane w temperaturze pokojowej. Poszczególne próbki najpierw nagrzewano w piecu laboratoryjnym do temperatur: 100°C, 300°C, 500°C, 600°C, 900°C i 1000°C, a nast?pnie, po jednogodzinnym przetrzymaniu w ustalonej temperaturze, zapewniano im swobodne stygni?cie w powietrzu. W wyniku przeprowadzonego eksperymentu, nieza-leznie od rozpatrywanej grupy próbek, ustalono, ze po ich nagrza -niu do temperatury nieprzekraczajgcej 500°C, a nast?pnie wystu-dzeniu nie obserwowano znaczgcych zmian w rozmiarze ziaren mikrostruktury. Zarówno przed badaniem, jak i po nim wynosit on srednio 17,3 pm, co oznacza, ze badang struktur? nalezato koja-rzye ze strukturg raczej drobnoziarnistg. Sytuacja zmieniata si? wyraznie przy ogrzewaniu próbek do temperatury powyzej 500°C. W tym przypadku, po eksperymencie, w wystudzonej stali obserwowano znacznie mniejszy sredni rozmiar ziaren. Wynosit on bowiem finalnie odpowiednio: 15,7 pm - gdy próbki nagrzewano w temperaturze 600°C, 13,8 pm - gdy próbki nagrzewano w tempe -raturze 900°C i jedynie 12 pm - gdy próbki nagrzewano do 1000°C.

Ziarna ferrytu i perlitu niebiorgce udziatu w cz?sciowej prze -mianie perlitycznej zachowujg w takich okolicznosciach pierwot-ng wielkose i pierwotny ksztatt. W przypadku zastosowania stali w stanie surowym otrzymang struktur? mozna porównae do znanej z procesów metalurgicznych struktury typowej dla tak

created artificially in metallurgical processes in order to obtain a high material strength. This particularly relates to the meticu -lously shaped microstructures of high-grade structural steels, whose yield limit is considerably higher than 400 MPa [9]. This effect was described and discussed, e.g. in [10].

The partial transformation of pearlite into austenite, resulting in the formation of a fine-grained microstructure in steel heated in a fire

If the temperature of structural steel exposed to fire reach -es 700-800°C, the initiation of a partial pearlite-to-austenite transformation within the material is possible. In such conditions, some grains might undergo a transformation typical of normalisation as used in standard heat treatment. In the first stage of this process, involving material heating, pearlite transforms into fine-grained austenite. In the next stage, which is associated with the cooling down of steel (provided that the temperature of the material has been reduced at a sufficiently low rate) the ferrite-pearlite microstructure should form again, although with much-finer grains than observed before the transformation was initiated. These phenomena occur through the diffusion of carbon and iron atoms. They were observed, e.g. in the experiment reported in [11], which studied the microstructure of structural steel melted from local scrap and used to produce reinforcing bars. Three equally numerous groups of samples were considered, each from a different manufacturer. The steels in each group, although of similar types, differed in terms of their chemical composition, which translated into their different mechanical properties observed at room temperature. The individual samples were first heated in a laboratory furnace to the temperatures of 100°C, 300°C, 500°C, 600°C, 900°C and 1000°C and then, after being kept for one hour at a fixed temperature, they were left to cool down freely in air. As a result of the experiment, it was determined across sample groups that after their heating to a temperature of up to 500°C, and the subsequent cooling down, no significant changes in microstructure grain size were observed. Both before and after the test, the grain size was 17.3 pm on average, which means that the investigated structure was fine-grained. The situation changed markedly as the samples were heated to a temperature above 500°C. In this case, the steel cooled down after the experiment showed a considerably lower average grain size. The final values were as follows: 15.7 pm - when the samples were heated to a tem -perature of 600°C, 13.8 pm - when the samples were heated to a temperature of 900°C and only 12 pm - when the samples were heated to 1000°C.

The ferrite and pearlite grains which were not involved in the partial pearlite transformation retain their initial size and shape under such conditions. When using raw steel, the obtained structure can be compared to the structure typical of under-annealing known from metallurgical processes. It is partly composed of non-transformed ferrite and partly of fine pearlite mixed with ferrite. Modern normalised or

zwanego wyzarzania niezupetnego. Sktada si? ona cz?sciowo z nieprzemienionego ferrytu i cz?sciowo z drobnego perlitu wy-mieszanego z ferrytem. We wspótczesnych stalach normalizo-wanych lub stalach walcowanych termomechanicznie tego typu zauwazalne zmiany w mikrostrukturze raczej nie wystgpig.

Przemiana bainityczna i przemiana martenzytyczna jako skutki gwattownego chtodzenia stali w fazie jej stygniçcia po pozarze

Wyzej opisana przemiana, jesli zostanie zaobserwowana, nie powinna niekorzystnie wptywac na inwentaryzowang po pozarze konstrukcj? stalowg. Co wi?cej, otrzymana w jej wyniku struktura wigze si? nawet z niewielkg poprawg wtasciwosci mechanicznych stali, w tym szczególnie jej wytrzymatosci i granicy plastyczno-sci. Sytuacja zmieni si? jednak diametralnie, gdy chtodzenie stali b?dzie przebiegato znacznie intensywniej. Dzieje si? tak zazwy-czaj przy typowej akcji gasniczej, zwtaszcza takiej, podczas któ-rej silnie rozgrzane elementy stalowe sg obficie polewane zimng wodg. Wtedy obok nieprzemienionego ferrytu w strukturze stali powstajg z reguty ogniska perlitu o stosunkowo grubych ptytkach. W stali konstrukcyjnej zawierajgcej 0,22-0,24% w?gla (a wi?c na przyktad w stali S355) niewykluczone jest wytworzenie si? w takich warunkach tak zwanej struktury Widmanstättena charakte-ryzujgcej si? wyst?powaniem ferrytu w postaci igiet. Przy wspo-mnianym udziale procentowym w?gla do jej powstania wystarczg bowiem wartosci temperatury nieznacznie tylko przewyzszajgce progowy poziom A1. Trzeba mocno podkreslic, ze przy wyzej wy-specyfikowanych wartosciach temperatury nagrzania materiatu, a nast?pnie przy odpowiednio duzym tempie jego chtodzenia mozna w niezamierzony sposób uzyskac w nim struktur? typowg dla procesu hartowania stali. Struktura taka jakkolwiek istotnie zwi?k-sza twardosc stali, to jednak równoczesnie znaczgco zmniejsza jej plastycznosc i ciggliwosc, przez co materiat ten staje si? wyraznie bardziej kruchy. Podatnosc stali na tego typu przemiany wzrasta zresztg wraz ze zwi?kszeniem si? w jej sktadzie zawartosci w?gla i manganu. Dlatego tez przemiany te cz?sciej mozna obserwowac w stalach S355 oraz 18G2 niz w stalach S235 i St3S.

Przy odpowiednio zwi?kszonej szybkosci chtodzenia prawdo-podobne jest przede wszystkim, ze w strukturze stali powstang obszary majgce fragmenty struktury bainitycznej. Mechanizm tego typu przemiany jest nieco odmienny od tego, który charak-teryzowat cz?sciowg przemian? perlityczng. Dochodzi tu bowiem do zamrozenia dyfuzji atomów zelaza, podczas gdy w przypadku atomów w?gla dyfuzja moze zachodzic zarówno w austenicie, jak i w ferrycie. Finalnie, po wystygni?ciu stali, w jej strukturze mozna zaobserwowac ziarna przesyconego w?glem ferrytu, pomi?-dzy którymi znajdujg si? wydzielenia cementytu. W zaleznosci od temperatury i szybkosci chtodzenia wyglgd bainitu moze byc pierzasty (bainit górny) lub iglasty (bainit dolny). Szczególnie nie-korzystny jest drugi z wymienionych typów struktury. Przesycony ferryt ma bowiem wtedy charakter listwowy, a w?gliki zelaza ukta -dajg si? w poprzeczne pasma usytuowane wzgl?dem siebie pod kgtem 55°. Taka struktura charakteryzuje si? znaczng twardoscig (powyzej 50 HRC), ale tez duzg sktonnoscig do kruchego p?kania.

W skrajnych przypadkach, przy bardzo intensywnym chtodze -niu stali, mozna w niej uzyskac struktur? martenzytyczng. Powsta -je ona na skutek catkowicie bezdyfuzyjnej przemiany polegajgcej

thermomechanically rolled steel types are not likely to have such noticeable changes.

Bainitic and martensitic transformations as a result of the rapid cooling of steel in its cooling stage following a fire

The transformation described above, if it is observed, should not have a negative effect on the steel structure investigated in a post-fire inventory. What is more, the resulting structure is even associated with a slight improvement in the mechanical properties of the steel, including in particular its strength and yield limit. The situation changes dramatically, however, when the cooling of the steel is much more intense. This usually occurs in a typical firefighting operation, particularly when large amounts of water are poured on strong -ly heated steel members. Under such conditions, in addition to non-transformed ferrite, pearlite concentrations generally appear in the steel microstructure. In structural steel with 0.22-0.24% carbon content (e.g. S355 steel) the formation of the so-called Widmanstatten pattern, which is characterised by needle-like ferrite structures, is possible in such conditions. With the said content of carbon, temperatures only slightly exceeding the A1 threshold level are sufficient for this pattern to form. It should be strongly emphasised that with the material heating values described above and with an appropriate rate of cooling, a structure typical of steel hardening can be unintentionally obtained in the material. This type of microstructure, while significantly improving the hardness of steel, considerably reduces its plasticity and ductility, which greatly increases the brittleness of the material. The susceptibility of steel to this type of transformation increases with increasing carbon and manganese contents. For this reason, these transformations are more likely to be observed in S355 and 18G2 steel than in S235 and St3S steel.

