CN109266973B - Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢及其制造方法与应用 - Google Patents

Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢及其制造方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种Fe‑Mn‑Si‑Ni‑C系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：20.0％≤Mn≤34.0％，3.5％≤Si≤6.0％，0.1％≤Ni≤5.0％，0.005％≤C＜0.15％，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，Mn、Ni和C元素的质量百分含量还需满足如下关系：Mn+1.6Ni+52C≥32％和Mn+2Ni≤37％。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＜360MPa；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＞2000周次。

Description

Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢及其制造方法与应用
技术领域
本发明属于钢材料技术领域，尤其是涉及Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢及其制造方法与应用。
背景技术
大规模地震以及外部长时间、长周期震动均会对高层建筑物和构筑物造成巨大危害。利用放置在建筑物和构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，使建筑物和构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：较低屈服强度、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软钢和低屈服点碳钢。国内主要使用的阻尼钢有DT4工业纯铁和Q235钢等；国际上，日本的新日铁和JFE钢铁公司均开发出屈服强度为100～225MPa级减震用低屈服点钢(如BT-LYP100、JFE-LY225等)。上述钢种在交变载荷作用下，裂纹通常会较早地从应力集中和应变不相容处(如位错滑移带、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，是一种较为理想的弹塑性阻尼钢。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生产过程带来以下主要工艺技术困难：钢水粘度明显增加，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。
发明内容
基于上述现有技术现状，迫切需要开发出成分设计不以Al合金化为重要技术途径的高性能阻尼钢种。
本发明第一方面提供一种Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢，第二方面提供上述Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢的制造方法，第三方面提供上述Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢的应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明第一方面提供一种Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢：
一种Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢，化学成分的质量百分数为：20.0％≤Mn≤34.0％，3.5％≤Si≤6.0％，0.1％≤Ni≤5.0％，0.005％≤C＜0.15％，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，Mn、Ni和C元素的质量百分含量还需满足如下关系：Mn+1.6Ni+52C≥32％和Mn+2Ni≤37％。
优选地，所述Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢的化学成分中Si的质量百分数为：4.0％～5.0％。
优选地，化学成分的质量百分数为：21.4％≤Mn≤33.4％，3.92％≤Si≤5.88％，0.52％≤Ni≤4.92％，0.012％≤C≤0.141％，P≤0.02％，S≤0.03％，N≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，其中，Mn、Ni和C元素的质量百分含量还需满足如下关系：Mn+1.6Ni+52C≥32.7％和Mn+2Ni≤36.8％。
