[发明专利]具有优异低周疲劳性能的Fe-Mn-Si-Ni-Cu弹塑性阻尼钢及其制造方法

说明书

本发明涉及一种具有优异低周疲劳性能的Fe‑Mn‑Si‑Ni‑Cu弹塑性阻尼钢及其制备方法与应用，其化学成分的质量百分数为：25.0％≤Mn≤31.0％，3.6％≤Si≤5.0％，0.5％≤Ni≤4.0％，2.0％≤Cu≤4.0％，0≤Al≤1.5％，0≤C≤0.10％，P≤0.02％，S≤0.03％，N≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，其中，Ni、Cu和Al元素的质量百分含量还需满足如下关系：Ni/Cu≥0.25和Al+0.4Ni+0.25Cu≤3.2％。弹塑性阻尼钢经熔铸、热轧、热轧后退火生产工艺流程或熔铸、热轧、酸洗、冷轧、冷轧后退火生产工艺流程制备得到。高性能弹塑性阻尼钢的屈服强度＜350MPa；在循环拉伸‑压缩加载条件下，当应变振幅、应变比和加载频率分别为1％、‑1.0和0.1～0.2Hz时，应力幅值＜530MPa，并且钢板的室温疲劳寿命＞4500周次。

技术领域

本发明属于钢材料技术领域，尤其是涉及具有优异低周疲劳性能的Fe-Mn-Si-Ni-Cu弹塑性阻尼钢及其制造方法。

背景技术

高烈度地震以及外部长时间震动均会对建筑物造成巨大危害。利用放置在建筑物中的弹塑性钢减震阻尼器可以有效地吸收外部震动能量，使建筑物损伤降低到最低程度。弹塑性钢阻尼器是通过钢材在外部往复震动作用下率先进入屈服和随后的弹塑性滞回变形来实现对震动能量的吸收。因此，用于阻尼器的钢材(下称“弹塑性阻尼钢”)需要具有以下属性：较低的屈服强度和加工硬化能力、稳定的滞回特性并且滞回曲线饱满、良好低周疲劳性能。

目前常用的弹塑性阻尼钢为低屈服点铁素体钢。国内主要使用的阻尼钢有DT4工业纯铁和Q235钢等；国际上，日本钢铁企业开发出屈服强度为100～225MPa级减震用低屈服点铁素体钢。上述铁素体钢在交变载荷作用下，由于位错交滑移的频繁发生，裂纹通常会较早地从应力集中和应变不相容处(如驻留滑移带、晶界和铁素体/渗碳体相界)以及位错胞状结构处诱发、扩展并最终使材料发生疲劳破坏，因而材料的疲劳寿命往往较低。

一定成分范围内的Fe-Mn-Si-Al系合金具有较低屈服强度、良好低周疲劳性能和焊接性能，可以被用作弹塑性阻尼钢。然而，发明人发现上述阻尼钢种富含Al元素(钢种开发以Al合金化为重要技术途径)，这会给钢的冶炼铸造以及轧制生产过程带来以下主要工艺技术困难：钢水粘度增加，钢水流动性变差；钢中夹杂物和冶炼成分控制难度增大；当采用连续铸造并采用现有类型保护渣时，钢-保护渣之间容易发生反应。上述技术难题往往会降低阻尼钢品质并使生产成本大幅上升。另外，富含Al元素的Fe-Mn-Si-Al合金在塑性变形过程中往往表现出较高的加工硬化能力，从而影响合金在交变载荷作用下承担塑性耗能的效果。

专利JP2018178150A公布了一种阻尼合金，Si和Mn为主要合金元素，Cr、Ni、Al和C为可选组元成分；合金元素的含量限定为：5.0％≤Mn≤35.0％，1.5％≤Si≤6.5％，0≤Cr≤15％，0≤Ni≤15％，0％≤Al≤3％，0≤C≤0.4％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，并且合金元素含量需要同时满足37[％Mn]+0.3[％Si]+0.7[％Cr]+2.4[％Ni]+5.2[％Al]+28[％C]＜45和[％Ni]+3[％C]+0.5[％Mn]＞0.75[％Cr]+1.125[％Si]+2[％Al]。