At an appropriately increased rate of cooling, it is very like -ly that the steel microstructure will feature areas consisting of bainitic microstructure fragments. The mechanism underlying this transformation is slightly different from the one which characterises partial pearlite transformation. Here, the diffusion of iron atoms becomes frozen, while in the case of carbon atoms, diffusion is possible both in austenite and in ferrite. Eventually, after the steel cools down, grains of carbon-supersaturated fer -rite with cementite precipitation in between can be observed in its microstructure. Depending on the temperature and the rate of cooling, the appearance of the bainite can be feathery (upper bainite) or needle-like (lower bainite). The latter type is particularly unfavourable, as supersaturated ferrite forms strips and iron carbides are laid out in transverse bands at an angle of 55° towards each other. This structure is characterised by considerable hardness (over 50 HRC), but is also prone to brittle fracturing.

In extreme cases, where the steel is cooled down very rapidly, a martensitic structure can be obtained. It forms as a result of a completely diffusionless transformation involving the

na przebudowie sieci z regularnej w tetragonalng o nieco wi?k-szej obj?tosci. Martrenzyt cechuje si? takze wysokg twardoscig i matg ciggliwoscig. Dodatkowo jednak przemiana martenzytycz-na prowadzi do powstania w mikrostrukturze stali napr?zen struk-turalnych, przez co podatnose martenzytu na kruche p?kanie jest jeszcze wi?ksza niz ta okreslona wczesniej dla bainitu. W celu li-kwidacji napr?zen w przypadku konwencjonalnej obróbki cieplnej zahartowany element stalowy zawsze jest poddawany proceso-wi odpuszczania. Takiego zabiegu nie mozna jednak wykonae na elementach konstrukcji stalowej inwentaryzowanych po pozarze. Poza tym zarówno przemiana bainityczna, jak i przemiana marten -zytyczna usuwajg z badanej mikrostruktury struktur? pasmowg.

Ciekawe wyniki dotyczgce ilosciowej i jakosciowej oceny roz-woju przemiany martenzytycznej i przemiany bainitycznej w stali konstrukcyjnej nagrzewanej w warunkach pozaru zestawiono w pracy [12]. Podano w niej wyniki eksperymentu, w którym prób -ki stali SN490C [13], wyci?te z konstrukcji stalowej stanowigcej wczesniej ustrój nosny jednego z budynków petrochemii, nagrzewano do róznych temperatur: 600°C, 700°C, 800°C, 900°C i 1000°C. Nast?pnie ustalone temperatury utrzymywano przez godzin?, aby w koncu rozgrzane próbki chtodzie w kgpieli wodnej lub podda-wae swobodnemu stygni?ciu w powietrzu. W trakcie nagrzewania w wielu przypadkach przewyzszano zatem temperatur? materia -tu kojarzong z przemiang perlityczng. W pozostatych sytuacjach temperatura ta nie byta w ogóle osiggana, co nalezy wyraznie pod -kreslie. W zaleznosci od tego, do jakiej temperatury byta rozgrzana badana próbka, oraz od tego, w jaki sposób chtodzono jg bezpo-srednio po jej wygrzaniu, otrzymywano rózny udziat poszczegól-nych rodzajów mikrostruktury obserwowanej po doswiadczeniu. Zawsze jednak zawierata ona zarówno obszary zdominowane przez bainit, jak i obszary zdominowane przez martenzyt. Petne zestawienie wyników przytoczono w niniejszym artykule w tabeli 1. Kolejne rodzaje struktury oznaczono w niej symbolami: F (fer-rytyczna), P (perlityczna), M (martenzytyczna), B (bainityczna).

reconstruction of the network from regular into tetragonal, with a slightly higher volume. Martensite is also characterised by high hardness and low ductility. However, martensitic transformation also leads to structural stress in the microstructure, which further increases the susceptibility of martensite to brittle fracturing in relation to the one previously determined for bainite. To eliminate stress in the case of conventional heat treatment, hardened steel members are always subject to tempering. This, however, cannot be applied to steel structural mem -bers in a post-fire inventory. In addition, both bainitic and martensitic transformation eliminate the banded structure from the studied microstructure.

Some interesting results relating to the quantitative and qualitative assessment of the development of martensitic and bainitic transformation in structural steel heated in a fire are listed in [12]. It provides the results of an experiment in which samples of SN490C steel [13], cut from a steel structure which had previously served as a load-bearing structure for a petrochemical building, were heated to various temperatures: 600°C, 700°C, 800°C, 900°C and 1000°C. After that, the set temperatures were kept constant for an hour and eventually the heated samples were cooled down in a water bath or subjected to free cooling in air. During heating, the temperature associated with pearlitic transformation was exceeded in a number of cases. It should be emphasised that in other situations, this temperature was not reached. Depending on the temperature to which the studied sample was heated, and on the method used for cooling down directly after heating, different percentages of individual microstructure types were observed after the experiment. In all cases, however, the microstructure featured both bainite-dom-inated and martensite-dominated areas. A full compilation of the results is presented in Table 1. The microstructure types are designated by the symbols F (ferritic), P (pearlitic), M (martensitic), B (bainitic).

Tabela 1. Rodzaje mikrostruktury stali konstrukcyjnej SN490C obserwowane w probkach laboratoryjnych po ich nagrzaniu, a nastçpnie wygrzaniu w statej temperaturze i wychtodzeniu w symulowanym pozarze

Table 1. Types of microstructure of SN490C structural steel observed in laboratory samples after episodes of heating, followed by being kept at a constant temperature, and, finally, cooling in a simulated fire

Rodzaj struktury obserwowane po wychtodzeniu Temperatura, do której nagrzewano próbk? The tVpe of structure ^ewed after co°Mng

The temperature to which the sample was heated chtodzenie w powietrzu Cooling in air chtodzenie w kgpieli wodnej Cooling in water bath

600°C 80% F + 20% P 80% F + 20% P

700°C 80% F + 20% P 80% F + 20% P

800°C 80% F + 20% P 75% F + 15% M + 10% B

900°C 80% F + 20% P 60% F + 25% M + 15% B

1000°C 80% F +20% P 20% F + 45% M + 35% B

Zrodto: Opracowano na podstawie [12]. Source: Own elaboration on the basis of [12].

Jak pokazujg powyzsze dane, swobodne stygniçcie probek na wolnym powietrzu nie zainicjowato ani przemiany bainitycznej, ani tym bardziej przemiany martenzytycznej. Do wywota-nia tych przemian potrzebne jest bowiem nie tylko gwattowne chtodzenie rozgrzanej probki w kgpieli wodnej, ale rowniez jej wczesniejsze wygrzanie do temperatury powyzej progowego

As demonstrated by the above data, the free cooling of samples in the open air did not initiate bainitic transformation or martensitic transformation. This is because for those transformations to occur, it is not only necessary to rapidly cool the heated sample in a water bath, but also to heat it to a temperature above the threshold point A1 beforehand, which is not

punktu A1, co nie jest niespodziankq. Oczywiscie, obserwowane przemiany fazowe byty tym bardziej wyrazne, im wyzsza byta temperatura probki zmierzona w chwili rozpoczçcia chtodzenia.

Niemniej pouczajqce wydajq siç wykazane w omawianym eksperymencie [12] korelacje wynikow ze zmierzonymi a posteriori parametrami wtasciwosci mechanicznych badanej stali. W niniejszym artykule zestawiono je w tabeli 2.

surprising. Obviously, the phase transitions observed became more pronounced with the increase of the sample temperature measured at the time of starting the cooling process.

Still, the correlations of results with the mechanical properties of the studied steel measured a posteriori are highly informative. They are presented in Table 2.

Tabela 2. Zmierzone eksperymentalnie wtasciwosci mechaniczne stali konstrukcyjnej SN490C po epizodach nagrzewania i stygni^cia w symulowanym pozarze w odniesieniu do zastosowanej temperatury nagrzewania i do sposobu chtodzenia probek. (Gwiazdkg oznaczono wyniki niemiarodajne, uzyskane dla probek, ktore ulegty zniszczeniu podczas przeprowadzania testu)

Table 2. The mechanical properties of SN490C structural steel experimentally tested after heating-and-cooling episodes in a simulated fire, in respect of both the applied heating temperature and the technique used for sample cooling. (The asterisk indicates that the result is not reliable because it was obtained for a sample which had been destroyed during the test)

Wartosc zmierzona po wychtodzeniu/

Wielkosc/ Temperatura nagrzewania/ _Va|ue measured after c°°Mng

Size Heating temperature chtodzenie w powietrzu/ Cooling in air chtodzenie w kqpieli wodnej/ Cooling in water bath

Przed nagrzewaniem/ Before heating 372,0 372,0

600°C 359,5 370,5

Granica plastycznosci [MPa]/ 700°C 339,0 345,5

Yield limit [MPa] 800°C 300,5 338,0

900°C 344,0 414,5

1000°C 323,0 424,0

Przed nagrzewaniem/ Before heating 523,0 523,0

600°C 521,0 539,0

Wytrzymatosc na rozciqganie [MPa]/ 700°C 490,5 500,5

Tensile strength [MPa] 800°C 478,5 696,0*

900°C 480,0 707,0*

1000°C 473,3 646,3*

Przed nagrzewaniem/ Before heating 32,5 32,5

600°C 34,9 33,0

Wydtuzenie [%]/ 700°C 36,0 36,3

Elongation [%] 800°C 38,6 24,8

900°C 38,2 22,3

1000°C 38,4 22,9

Przed nagrzewaniem/Before heating 143,0 143,0

600°C 128,3 116,6

Udarnosc [J]/ 700°C 116,4 93,2

Impact toughness [J] 800°C 161,3 61,5

900°C 159,4 65,2

1000°C 144,0 64,2

Zrodto: Opracowano na podstawie [12]. Source: Own elaboration on the basis of [12].