进一步优选地，化学成分的质量百分数为：28％≤Mn≤32％，4％≤Si≤5％，2.5％≤Ni≤3％，0.06％≤C＜0.11％，P≤0.01％，S≤0.02％，N≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，其中，Mn、Ni和C元素的质量百分含量还需满足如下关系：Mn+1.6Ni+52C≥38％和Mn+2Ni≤37％。
进一步地，所述Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢的显微组织为奥氏体和体积分数不超过10％的ε马氏体。
进一步地，所述Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢的屈服强度(或规定非比例延伸强度Rp0.2)＜360MPa；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＞2000周次。
在本发明Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢的成分设计中，各成分的作用如下。
Mn：Mn在本发明中是主要合金元素。Mn能增加奥氏体稳定性和促进奥氏体生成。Mn能够有效地调节奥氏体堆垛层错能和马氏体相变点，从而可以抑制α′马氏体和过量热诱发ε马氏体的生成、促进应力/应变诱发ε马氏体的生成。当Mn含量低于20.0％时，奥氏体基体中易形成α′马氏体和过量热诱发ε马氏体，从而降低合金的低周疲劳寿命；当Mn含量高于34.0％时，奥氏体在应力/应变作用下只会形成变形孪晶而非ε马氏体，合金的低周疲劳寿命同样会受到显著降低。因此，本发明控制Mn含量为20.0％～34.0％。
Si：Si在本发明中是主要合金元素。Si降低奥氏体堆垛层错能和反铁磁转变温度，促进应力/应变诱发具有单一变体晶体学特征的细小片状ε马氏体的生成。另外，Si起到固溶强化作用和调整奥氏体/ε马氏体之间的晶格对应关系，两者促进ε马氏体向奥氏体转变，从而有利于提高合金的低周疲劳寿命。当Si含量小于3.5％时，奥氏体堆垛层错几率相对较小，不利于奥氏体和ε马氏体之间可逆相变的发生；当Si含量大于6.0％时，不仅会使合金原始组织中形成铁硅中间化合物相，而且会使交变载荷作用下合金内部应力/应变诱发产生的ε马氏体体积含量增长过快以及ε马氏体之间发生交互作用，上述因素同样不利于奥氏体和ε马氏体之间可逆相变的发生，并使合金低周疲劳寿命降低。因此，本发明限定Si含量为3.5％～6.0％，优选4.0％～5.0％。
Ni：Ni在本发明中是主要合金元素。一方面，添加适量Ni元素可以调节(降低)马氏体相变点，抑制过量热诱发ε马氏体的生成；并且，适量Ni元素有助于抑制交变载荷作用下合金内部应力/应变诱发ε马氏体的体积含量过快增长以及ε马氏体之间的交互作用，从而提高奥氏体和ε马氏体相变的可逆性以及合金的低周疲劳寿命。当Ni含量小于0.1％，上述由Ni元素添加而产生的功效不明显。另一方面，Ni元素增加钢中奥氏体的堆垛层错能，添加过量Ni元素会抑制应力/应变诱导ε马氏体相变的发生和促进变形孪晶的形成，从而降低合金的低周疲劳寿命。再者，Ni是贵金属元素，添加过量的Ni会带来原材料成本大幅上升。本发明限定Ni含量为0.1％～5.0％。
C：C在本发明中是重要添加元素。一方面，C起固溶强化作用，可以显著提高合金因位错滑移而引起的塑性变形抗力，促进奥氏体和ε马氏体之间的可逆相变和提高合金的低周疲劳性能。另外，C元素可用来调节(降低)马氏体相变点，抑制过量热诱发ε马氏体的生成。当C含量低于0.005％时，上述作用不显现。另一方面，C原子易偏聚于奥氏体/ε马氏体的相界面处。当C含量大于0.15％时，C原子在相界面处的偏聚会显著抑制两相界面的移动和可逆相变的发生，从而降低合金的低周疲劳寿命。因此，本发明控制C含量为0.005％～0.15％。
本发明中，Mn、Ni和C元素的质量百分含量还需满足如下关系：Mn+1.6Ni+52C≥32％和Mn+2Ni≤37％。当Mn+2Ni大于37％时，奥氏体堆垛层错能会较高，应力/应变诱发ε马氏体相变易受到抑制。当Mn+1.6Ni+52C小于32％时，合金原始组织中会存在较多含量的热诱导ε马氏体，并且交变载荷作用下合金内部应力/应变诱发ε马氏体的体积含量增长过快，ε马氏体的交互作用抑制了奥氏体和ε马氏体之间的可逆相变，从而使合金低周疲劳寿命显著降低。
本发明限定弹塑性阻尼钢的原始基体显微组织为奥氏体和体积分数不超过10％的ε马氏体(由热诱发形成)，其目的是促进交变载荷作用下应力/应变诱发具有单一变体晶体学特征的片层状ε马氏体的生成，避免原始基体组织中的热诱导ε马氏体和应力/应变诱发形成的ε马氏体之间发生强烈交互作用，从而促进奥氏体和ε马氏体之间的可逆相变和提高合金的低周疲劳寿命。