Wyniki pokazane w tabeli 2 niewqtpliwie korelujq ze strukturami zestawionymi w tabeli 1. Jak widac, przemiana bainitycz-na oraz przemiana martenzytyczna, zainicjowane gwattownym chtodzeniem probek w kqpieli wodnej, skutkujq - po wystudze -niu probek - zdecydowanym zmniejszeniem siç wydtuzenia ba -danej stali i nie mniej wyraznym pogorszeniem siç jej udarnosci. Wartosci parametrow okreslajqcych te cechy zalezq rowniez od temperatury, w ktorej badane probki byty wygrzewane, choc tutaj zmiany nie sq az tak wyrazne. Sposob chtodzenia probek roznicuje rowniez aposterioryczne, zmierzone po eksperymencie dla wystudzonej stali, wartosci charakteryzujqcych jq granic

The results shown in Table 2 clearly correlate with the micro -structures presented in Table 1. As seen above, bainitic transformation and martensitic transformation, initiated by the rapid cooling of samples in a water bath, result, after the samples are cooled down, in a considerable decrease in the elongation of the studied steel, and also a noticeable reduction in its impact toughness. The values of the parameters defining these values also depend on the temperature to which the studied samples were heated, although changes are not as marked in this case. The method of cooling down samples also leads to a posteriori differences in yield limit and tensile strength properties

plastycznosci i wytrzymatosci na rozcigganie. Jakkolwiek war-tosci te sg na ogot tym nizsze, im do wyzszej temperatury na-grzewana byta probka, to jednak w przypadku chtodzenia w kg -pieli wodnej, wtedy, gdy zostaty zainicjowane wyzej opisywane przemiany, obserwuje siy zaleznosc odwrotng.

Dodatkowym potwierdzeniem tego, ze w opisywanych warunkach termicznych istnieje duze prawdopodobienstwo zachodzenia przemiany bainitycznej i - ewentualnie - czysto zastypujgcej jg przemiany martenzytycznej, jest zawarta w pracy [14] informacja o zaobserwowaniu tego rodzaju struktur w specjalnie formowa-nych (przez domieszkowanie chromem i molibdenem) stalach od-pornych na temperatury pozarowg (tak zwane fire-resistant steels).

measured in cooled-down steel after the experiment. Although these values are generally lower as the temperature to which the sample was heated increases, for cooling in a water bath, when the above-mentioned transformations were initiated, the opposite correlation is observed.

The high probability of bainitic transformation, or, potentially, martensitic transformation under the described techni -cal conditions is further corroborated by [14], which mentions the observation of this type of microstructure in specially formed (by chromium and molybdenum doping) fire-resistant steels.

Wptyw tempa zmian temperatury ogarniçtego przez pozar i obcigzonego elementu konstrukcyjnego na efektywnq odksztatcalnosc ziaren mikrostruktury stali, z ktorej go wykonano

Intensywnosc procesow nagrzewania i stygniycia w trakcie ekspozycji na ogien wptywa nie tylko na inicjowanie w badanej stali opisanych wczesniej przemian fazowych, lecz takze na zdolnosc do odksztatcania siy ziaren jej mikrostruktury. Miarg tej intensywnosci jest zwykle szybkosc zmian temperatury materiatu. Alternatywnie na tym polu mozna rozwazac na przyktad tempo zmian strumienia energii rozpraszanej podczas pozaru. W metalografii powszechnie znane jest zjawisko wydtuzania siy pojedynczych ziaren osnowy ferrytycznej mikrostruktury stali konstrukcyjnej zgodnego z kierunkiem dziatania obcigzenia przytozonego do probki. Podatnosc na tego typu odksztatcenia niewgtpliwie zwiyksza siy ze wzrostem temperatury materiatu. Istotne jest to, zeby ten wzrost nie nastypowat zbyt szybko. W pracy [15] wykazano eksperymentalnie, ze szybsze nagrzewa -nie stali prowadzi do zmniejszenia jej efektywnego wydtuzenia, co znacznie zwiyksza ryzyko kruchego pykania przy ewentual-nym pozniejszym uzytkowaniu tego materiatu w temperaturze pokojowej. Przyczyny takiej relacji uwidocznity badania metalo-graficzne. Ziarna ferrytu w mniej gwattownie nagrzewanej stali miaty dostatecznie duzo czasu, aby powoli i stopniowo podda-wac siy ukierunkowanemu wydtuzeniu wymuszanemu przez ze-wnytrzne obcigzenie oddziatujgce na probky. Jesli jednak szyb -kosc wzrostu temperatury materiatu okazywata siy zbyt duza, to tego typu deformacje pojedynczych ziaren obserwowanej struktury na ogot nie zdgzyty siy wytworzyc. Nawet jesli bowiem pojedyncze ziarna uzyskiwaty w takim przypadku nieznaczne wydtuzenia, to i tak kierunki tych wydtuzen nie byty wzajemnie uporzgdkowane. W dodatku chaotyczne kierunki rozrostu ziaren generowaty w mikrostrukturze tworzenie siy losowych pustek i defektow, powodujgc przy tym ostabienie materiatu. Mozna zatem mowic o czyms w rodzaju bezwtadnosci materiatu na szybki przyrost temperatury wykonanego z niego elementu. Materiat taki musi po prostu miec mozliwosc stopniowego do-stosowania siy do warunkow panujgcych w jego otoczeniu. Jesli takiej mozliwosci nie ma, skutkuje to zwykle powstawaniem na-pryzen cieplnych, tym wiykszych, im szybsze jest nagrzewanie

The impact of the rate of temperature change in a structural member under fire and load on the effective deformability of microstructure grains of steel making up this structural member

The intensity of the heating-and-cooling processes during exposure to fire not only influences the initiation of the previously described phase transitions in studied steel, but also the deformability of its microstructure grains. A measure of this intensity is usually the rate at which the temperature of the material changes. The rate of change of the energy stream being dissipated during a fire can be considered an alternative measure. Elongation - whose direction is consistent with that of the load applied to the sample - in individual grains making up the ferrite matrix of structural steel microstructure is widely known in metallography. Susceptibility to this type of deformation clearly increases with the rise in the material's temperature. It is important for this growth not to occur too fast. In [15] it was experimentally proven that the faster heating of steel leads to a reduction in its effective elongation, which significantly increases the risk of brittle fracturing in the case of its potential re-use at room temperature. The cause of this relationship was found through metallographic studies. Ferrite grains in less-rapidly heated steel had enough time to slowly and gradually undergo directional elongation forced by the sample's exposure to an external load. If, however, the temperature of the material grew too fast, there was usually not enough time for this type of deformation to occur in individual grains within the observed structure. Even if individual grains became slightly elongated, the directions of those elongations were not consistent. In addition, the chaotic grain-growth directions generated random voids and defects in the microstructure, weakening the material. This could be described as inertia of the material in relation to rapid temperature growth in a structural member made of this material. This type of ma -terial invariably requires a way to gradually adapt to the surrounding conditions. If this is impossible, heat stress occurs, and the faster the heating or cooling of steel, the higher the stress, which usually means that the steel is more susceptible to brittle fracturing and that the microstructure has a reduced tightness. In the context of this analysis, it is important that the

lub chtodzenie stali, a to na ogot wiqze siç z wiçkszq podatno-sciq tej stali na kruche pçkanie oraz z ostabieniem spoistosci jej struktury. Z perspektywy analizy dokonywanej w niniejszej pracy wazne jest to, ze opisane wyzej, tym razem indukowane termomechanicznie, deformacje ziaren okazujq siç trwate, co oznacza, ze nie zanikajq po wychtodzeniu elementu i jego po-wroci do temperatury wyjsciowej. Trwata pozostaje zatem row -niez podatnosc badanej stali na kruche pçkanie.

Na innego rodzaju zaleznosci wskazano w pracy [16], podajqc za T.S. Harmathym, ze wraz ze wzrostem szybkosci nagrzewania stali w badaniach eksperymentalnych obserwowano coraz wyz-sze wartosci charakteryzujqcych jq wytrzymatosci Re i Rm, przy czym efekt ten okazywat siç tym bardziej znaczqcy, im wyzsza byta odnoszqca siç do niego temperatura materiatu. W pracy [17] zwrocono jednak uwagç na to, ze wartosci analizowanych para-metrow zalezq w tym przypadku rowniez od samej metodyki ba -dania. Jezeli test jest probq izotermicznq (temperatura elementu jest stata, a obciqzenie probki siç zwiçksza), to wartosc otrzyma -nej granicy plastycznosci jest znaczqco wyzsza od tej uzyskanej z proby anizotermicznej (obciqzenie elementu jest state, a jego temperatura rosnie). Zjawisko to jest szczegolnie wyrazne na poziomie wydtuzenia 0,2%, zanika natomiast przy poziomie 1%.

Jeszcze bardziej istotne podczas okreslania na etapie inwen -taryzacji efektywnej ciqgliwosci wystudzonej stali wydajq siç przebieg i intensywnosc procesu stygniçcia rozgrzanego wcze-sniej elementu. Proces ten w wielu przypadkach trzeba wiqzac z prowadzonq akcjq gasniczq. W poprzednim rozdziale wskazano, ze zbyt gwattowne obnizanie temperatury stali na skutek ob -fitego polewania jej zimnq wodq inicjuje w niej przemianç baini-tycznq i/lub przemianç martenzytycznq. Nalezy uzupetnic, ze na ogot skutkuje tez powstawaniem w strukturze materiatu siatki wewnçtrznych mikrouszkodzen, w szczegolnosci mikropçkniçc, ktore mogq siç w niebezpieczny sposob nasilic w pozniejszym okresie uzytkowania elementu konstrukcyjnego po pozarze.

thermomechanically induced deformations described above are permanent, which means that they do not disappear after a member is cooled down and returns to its initial temperature. The susceptibility of the studied steel-to-brittle fracturing is also permanent.

Other correlations are indicated in [16], which cites T.S. Har-mathy's findings that as the rate of heating steel in experimental studies increases, higher values of Re and Rm strength are observed. As the material's temperature increased, this effect was even more significant. [17] points out, however, that the values of the analysed parameters in this case also depend on the study methodology. If the test is an isothermal test (constant member temperature and increasing sample load), the obtained yield-limit value is considerably higher than that obtained in the anisothermal test (constant load, increasing temperature). This is especially noticeable at an elongation of 0.2%, and disappears at 1%.

Even more important for determining the effective ductility of cooled-down steel during a post-fire inventory is the course and intensity of the cooling of a structural member which was previously exposed to high temperatures. In many cases, this process is inextricably linked to the firefighting operation. It was indicated in the previous chapter that when the temperature of steel is reduced at an excessive rate, with large amounts of cold water poured onto it, a bainitic and/or martensitic transformation can be initiated. It should be added that this usually also results in internal micro-damage, especially micro-cracks, in the material's microstructure, which can become exacerbated when the structural member is reused after the fire.

Zmiany strukturalne zachodzqce w ogrzewanych podczas pozaru prçtach stalowych stosowanych do zbrojenia betonu

Stalowe prçty stosowane wspotczesnie do zbrojenia betonu produkuje siç z wykorzystaniem jednej z trzech podstawowych technologii. Sq to prçty:

- ze stali umocnionej w kontrolowanym procesie obrobki cieplnej (work-hardened steels);

- ze stali domieszkowanej wanadem (steels microalloyed with vanadium);

- o strukturze hybrydowej, ze stali ksztattowanej w procesie trojfazowego kontrolowanego chtodzenia typu Tempcore.

Kazda z tych technologii jednoznacznie definiuje odpowiada-jqcy jej typ mikrostruktury stali okreslany w temperaturze pokojo-wej, a zarazem determinuje zachowanie siç tej stali w warunkach pozaru. Badania zmian strukturalnych w wymienionych rodzajach prçtow po epizodach ich nagrzewania i stygniçcia podczas eks -perymentalnie symulowanej dla nich ekspozycji na ogien szcze -gotowo opisano w pracy [18] w odniesieniu do stali FeB500S [19],

Structural changes occurring in steel reinforcing bars heated in a fire

Modern steel reinforcing bars are manufactured using three basic technologies. Nowadays, reinforcing bars are made of

- work-hardened steels;

- steels microalloyed with vanadium; or

- hybrid steels, shaped in the Tempcore process, involving three-stage controlled cooling.

Each of these technologies clearly defines its corresponding steel microstructure type observed at room temperature, and also determines the behaviour of steel in a fire. Studies of structural changes in the said types of bar following heating-and-cooling episodes during experimentally simulated exposure to fire are described in detail in [18] with reference to FeB500S steel [19], including in particular with reference to BSt500S steel [20]. This paper is confined to a brief presentation of bars, providing an overview

w tym szczegolnie w odniesieniu do stali BSt500S [20]. W niniej-szym artykule ograniczono siy jedynie do krotkiej prezentacji pry -tow pozwalajgcej zapoznac siy z podstawowymi roznicami w ich reakcji na oddziatywanie temperatury pozarowej, zwtaszcza ta-kimi, ktore tgczg siy ze zmianami w mikrostrukturze materiatu.

Jesli chodzi o pryty wykonane ze stali poddanej klasyczne-mu procesowi kontrolowanej obrobki cieplnej, to w temperaturze pokojowej, jako stale podeutektoidalne, majg one typowg struktury ferrytyczno-perlityczng. Przy nagrzewaniu do temperatury 600°C struktura ta nie zmienia siy znaczgco, z tym ze w temperaturze ponizej 300°C twardosc nieznacznie i stopniowo siy zwiyksza, co jest ttumaczone typowymi procesami starzenia, a w temperaturze 300-600°C twardosc ta ponownie siy zmniej -sza, co tym razem wynika z zainicjowania procesow zdrowienia. Nagrzewanie do temperatury powyzej 700°C jest juz zwigzane z czysciowym wyzarzeniem badanej stali i towarzyszgcymi mu poczgtkami rekrystalizacji. Pomimo tej rekrystalizacji widac wtedy ponowne, choc - znow - jedynie nieznaczne, zwiyksze-nie siy twardosci. Warto jeszcze zaznaczyc, ze w efekcie poja-wienia siy struktury pasmowej generujgcej anizotropiy cech mechanicznych badanej stali mamy w tym przypadku do czy-nienia z okoto 2-procentowym wzmocnieniem tych cech, jesli probka wycinana jest rownolegle do kierunku walcowania [18].

Pryty ze stali domieszkowanej wanadem majg nieco inng struktury, sktadajgcg siy z osnowy ferrytycznej wzbogaconej gtownie stosunkowo matymi koloniami drobnego perlitu. Rozmiar ziaren w takiej strukturze jest warunkowany wprowadzanym do stali wanadem [21, 22]. Alternatywnie stale tego typu mogg byc domieszkowane niobem. W czasie przemiany ferrytu w austenit atomy wanadu sg bardzo podatne na segregacjy na granicach zia -ren ferrytu oraz na tworzenie dziyki reakcjom chemicznym swoich wyglikow i azotkow. W rezultacie takie wydzielenia sg efektywng bariery dla potencjalnego ruchu dyslokacji na granicach ziaren struktury, a zatem polepszajg granicy plastycznosci materiatu i jego odpornosc ogniowg. Nagrzewanie stali o takiej mikrostrukturze inicjuje przy tym grupowanie siy i koalescencjy wczesniej istniejgcych, pojedynczych matych wydzielen, co skutkuje zwiyk-szaniem siy ich rozmiaru, a zatem i lepszg efektywnoscig ich od-dziatywania. Rownoczesnie na granicach ziaren ferrytu pojawia-jg siy nowe wydzielenia. Ocenia siy, ze wzmiankowane wczesniej wygliki i azotki wanadu (lub niobu) wydzielajg siy mniej wiycej do temperatury 500°C. W efekcie tego w temperaturze ponizej 300°C wraz ze wzrostem temperatury stali stopniowo, ale nieznacznie zwiyksza siy jej twardosc. Twardosc ta przy dalszym nagrzewaniu tego typu stali pozostaje juz w zasadzie na statym poziomie. Stale domieszkowane wanadem (lub niobem) sg na ogot twardsze od stali poddanych typowemu procesowi obrobki cieplnej w za-kresie temperatury, ktory przedstawiono w niniejszym artykule.

Pryty wykonane ze stali poddanej trojfazowej obrobce ter-micznej typu Tempcore majg bardzo specyficzng, ale intencjo-nalnie ksztattowang mikrostruktury. Obrobka nakierowana jest na uzyskanie w temperaturze pokojowej stosunkowo ciggliwego rdzenia otoczonego przez odpowiednio twardg, a przez to mato plastyczng, warstwy wierzchnig rozmieszczong koncentrycznie wzglydem tego rdzenia. W ten sposob tgczy siy ze sobg i kojarzy pozornie wzajemnie sprzeczne wtasciwosci uzytkowe, co daje nawet pewien efekt synergii [23]. Pierwsza faza procesu typu

of the fundamental differences in their reactions to fire temperatures, especially those combined with changes in the material's microstructure.

Bars made of steel subjected to the standard process of controlled heat treatment feature a ferrite-pearlite microstructure, which is typical of sub-eutectoid steels. When heated to 600°C, this structure does not change substantially, although at temperatures below 300°C, its hardness slightly and gradually increases, which is attributable to the typical ageing processes. At a temperature of 300-600°C, however, the hardness starts to decrease again, which is due to the initiation of the healing processes. Heating to a temperature above 700°C, in turn, involves a partial annealing of the studied steel, and the associated early re-crystallisation processes. Despite re-crystallisation, the observed hardness once again increases, although only slightly. It should be added that due to the appearance of the banded structure, which generates the anisotropy of mechanical properties in the studied steel, there is about a 2-percent increase in those properties if the sample is cut parallel to the rolling direction [18].

Bars made of steel microalloyed with vanadium have a slightly different structure, composed of a ferrite matrix enriched with relatively small colonies of fine pearlite. The grain size in such a microstructure is determined by the vanadium added to steel [21, 22]. Alternatively, this type of steel can be microalloyed with niobium. During ferrite-to-austenite transformation, vanadium atoms are very susceptible to segregation at the boundaries of ferrite grains, as well as to the forma -tion of their iron carbides and nitrides as a result of chemical reactions. Consequently, such precipitation areas represent an effective barrier to potential dislocation movement at the boundaries of the microstructure's grains, thereby improving the yield limit and fire resistance of the material. Heating steel with such a microstructure also initiates the grouping and coalescence of pre-existing, small, single, precipitation areas. This results in their increased size and, by extension, improved effectiveness. At the same time, new precipitation areas are emerging at the boundaries of ferrite grains. It is estimated that the previously mentioned iron carbides and vana -dium (or niobium) nitrides are released up to a temperature of about 500°C. Due to this, at a temperature lower than 300°C, steel hardness gradually increases with temperature, but only slightly. When this type of steel continues to be heated, this hardness generally remains constant. Steels microalloyed with vanadium (or niobium) tend to be harder than steels subjected to the typical heat-treatment process within the temperature range presented in this paper.