P：P是固溶强化元素；但是P会增加钢的冷脆性，降低钢的塑性，使焊接性能变坏。因此，限定钢中P含量≤0.02％。
S：S使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，使焊接性能变坏。因此，限定S含量≤0.03％。
N：N是固溶强化元素，但会显著降低合金塑性、韧性和焊接性能。因此，限定N含量≤0.02％。
本发明中，在不改变弹塑性阻尼钢的微观组织结构和变形机制(即在循环载荷作用下，合金发生奥氏体和ε马氏体之间的可逆相变)的前提下，其成分还可以包含少量的Cu和Cr元素，以上各元素含量的质量百分数均不超过1.0％。
本发明中，在不改变弹塑性阻尼钢的微观组织结构和变形机制(即在循环载荷作用下，合金发生奥氏体和ε马氏体之间的可逆相变)的前提下，Al可以用作脱氧剂或非主要元素添加到合金中，但Al元素含量的质量百分数不超过1.0％。
本发明第二方面提供上述Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢的制造方法：
第一种所述Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢的制备方法，包括如下步骤：
1)按以下成分配比冶炼、铸造，得到铸坯，
化学成分的质量百分数为：20.0％≤Mn≤34.0％，3.5％≤Si≤6.0％，0.1％≤Ni≤5.0％，0.005％≤C＜0.15％，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，Mn、Ni和C元素的质量百分含量还需满足如下关系：Mn+1.6Ni+52C≥32％和Mn+2Ni≤37％；
2)热轧
采用1000～1250℃加热铸坯，保温时间为0.5～3h，热轧铸坯成热轧板，热轧变形量≥25％，终轧温度≥800℃；
3)热轧后退火
将热轧板加热至均热温度650～1100℃，均热时间为0.5～10h；退火完毕将钢板冷却至室温。
本发明第一种所述Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢的制备方法设计理由如下：
(1)热轧工艺
加热温度为1000～1250℃。加热温度超过1250℃时，会造成铸造板坯过烧，板坯内晶粒组织粗大从而使其热加工性能降低；加热温度低于1000℃时，板坯经高压水除鳞和初轧后，精轧温度过低而造成板料的变形抗力过大，从而难以制造出既无表面缺陷又具有规定厚度的热轧钢板。
本发明热轧时保温时间为0.5～3h，保温时间超过3h，会造成板坯内晶粒组织粗大；保温时间低于0.5h，板坯内部温度尚未均匀。
本发明需要控制热轧变形量不小于25％，以消除铸坯内部组织不均匀性和缺陷；需要控制终轧温度在800℃以上完成对铸坯的热轧，终轧温度过低会造成板坯变形抗力过高，从而难以制造出所需厚度规格并且无表面和边部缺陷的热轧钢板。
(2)热轧后退火工艺
对热轧钢板进行退火热处理。本发明中，均热温度为650～1100℃，均热时间为0.5～10h。此工艺的目的是消除热轧变形组织、实现微观组织结构调控以获取目标微观组织结构。本发明的退火工艺条件与钢种合金成分密切相关。当均热温度低于650℃时，则热轧变形组织不能充分消除，合金基体中存在的大量位错缠结会与交变载荷作用过程中应力/应变诱发形成的ε马氏体相互作用，进而抑制奥氏体与ε马氏体之间的可逆相变；当均热温度高于1100℃时，合金基体奥氏体晶粒过分粗大，同样会损害合金室温低周疲劳寿命。因此，本发明控制热轧后退火的均热温度为650～1100℃。退火工艺中，均热时间可以通过适当改变均热温度来调节，保温时间过长会影响生产效率，因此，本发明控制均热时间不超过10h。
第二种所述Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢的制备方法，包括如下步骤：
1)按以下成分配比冶炼、铸造，得到铸坯，
化学成分的质量百分数为：20.0％≤Mn≤34.0％，3.5％≤Si≤6.0％，0.1％≤Ni≤5.0％，0.005％≤C＜0.15％，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，Mn、Ni和C元素的质量百分含量还需满足如下关系：Mn+1.6Ni+52C≥32％和Mn+2Ni≤37％；
2)热轧
采用1000～1250℃加热铸坯，保温时间为0.5～3h，热轧铸坯成热轧板，热轧变形量≥25％，终轧温度≥800℃；
3)酸洗
4)冷轧
对酸洗后的热轧板进行冷轧，冷轧变形量≤60％，得到冷轧板；
5)冷轧后退火
将冷轧板加热至均热温度720～1100℃，均热时间为0.5～10h；退火完毕将钢板冷却至室温。
本发明第二种所述Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢的制备方法设计理由如下：