Bars made of Tempcore steel (subjected to three-stage thermal treatment) have a very specific, but intentionally shaped, microstructure. The treatment is aimed at obtaining a relatively ductile core surrounded by a sufficiently hard, and therefore not very ductile, outer layer, spread concentrically around the core. This is done to combine seemingly mutually exclusive performance parameters, which brings about a certain synergy effect [23]. The first stage of the Tempcore process, including its corresponding QTB (quenching and tempering bars) technology, involves the intense water cooling of

Tempcore, w tym mi?dzy innymi odpowiadajqcej mu technolo-gii QTB (quenching and tempering bars), polega na intensywnym chtodzeniu wodq pr?ta wychodzqcego z ostatniej klatki walcow-niczej. Dzi?ki odpowiednio duzej intensywnosci chtodzenia na po -wierzchni pr?ta uzyskuje si? warstw? martenzytycznq o zatozonej gt?bokosci. Druga faza procesu rozpoczyna si? bezposrednio po opuszczeniu przez pr?t linii chtodzenia wodnego i wejsciu w stre -f? chtodzenia na wolnym powietrzu. W tej fazie ciepto z gorqcego rdzenia pr?ta rozprzestrzenia si? konwekcyjnie ku powierzchni tego pr?ta, co powoduje samoodpuszczenie warstwy martenzy-tu. Odpuszczenie to zapewnia odpowiedniq ciqgliwosc materia-tu przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej wartosci umownej granicy plastycznosci charakteryzujqcej ten materiat. W trzeciej fazie procesu ma miejsce swobodne stygni?cie pr?tow na chtod -ni pokrocznej. Wtedy w rdzeniu pr?ta zachodzi semiizotermicz-na przemiana austenitu. W efekcie zastosowania opisanej wyzej procedury obrobki cieplnej uzyskuje si? pr?t stalowy, ktorego mi -krostruktura cechuje si? trzema koncentrycznie rozmieszczonymi warstwami. W rdzeniu jest klasyczna struktura ferrytyczno-per-lityczna. Otacza jq warstwa posrednia ze strukturq powstatq ze zmieszanego bainitu i ferrytu. W koncu warstw? powierzchniowq, najbardziej zewn?trznq, opisuje struktura typowa dla martenzytu po odpuszczeniu. Zmiany strukturalne, ktore w pr?tach wykona-nych z tego typu stali zostaty wywotane nagrzewaniem podczas pozaru, ograniczajq si? na ogot jedynie do zewn?trznej, przypo-wierzchniowej warstwy opisanej powyzej struktury. Trzeba je sko-jarzyc z jej ostabieniem post?pujqcym ze wzrostem temperatury materiatu, co z kolei jest skutkiem zmniejszajqcej si? w trakcie nagrzewania mikrotwardosci. Autorzy raportu [18] informujq przy tym, ze tego typu ostabienie w przypadku pr?tow o srednicy 8 mm rozpoczynato si? dopiero w temperaturze 600°C, a w przypadku pr?tow grubszych, o srednicy 12 mm, jeszcze pozniej, bo az w tem -peraturze 700°C. Zawsze jednak, w catym rozwazanym zakresie temperatury pr?ta, warstwa ta pozostaje znaczqco twardsza niz chroniony przez niq odpowiednio ciqgliwy rdzen.

the bar coming out from the last rolling mill. With a sufficiently high intensity of cooling on the bar's surface, a martensitic layer of a predefined depth can be obtained. The second stage of the process starts immediately after the bar leaves the wa -ter-cooling line and enters the free-air-cooling area. At this stage, the heat from the hot core of the bar spreads by convection towards the bar's surface, which causes the self-tem -pering of the martensite layer. This tempering ensures the appropriate ductility of the material, while maintaining a high value of the conventional yield limit specific to this material. The third stage of the process involves the free cooling of bars on a walking-beam cooling bed. At this point a semi-isothermal austenite transformation occurs in the core of the bar. The heat-treatment procedure described above yields a steel bar with a microstructure featuring three concentrically distributed layers. The core features the classic ferrite-pearlite structure. It is surrounded by an intermediate layer with a structure com -posed of mixed bainite and ferrite. Finally, the surface, outermost, layer is composed of a structure typical of martensite after tempering. Structural changes, which in bars made of this type of steel were triggered by heating in a fire, are usually limited only to the outer, near-surface, layer placed above the structure. These changes are evidently attributable to the weakening of this structure, progressing along with the increase in the material's temperature caused by the decrease in micro-hardness in the heating process. According to the authors of report [18], this kind of weakening in bars with a di -ameter of 8 mm only began at a temperature of 600°C, and in the case of thicker bars with a diameter of 12 mm, even later, at 700°C. This layer, however, remains considerably harder than the ductile core protected by it across the considered temperature range of the bar.

Odw^glenie stali, grafityzacja i sferoidyzacja cementytu

Bardzo niebezpiecznym zjawiskiem wyraznie i trwale zmi?k-czajqcym stal konstrukcyjnq wystudzonq po epizodach nagrzewania i stygni?cia podczas pozaru jest jej odw?glenie. Jest ono zwykle inicjowane na powierzchni gorqcego elementu konstruk-cyjnego przez oddziatywanie dwutlenku w?gla, zgodnie z reakcjq:

Fe3C + CO2 ^ 3Fe + 2CO (6)

co skutkuje zubozeniem zewn?trznej warstwy ogrzanej stali

0 budujqcy jq cementyt. Mimo ze proces odw?glania ze wzgl? -du na charakter kontaktu z gazem przebiega w zasadzie na powierzchni elementu stalowego, stopniowy zanik cementytu w tym miejscu nieuchronnie indukuje jego dyfuzj? z gt?bszych obszarow, co prowadzi do zwi?kszania si? jego deficytu. Struktur? typowej stali ferrytyczno-perlitycznej po jej odw?gleniu

1 wystudzeniu stanowi ferrytyczno-perlityczny rdzen przecho-dzqcy stopniowo, w miar? zblizania si? do warstw zewn?trznych,

The decarburisation, graphitisation and spheroidisation of cementite

A very dangerous phenomenon, which has a noticeable and permanent softening effect on structural steel when cooled down after heating-and-cooling episodes in a fire, is its decar-burisation. It is usually triggered on the surface of a hot structural member by carbon dioxide, as in the following reaction

Fe3C + CO2 ^ 3Fe + 2CO (6)

which results in the depletion of cementite making up the external layer of heated steel. Even though the decarburisation process usually takes place on the surface of a steel member due to the nature of the contact with gas, the gradual depletion of ce -mentite in this area leads to its inevitable diffusion from deeper regions, which increases its deficit. The microstructure of typi -cal ferrite-pearlite steel after decarburisation and cooling consists of a ferrite-pearlite core, which gradually transitions into a typically ferritic area as it gets nearer to the external layers.

w obszar typowo ferrytyczny. Dodatkowo w warstwie odwy-glonej obserwuje siy zwykle niewielki, indukowany termicz-nie, rozrost ziaren ferrytu. Struktura czysto ferrytyczna jest pod pewnymi wzglydami korzystna dla przysztego uzytkowania opisywanej stali. Niska zawartosc wygla w przypadku zaj-scia kolejnych epizodow - najpierw gwattownego nagrzewania, a nastypnie szybkiego chtodzenia - w zasadzie uniemozliwia powstawanie wewngtrz materiatu elementow struktury martenzytycznej lub bainitycznej o matej plastycznosci. Poza tym sam ferryt jest sktadnikiem strukturalnym miykkim, wobec cze-go w przypadku zaobserwowania odwyglenia stali konstrukcyjnej mozna oczekiwac zwiykszenia siy jej plastycznosci i ciggli -wosci kosztem jednak wyraznego zmniejszenia siy twardosci. Taki zestaw cech skutkuje jednak z reguty pogorszeniem siy parametrow determinujgcych wytrzymatosc. W dodatku w kon-strukcyjnych stalach normalizowanych moze prowadzic do po -wstawania i propagacji pykniyc zmyczeniowych. Niekorzystny jest rowniez sam rozrost ziaren ferrytu, zwtaszcza przy dtugim nagrzewaniu. Zjawisko to bowiem stopniowo ostabia, a w kon-cu usuwa efektywne przeszkody uniemozliwiajgce swobodny ruch dyslokacji na granicach ziaren, co zawsze skutkuje pogorszeniem siy wtasciwosci wytrzymatosciowych.

Gwoli scistosci trzeba jednak zauwazyc, ze po inwentaryza-cji stalowych elementow konstrukcyjnych po pozarze na ich po-wierzchni czysto obserwowano rowniez - odwrotny do wyzej opi -sanego - efekt dodatkowego nawyglenia. Wigze siy on z wyraznym zwiykszeniem siy twardosci materiatu, ale zarazem - ze zmniej-szeniem siy jego ciggliwosci. Mikroskopowy obraz powierzch-ni stali typowy dla jej nawyglenia pokazano i przedyskutowano w pracy [24]. Wyraznie ciemniejszemu obszarowi grafitu towa-rzyszy na nim znacznie jasniejsza otoczka oksydowanego zelaza.

Zjawisku odwyglenia stali w warunkach jej nagrzewania w atmosferze utleniajgcej moze towarzyszyc grafityzacja. Po-lega ona na rozktadzie cementytu, zgodnie z reakcjg:

Fe3C ^ 3Fe + C (grafit) (7)

Chodzi zatem o wytrgcanie wygla w postaci grafitu wskutek dekompozycji perlitu na ferryt i grafit. Wydzielenia grafitu formu-jg przy tym ciggte warstwy usytuowane prostopadle do kierunku przytozonego obcigzenia [25]. Warstwy te rozmieszczone sg jed -nak losowo w mikrostrukturze materiatu, a wiyc ostabiajg jego zdolnosc przenoszenia obcigzen. Opisany wyzej proces moze zachodzic przy dtugotrwatej ekspozycji na ogien w temperaturze okoto 500°C. Otrzymany w ten sposob grafit nazywany jest rowniez wyglem zarzenia. Przy obserwacjach mikroskopowych, nawet bez trawienia, jest on widoczny w postaci czarnych wy-dzielen. W warunkach pozarowych w zaleznosci od czasu ekspozycji moze dochodzic do grafityzacji niezupetnej lub grafity-zacji zupetnej. W pierwszym przypadku mamy do czynienia ze strukturg ferrytyczno-perlityczng z wydzieleniami grafitu. Grafityzacja zupetna prowadzi natomiast do wytworzenia struktury czystego ferrytu zmieszanego z grafitem. Oba zjawiska majg w zasadzie charakter powierzchniowy. Na zdolnosc do grafityzacji majg wptyw rowniez dodatki stopowe. W przypadku stali konstrukcyjnych istotna jest przede wszystkim zawartosc manganu, ktory przeciwdziata procesowi wydzielania grafitu. Dla-tego tez zainicjowanie zjawiska jest bardziej prawdopodobne

In addition, a slight, thermally induced, ferrite grain growth is usually observed in the decarburised layer. A compressed ferrite microstructure has certain benefits for the future use of steel described here. Low carbon content, in the case of successive episodes - first rapid heating, then rapid cooling - essentially prevents martensitic or bainitic microstructure elements with a low ductility from forming inside the material. Moreover, ferrite is a structurally soft component, which means that if the decarburisation of structural steel is observed, its plasticity and ductility might be expected to increase at the cost of a significant decrease in hardness. Such a set of features usually causes deterioration in the resistance-determining parameters. In addition, in standardised structural steels it can lead to the formation and propagation of fatigue cracks. Ferrite-grain growth alone is also undesirable, particularly following long heating, as it gradually weakens, and eventually removes, the effective obstacles preventing free dislocation movement at grain boundaries, which always results in the deterioration of strength properties.

For clarity, it should be noted that carburisation, which is the opposite of the above, was often observed in a post-fire inventory of steel structural members. This involves a considerable increase in material hardness paired with reduced ductility. A microscopic image of a steel surface typical for its carburisation is shown and discussed in [24]. In the picture, a clearly darker area of graphite can be seen accompanied by a much brighter layer of oxidised iron.

When heated in an oxidising atmosphere, steel can be car-burised and graphitisised at the same time. It involves the decomposition of cementite, as in the following reaction

Fe3C ^ 3Fe + C (graphite) (7)

This involves the precipitation of carbon in the form of graphite as a result of the decomposition of pearlite into ferrite and graphite. In the process, graphite precipitation also forms continuous layers perpendicular to the applied load [25]. However, these layers are laid out randomly in the material's microstructure, so they reduce its ability to transfer loads. The process described above can occur under prolonged exposure to fire at a temperature of about 500°C. The graphite thus obtained is also known as temper carbon. On microscopic examination, even without pickling, it is visible as black precipitation. Under fire conditions, depending on the duration of exposure, partial or complete graphitisation can occur. The former results in a ferrite-pearlite microstructure with graphite precipitation. The latter leads to the formation of a compressed iron-ferrite micro -structure mixed with graphite. Both phenomena are essentially of a surface nature. Alloy additions also influence graphitisation capacity. In the case of structural steel, the essential factor is the content of manganese, which prevents graphite precipitation. Hence, graphitisation is more likely to be initiated in St3S and S235 steels than in 18G2 and S355 steels. Graphite, being a non-metallic phase, has an unfavourable effect on steel properties, as it has low strength and hardness. Graphite precipitation in the form of sharp-edged flakes has an effect similar to that of notches, which also makes steel more prone to brittle fracturing.

w stalach St3S i S235 niz w stalach 18G2 i S355. Grafit bçdqcy fazq niemetalicznq wptywa niekorzystnie na wtasciwosci stali, gdyz sam cechuje siç matq wytrzymatosciq i twardosciq. Poza tym wydzielenia grafitu w postaci ptatkow o ostrych krawçdziach majq dziatanie podobne do oddziatywania karbu, co dodatkowo zwiçksza podatnosc stali na kruche pçkanie.

Przy nagrzewaniu elementu stalowego podczas pozaru do temperatury wyzszej od temperatury grafityzacji, to znaczy mniej wiçcej do 550°C i powyzej, bardziej prawdopodobne wydaje siç za -inicjowanie w nim procesu sferoidyzacji cementytu. W takim przypadku degradacja perlitu prowadzi do formowania siç wydzielen cementytu kulkowego zmiçkczajqcego stal. Charakterystyczne jest tu dqzenie do tworzenia siç konglomeratow cementytu o jak najwiçkszej srednicy. Dzieje siç tak jednak tylko wtedy, gdy czas ekspozycji na ogien jest stosunkowo dtugi. Jesli podczas pozaru stal bçdzie nagrzewana zbyt krotko, to prawdopodobnie doj-dzie w niej jedynie do czçsciowej sferoidyzacji. Wtedy w osnowie ferrytycznej bçdzie mozna zaobserwowac cementyt wydzielony w postaci zarowno kulistych czqstek, jak i ptytek charakterystycz-nych dla opisanej wczesniej grafityzacji. Podatnosc stali na za-inicjowanie sferoidyzacji zalezy od struktury tej stali. Perlit drob-noziarnisty koaguluje bowiem wyraznie szybciej niz perlit gruby.

Sferoidyzacja moze zachodzic rowniez przy krotszej ekspozy -cji na ogien, ale pod warunkiem, ze temperatura elementu w czasie pozaru wyniesie okoto 750°C. Jej mechanizm jest jednak wtedy nieco odmienny. W nagrzewanej stali powstaje wowczas struktura niejednorodnego austenitu wymieszana z pozostatosciami nieroz-puszczonego cementytu. Taki uktad prowadzi do lokalnych roznic w stçzeniu sktadnikow roztworu, a te z kolei inicjujq zachodzenie sferoidyzacji w trakcie jego powolnego chtodzenia.

W procesach metalurgicznych, kojarzonych miçdzy innymi z intencjonalnie zaprojektowanq i kontrolowanq obrobkq ciepl-nq stali, sferoidyzacja cementytu uznawana jest z reguty za zja -wisko pozqdane. W jej wyniku bowiem materiat staje siç mniej twardy i bardziej ciqgliwy. Zmianom tym towarzyszy jednak pew -ne zmniejszenie siç efektywnej wytrzymatosci na rozciqganie.

Powyzsze efekty trzeba przedstawic na tle bardziej ogolne -go zjawiska zwiqzanego z nasilajqcym siç w wysokiej tempe-raturze wydzielaniem wçglikow pierwiastkow stopowych i/lub domieszek, gtownie fosforu i antymonu. Koncentrujq siç one z reguty na granicach ziaren ferrytu, ostabiajqc ich spojnosc [25].

Uwagi koncowe

Z powyzszych rozwazan jednoznacznie wynika, ze klasycz-na ocena przydatnosci elementu stalowego do dalszego uzytko-wania po pozarze w ustrojach nosnych obiektow budowlanych - dokonana po przeprowadzeniu szczegotowej inwentaryzacji zaobserwowanych trwatych deformacji prçtôw, uzupetnionej je -dynie o wyniki lokalnie wykonanych prob rozciqgania - zdecy-dowanie nie wystarcza do uzyskania miarodajnych i wiarygod-nych informacji o faktycznej zdolnosci materiatu, ktory zostat przetworzony podczas epizodow nagrzewania i stygniçcia, do dalszego przenoszenia obciqzen. Nie uwzglçdnia ona bowiem wielu czynnikow determinujqcych zarowno jego zmienione po

During the heating of a steel structural member in a fire to a temperature above the temperature of graphitisation, i.e. to about 550°C and above, the initiation of the cementite-sphe-roidisation process seems more likely. In such a case, the degradation of pearlite leads to the formation of spheroidised cementite, which softens the steel. This involves a distinctive tendency towards the formation of cementite conglomerates with as large a diameter as possible. However, this happens only when the time of exposure to fire is relatively long. If steel is not heated for a sufficiently long time in a fire, the spheroidi -sation will probably only be partial. In such a case, cementite precipitation observed in the ferrite matrix will assume the form of spheroid particles mixed with plates characteristic of graphitisation, as described above. The susceptibility of steel to spheroidisation depends on its microstructure, as fine-grained pearlite coagulates at a much higher rate than coarse-grained pearlite.

Spheroidisation can also occur under a shorter exposure to fire, provided that the structural member's temperature in a fire reaches about 750°C. This involves a slightly different mechanism, however, with a non-homogeneous austenite structure mixed with remainders of non-dissolved cementite forming in heated steel. Such a structure leads to local variations in the concentrations of various solution components, which, in turn, initiate spheroidisation during its slow cooling.

In metallurgical processes, which are associated, inter alia, with the intentionally designed and controlled heat treatment of steel, cementite spheoridisation is generally regarded as de -sirable, as it reduces the hardness and increases the ductility of the material. These changes are, however, combined with a certain reduction in the effective tensile strength.

The effects described above should be presented in the context of a more general phenomenon involving the precipitation of carbides of alloying elements and/or additions, mainly phos -phorus and antimony. They usually concentrate at the bounda -ries of ferrite grains, weakening their cohesion [25].

Concluding remarks

Our investigation clearly demonstrates that the standard assessment of a steel-structural-member's fitness for re-use after fire in the load-bearing structures of buildings - performed fol -lowing a detailed inventory of the observed permanent deformations of bars, and supplemented only with the results of local tensile testing - is definitely insufficient to obtain reliable information on the actual load-carrying capacity of material which has been exposed to heating-and-cooling episodes. The reason is that such an assessment fails to account for a number of factors determining both its mechanical properties, which changed (unfavourably) after exposure to fire, and its ductility

ekspozycji na ogien (z reguty na niekorzysc) wtasciwosci mechaniczne, jak i jego ciggliwosc (ktora znaczgco i trwale zostaje zmniejszona). Do najbardziej istotnych sposrod tego typu czyn -nikow trzeba niewgtpliwie zaliczyc intensywnosc i tempo zmian temperatury elementu, a takze sam scenariusz jego nagrzewa -nia i stygniycia. O tym, jak zachowa siy kiedys ogarniyty przez ogien, a nastypnie mniej lub bardziej gwattownie wystudzony element stalowy, w duzej mierze decydujg termicznie induko-wane zmiany zachodzgce w jego mikrostrukturze, co czysto nie jest dostrzegane. Jedynym sposobem na zbadanie, czy w da-nym przypadku tego typu zagrozenia rzeczywiscie istniejg i czy ewentualnie majg znaczgcy wptyw na odksztatcalnosc stali, jest uzupetnienie analizy eksperckiej co najmniej o metalograficz-ng weryfikacjy zastanej po pozarze mikrostruktury oraz o testy udarnosci i twardosci wystudzonego materiatu.

W niniejszej pracy skupiono siy na szczegotowym opisie tych potencjalnych w warunkach pozaru zmian wywotanych w mikrostrukturze stali konstrukcyjnej, ktore skutkujg niezamierzonym zwiykszeniem siy twardosci tego materiatu. Wiykszg twardosc stali uzyskuje siy jednak z towarzyszeniem bardzo niekorzyst-nego w kontekscie ewentualnego przysztego jej wykorzystania w ustrojach nosnych obiektow budowlanych, czysto radykalne-go, zmniejszenia siy jej ciggliwosci i udarnosci. Taki zestaw cech ocenianej stali nieuchronnie oznacza trudne do zaakceptowania ryzyko ujawniania siy w niej, a nastypnie nieograniczonej propa-gacji kruchych pykniyc oraz innego rodzaju uszkodzen [26] powo-dujgcych nagtg i niespodziewang utraty mozliwosci bezpiecznego przynoszenia obcigzen. Dyskutowane wyzej zjawiska z pewnoscig nie wyczerpujg zestawu zagrozen dla stalowej konstrukcji nosnej zawierajgcej elementy przywrocone do uzytkowania po pozarze. Pogorszenie siy wtasciwosci plastycznych stali po epizodach nagrzewania i stygniycia podczas pozaru moze byc wzmocnio-ne na przyktad wystgpieniem efektu Portevina - Le Chateliera uwidaczniajgcego siy przez zgbkowanie krzywej о - e w zakresie odksztatcen plastycznych stali. Efekt ten zaobserwowano, jakkolwiek w bardzo ograniczonym zakresie, w badaniach raporto-wanych w [24]. Poza tym szczegolnie podatne na trwate pogorsze -nie siy wtasciwosci mechanicznych po pozarze bydg stale, ktore uzyskaty swoje nominalne parametry w wyniku wczesniejszego zgniotu. Wynika to z tego, ze poczgtkowy efekt utwardzenia materiatu szybko zanika wraz ze wzrostem temperatury. W wyniku redukcja bydzie tym wiyksza, im wiykszy byt wyjsciowy zgniot. Innym skutkiem pozaru, takim, ktory takze powinien byc brany pod uwagy w ewentualnej analizie statycznej przeprowadzanej po pozarze, sg potencjalne efekty reologiczne. Chodzi tu gtownie

0 wptyw zintensyfikowanego w wysokiej temperaturze petzania stali i czysto towarzyszgcej mu relaksacji napryzen.

Ocena przydatnosci stali po pozarze do jej ponownego wykorzystania w ustrojach nosnych znacznie siy komplikuje, gdy podczas pozaru wystgpity wielokrotne epizody nagrzewania

1 catkowitego lub chocby czysciowego stygniycia wykonanych z niej elementöw. Powyzsza problematyka zostata w pewnym stopniu podjyta w pracach [27] i [28]. Wskazano tam na koniecz-nosc precyzyjnej analizy napryzen z uwzglydnieniem odksztatcen trwatych kumulujgcych siy w elemencie po kazdym poje-dynczym epizodzie. Wigze siy to ze szczegotowym rozwazaniem pytli histerezy identyfikowanych na poszczegolnych krzywych

(which was considerably and permanently reduced). The most significant factors here include the intensity and rate of temperature change in the member, and also the course of its heating and cooling. The behaviour of a steel structural member exposed to fire, and later more or less rapidly cooled, largely depends on the thermally induced changes occurring within the microstructure, which are often not recognised. The only way to determine whether such threats are actually present in a given case, and whether they have a potentially significant influence on steel deformability, is to supplement expert analysis with at least a metallographic verification of the microstructure observed after the fire, and impact toughness and hardness tests of the cooled-down material.

This paper focuses on a detailed description of such potential fire-induced changes within structural steel microstruc -tures, which result in an unintentional increase in the material's hardness. Although higher hardness is achieved, it is combined with an often dramatic reduction in ductility and impact toughness, which is highly unfavourable in the context of its potential re-use in the load-bearing structures of buildings. Such a set of features of the analysed steel leads to the largely unacceptable risk of the emergence, and later the unrestricted propagation, of brittle fractures and other damage [26] within the material, which cause a rapid and unexpected loss of its load-carrying capacity. The phenomena discussed above certainly represent only a fraction of threats to a steel load-bearing structure containing structural members re-used after a fire. For instance, steel-plasticity reduction following heating-and-cooling episodes in a fire can be exacerbated by the Portevin-Le Chatelier effect, which is visible in serrated a - e curves for plastic deformations. This effect was observed, although to a very limited extent, in studies reported in [24]. In addition, steels which achieved their nominal parameters as a result of previous cold work are particularly prone to a permanent loss of mechanical properties. This is due to the fact that the initial material-hardening effect quickly disappears as the temperature rises. The scale of this reduction depends on the extent of the initial cold work. Another consequence of exposure to fire which should be taken into account in a static analysis after the fire involves potential rheological effects. These effects are primarily associated with the impact of creep, which intensifies at high temperatures, and the related stress relaxation.

The assessment of the fitness of steel for re-use after a fire in load-bearing structures becomes much more complicated if the fire involved multiple episodes of heating and complete or partial cooling of the structural members. This subject was partially addressed in [27] and [28]. They suggest that thorough stress analyses are required which take into account permanent deformations accumulating in the structural member after each episode. This involves a detailed consideration of the hysteresis loops identified on individual a - e curves assigned to those regions of the load-bearing structure which are exposed to fire, including the additional impacts generated by the Bauschinger effect, which always accompanies such a hysteresis. As a more general observation, it should be emphasised that the designer, when assessing the fitness for re-use

о - е przypisanych do ogarniçtych przez ogien miejsc ustroju nosnego, a takze z uwzglçdnieniem dodatkowych wptywow ge-nerowanych przez zawsze towarzyszqcy takiej histerezie efekt Bauschingera. Podchodzqc do zagadnienia bardziej ogolnie, nalezy podkreslic, ze projektant, oceniajqc przydatnosc danego elementu, nie tylko stalowego, do dalszego uzytkowania po pozarze, zawsze musi siç liczyc z obecnosciq wytwarzanego w nim termicznie, czçsto niekorzystnego w kontekscie przysztej pracy statycznej, rozktadu naprçzen wtasnych. Z naprçzeniami tymi ma zresztq do czynienia nawet wtedy, gdy w takim elemencie nie widac zadnych znaczqcych odksztatcen. Z tego wzglçdu w ana -lizie stanu technicznego konstrukcji po pozarze warto modelo-wac tego typu potencjalne rozktady jako klasyczne imperfekcje.

W ocenie autorow zagadnienia podjçte w niniejszej analizie nie byty dotychczas z dostatecznq uwagq rozwazane i dyskuto-wane w typowych ekspertyzach dotyczqcych stanu technicznego konstrukcji stalowych po pozarze. Z tego powodu wiele kwestii nadal nie jest do konca rozpoznanych, a wnioski rekomendowane w profesjonalnej literaturze nie zawsze sq spojne i jednoznaczne. Nie ma rowniez prostego przetozenia pozwalajqcego bezkrytycz-nie wykorzystac na tym polu bardzo juz przeciez obszernq wiedzç obejmujqcq opisanie i ksztattowanie specjalnie dobranych pro-cesow metalurgicznych zwiqzanych ze stalami konstrukcyjnymi. Wydaje siç jednak, ze w miarç usystematyzowana i doswiadczal -nie zweryfikowana analiza wyzej opisanych zjawisk jest w srodo-wisku projektantow oczekiwana. Wypetnia ona bowiem swoistq lukç informacyjnq, dziçki czemu ma istotne znaczenie praktycz-ne. Przyktadem poswiçcenia odpowiedniej uwagi tego typu roz-wazaniom - dotyczqcym najpierw szczegotowego rozpoznania zmian strukturalnych zachodzqcych w stali konstrukcyjnej za-stosowanej w ogarniçtych przez pozar i wystudzonych po jego zakonczeniu elementach ustroju nosnego, a nastçpnie ekspery-mentalnie udokumentowanej oceny wptywu zinwentaryzowanych wczesniej zmian na mozliwosc ponownego wykorzystania tych elementow po pozarze - mogq byc raporty [29] i [30], opracowane przez profesjonalne zespoty badawcze jako ekspertyzy po znisz-czeniu budynku World Trade Center w Nowym Jorku w 2001 roku.

after fire of a given structural member, not only made of steel, should always take into account the presence of a stress-distribution pattern which could be unfavourable in the context of future static work. These stresses are present even when such a structural member shows no significant deformations. Hence, when analysing the structure's technical condition, it is worth modelling these types of potential distribution as classic imperfections.

To the best knowledge of the authors, the issues discussed in this analysis have not yet been considered or discussed in enough detail in typical expert studies of the technical condition of steel structures after a fire. As a result, a number of issues have still not been fully identified and the conclusions recommended in the professional literature are not always coherent and clear. There is also no simple method which would allow in this regard a routine application of the already-extensive knowledge of how to describe and develop specific metal -lurgical processes involving steel structures. It appears, however, that designers would welcome a relatively systematic and experimentally verified analysis of the phenomena described above. Such an analysis has a practical significance in that it fills a certain information gap. Such considerations - involving a detailed identification of structural changes occurring in structural steel used in load-bearing structural members heated by fire and cooled down afterwards, followed by an experimentally verified assessment of the impact of previously identified changes on fitness for re-use after a fire - are discussed in commendable detail in reports [29] and [30], which were prepared by professional research teams as expert studies following the destruction of the World Trade Center buildings in New York in 2001.

Literatura

[1] Maslak M., Badania stali konstrukcyjnej po pozarze w kontekscie oceny [7] mozliwosci jej dalszego uzytkowania w ustrojach nosnych elementow budowlanych, „Przeglgd Budowlany" 2012, 6, 48-51.

[2] Digges T.G., Rosenberg S.J., Geil G.W., Heat treatment and proper- [8] ties of iron and steel, National Bureau of Standards Monograph 88, United States Department of Commerce, Washington D.C. 1966.

[3] Verhoeven J.D., Steel metallurgy for the non-metallurgist, ASM Inter- [9] national: Materials Park, Ohio, 2007.

[4] PN-EN 10025-1:2007: Wyroby walcowane na gorgco ze stali kon-strukcyjnych. Cz^sc 1: Ogölne warunki techniczne dostawy. [10]

[5] Kosiorek M., Ocena konstrukcji stalowych po pozarze, materiaty XV Ogölnopolskiej Konferencji Warsztat pracy projektanta konstrukcji, Ustron, 23-26 lutego 2000, 51-53.

[6] Gewain R.G., Iwankiw N.R., Alfawakhiri F., Facts for steel buildings [11] - fire, American Institute of Steel Construction (AISC), Chicago 2003.

Maciejewski K., Sun Y., Gregory O., Ghonem H., Time-dependent deformation of low carbon steel at elevated temperatures, „Materials Science and Engineering: A", 2012, 534, 147-156. ASTM A572/A572M-04 Standard specification for high-strength low-alloy columbium-vanadium structural steel, ASTM International, West Conshohocken, Pennsylvania, 2004. Günther H.P. (ed.), Use and application of high-performance steels for steel structures, Structural Engineering Documents 8, International Association for Bridge and Structural Engineering, Zürich, 2005. Trilleros J.A., Mato S., Huertas I., Development of a pilot furnace for testing structural steels under standard fire model, w: Chan S.L., Shu G.P. (eds.) proceedings of 7th International Conference Advances in Steel Structures, Nanjing, April 14-16, 2012, vol. II, 821-830. Bangi J.O., Maranga S.M., Ng'ang'a S.P., Mutuli S.M., Effect of heat on mechanical properties and microstructure of reinforcing steel bars made from local scrap, Proceedings of International Conference

on Sustainable Research and Innovation, Nairobi, May 7-9, 2014, Vol. 5, 291-295.

[12] Peg-Chi Peng, Jen-Hao Chi, Jyin-Wen Cheng, A study on behavior of steel structures subjected to fire using non-destructive testing, „Construction and Building Materials" 2016, 128, 170-175.

[13] JIS G3136 Rolled steels for building structures, Japanese Industrial Standard, Japanese Standard Association 2012.

[14] Panigrahi B.K., Microstructures and properties of low-alloy fire resistant steel, „Bulletin of Materials Science" 2006, Vol. 29, No 1, 59-66.

[15] Bednarek Z., Kamocka R., The heating rate impact on parameters characteristic of steel behaviour under fire conditions, „Journal of Civil Engineering and Management" 2006, Vol. XII, No. 4, 269-275.

[16] Kosiorek M., Charakterystyki mechaniczne stali budowlanych wpod-wyzszonych temperaturach, materiaty VI Miydzynarodowej Kon-ferencji Naukowo-Technicznej Konstrukcje metalowe, Katowice, 30 maja-2 czerwca1979, 281-289.

[17] Skowronski W., O wlasciwosciach stali wpodwyzszonej temperaturze, „Konstrukcje Stalowe" 2000, 4(41), 50-52.

[18] Nikolaou J., Papadimitriou G.D., Microstructures and mechanical properties after heating of reinforcing 500 MPa class weldable steels produced by various processes (tempcore, microalloyed with vanadium and work-hardened), „Construction and Building Materials" 2004, 18, 243-254.

[19] PrEN 10080-1:1999: Steel for the reinforcement of concrete - weldable reinforcing steel. Part 1: General requirements.

[20] Hager I., Kanka S., Maslak M., Wplywdzialania wysokiej temperatury i warunków schladzania na wlasciwosci mechaniczne stalizbrojenio-wej BSt500S, materiaty VII Miydzynarodowej Konferencji Bezpie-czenstwo pozarowe obiektów budowlanych, Warszawa, 6-8 listopa-da 2012, 23-30.

[21] Foularis G., Baker A.J., Papadimitriou G.D., A microscopic investigation of the precipitation phenomena observed during the pearlite reaction in vanadium alloyed carbon steel, „Acta Metallurgica et Ma-terialia" 1995, 43 (10), 3733-3742.

[22] Jahazi M., Eghbali B., The influence of hot forging conditions on the microstructure and mechanical properties of two microalloyed steels, „Journal of Materials Processing Technology" 2001, 113 (1-3), 594-598.

[23] Simon P., Economopoulos M., Nilles P., Tempcore: a new process for the production of high quality reinforcing bars, „Iron and Steel Engineer" 1984, 61 (3), 53-57.

[24] Setién J., González J.J., Alvarez J.A., Polanco J.A., Evolution on mechanical behaviour in a structural steel subjected to high temperatures, „Engineering Failure Analysis" 2002, 9, 191-200.

[25] Vecchio R.S., Steel, w: Ratay R.T., Structural condition assessment, John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, 2005.

[26] Canale L.C.F., Mesquita R.A., Totten G.E., Failure analysis of heat treated steel components, ASM International: Materials Park, Ohio, 2008.

[27] Bailey C.G., Burgess I.W., Plank R.J., Analyses of the effects of cooling and fire spread on steel-framed buildings, „Fire Safety Journal" 1996, 26, 273-293.

[28] El-Rimawi J.A., Burgess I.W., Plank R.J., The treatment of strain reversal in structural members during the cooling phase of a fire, „Journal of Constructional Steel Research" 1996, Vol. 37, No. 2, 115-135.

[29] Banovic S.W., Foecke T., Damage and failure modes of structural steel components, Federal building and fire safety investigation of the World Trade Center disaster, National Institute of Standards and Technology (NIST NCSTAR 1-3C), US Department of Commerce, 2005.

[30] Biederman R.R., Microstructural analysis of steel from the World Trade Center buildings 7, & 1 or 2, Higgins Armory/WPI MCSI Symposium, Worcester, Massachusetts, June 8, 2005.

DR HAB. INZ. MARIUSZ MASLAK, PROF. PK - profesor nadzwyczaj-ny w Katedrze Konstrukcji Metalowych na Wydziale Inzynierii Lgdo-wej Politechniki Krakowskiej. Zajmuje siy ksztattowaniem, utrzyma-niem i weryfikacjg stanu bezpieczenstwa stalowych ustrojow nosnych ze szczegolnym uwzglydnieniem zachowania siy tego typu konstrukcji w warunkach ekspozycji na ogien. Jest cztonkiem International Association for Fire Safety Science (IAFSS), a od roku 2014 - takze cztonkiem Komitetu Zarzgdzajgcego Miydzynarodowego Projektu Badawcze-go COST TU1402 Quantifying the Value of Structural Health Monitoring. W latach 2010-2014 byt cztonkiem Komitetu Zarzgdzajgcego Miydzy-narodowego Projektu Badawczego COST TU0904 Integrated Fire Engineering and Response. Od 2010 do 2014 roku byt kierownikiem grantu badawczego wtasnego N N506 243938 Miary bezpieczenstwa i ich wza-jemne relacje w wyjgtkowej sytuacji projektowej pozaru rozwiniytego.

MGR INZ. GRZEGORZ ZWIRSKI - absolwent Wydziatu Metalurgicz-nego Akademii Gorniczo-Hutniczej w Krakowie. W latach 1997-2013 pracowat jako specjalista oraz kierownik Laboratorium Kontroli Ja-kosci w ArcelorMittal Poland. Obecnie jest zatrudniony na Wydziale Inzynierii Lgdowej Politechniki Krakowskiej jako specjalista nauko-wo-techniczny. Petni funkcjy zastypcy kierownika do spraw jakosci w akredytowanym Laboratorium Badawczym Materiatow i Konstrukcji Budowlanych.

MARIUSZ MASLAK, DS.C. ENG., PROFESSOR AT THE CRACOW UNIVERSITY OF TECHNOLOGY - Associate Professor at the Department of Metal Structures, Faculty of Civil Engineering, the Cracow University of Technology. He develops, maintains and verifies the safety status of steel load-bearing structures, with particular focus on the behaviour of this type of structure under exposure to fire. He is a member of the International Association for Fire Safety Science (IAFSS), and, since 2014, also a member of the Management Committee of COST Action TU1402 Quantifying the Value of Structural Health Monitoring. In 2010-2014 he was a member of the Management Committee of COST Action TU0904 Integrated Fire Engineering and Response. From 2010 to 2014 he was the manager of the own-grant research project N N506 243938 - Measures of safety and their interrelations in the unique design situation of a developed fire.

GRZEGORZ ZWIRSKI, M.ENG. - a graduate of the Faculty of Metallurgy, AGH University of Science and Technology in Cracow. In 1997-2013 he worked as a specialist and manager of the Quality Control Laboratory at ArcelorMittal Poland. He is currently a science and technology specialist at the Faculty of Civil Engineering, the Cracow University of Technology. He is the quality manager at the accredited Research Laboratory of Building Materials and Structures.

Ministerstwo Nauki I Szkolnictwa Wyiszego

Artykut zostat przettumaczony ze srodków MNiSW w ramach zadania: Stworzenie angloj?zycznych wersji oryginalnych ar-tykutów naukowych wydawanych w kwartalniku „BiTP. Bezpieczenstwo i Technika Pozarnicza" - typ zadania: stworzenie angloj?zycznych wersji wydawanych publikacji finansowane w ramach umowy 935/P-DUN/2016 ze srodków Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyzszego przeznaczonych na dziatalnose upowszechniajgcg nauk?.