(1)热轧工艺
加热温度为1000～1250℃，加热温度超过1250℃时，会造成铸造板坯过烧，板坯内晶粒组织粗大从而使其热加工性能降低；加热温度低于1000℃时，板坯经高压水除鳞和初轧后，精轧温度过低而造成板料的变形抗力过大，从而难以制造出既无表面缺陷又具有规定厚度的热轧钢板。
本发明热轧时保温时间为0.5～3h，保温时间超过3h，会造成板坯内晶粒组织粗大；保温时间低于0.5h，板坯内部温度尚未均匀。
本发明需要控制热轧变形量不小于25％，以消除铸坯内部组织不均匀性和缺陷；需要控制终轧温度在800℃以上完成对铸坯的热轧，终轧温度过低会造成板坯变形抗力过高，从而难以制造出所需厚度规格并且无表面和边部缺陷的热轧钢板。
(2)冷轧工艺
对热轧酸洗后板坯进行冷轧变形至规定厚度，冷轧变形量不超过60％。变形量超过60％会使合金变形抗力很高，增加制造难度，并且钢板边裂的可能性增大、生产效率降低。另外，冷轧变形在合金基体中形成复杂的变形组织和晶体缺陷，如位错缠结、位错与应力/应变诱发形成的ε马氏体之间的交互作用、应力/应变诱发形成的多变体ε马氏体之间的交互作用。经再结晶退火后，由于组织遗传关系或合金无明确晶体学取向等原因，合金内部很容易在循环加载过程中再次形成复杂的多变体ε马氏体，从而阻止奥氏体与ε马氏体之间可逆相变的发生以及降低合金的低周疲劳寿命。
(3)冷轧后退火工艺
对冷轧钢板进行退火热处理。本发明中，均热温度为720～1100℃，均热时间为0.5～10h。此工艺的目的是消除复杂的冷轧变形组织和晶体缺陷，形成再结晶组织。本发明的退火工艺条件与钢种合金成分密切相关。当均热温度低于720℃时，则冷轧变形组织不能充分消除，合金基体中存在的大量位错缠结以及由冷轧变形引起的ε马氏体会与交变载荷作用过程中应力/应变诱发形成的ε马氏体相互作用，进而抑制奥氏体与ε马氏体相变的可逆性；另外，均热温度过低会使再结晶奥氏体晶粒过于细小，细小奥氏体晶粒会抑制ε马氏体相变的发生，从而降低合金的低周疲劳寿命。当均热温度高于1100℃时，合金基体奥氏体组织过分粗化，同样会降低合金室温低周疲劳寿命。因此，本发明控制均热温度为720～1100℃。退火工艺中，均热时间可以通过适当改变均热温度来调节，保温时间过长影响生产效率，因此，本发明控制均热时间不超过10h。
本发明采用上述成分设计、轧制工艺和退火工艺，所制备钢板的原始基体显微组织为奥氏体和体积分数不超过10％的ε马氏体。本发明利用拉伸-压缩循环载荷或剪切循环载荷作用过程中，钢板基体微观组织结构发生奥氏体和ε马氏体之间的可逆相变，以减少晶体缺陷的产生和延缓疲劳裂纹的扩展，使材料具有良好的室温低周疲劳寿命。
本发明为确保上述微观组织结构和循环载荷作用下奥氏体与ε马氏体之间的可逆相变，除了控制Mn、Si、Ni和C元素的含量在规定范围内，Mn、Ni和C元素的质量百分含量还需满足如下关系：Mn+1.6Ni+52C≥32％和Mn+2Ni≤37％；另外，还需要通过严格控制轧制和退火工艺来实现。最终得到的弹塑性阻尼钢板的力学性能为：屈服强度(或规定非比例延伸强度Rp0.2)＜360MPa；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＞2000周次。
上文中，Mn、Ni和C元素的质量百分含量还需满足如下关系：Mn+1.6Ni+52C≥32％和Mn+2Ni≤37％，元素是以质量百分含量计算，元素前面的系数是含量的倍数。
本发明第三方面提供上述Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢的应用：
所述Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢用于制造放置于建筑物或构筑物中的钢质阻尼器，以提高建筑物和构筑物的抗震性能。
本发明阻尼钢具有较低屈服强度、优良低周疲劳性能等特点。所述阻尼钢的优良低周疲劳性能来源于循环拉伸-压缩或循环剪切加载条件下材料内部微观组织结构发生奥氏体和ε马氏体(具有密排六方晶体结构)之间的可逆相变，并且α′马氏体(具有体心四方晶体结构)被抑制。钢板的屈服强度(或规定非比例延伸强度Rp0.2)＜360MPa；循环加载条件下，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＞2000周次。此类钢板适用于制造钢质减震阻尼器。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、同传统的弹塑性阻尼钢(如软钢和低屈服点钢)相比较，本发明钢种具有显著提高的室温低周疲劳性能，可以在频繁、高烈度震动环境下使用；另外，本发明钢种还具有相对较高的强度，有助于实现钢质阻尼器的轻量化。
2、本发明主要通过控制Mn、Si、Ni和C元素含量，实现铁锰合金钢基体微观组织在循环载荷作用下发生奥氏体与ε马氏体之间的可逆相变，从而使材料具有良好的室温低周疲劳寿命和消能减震特性。同其它的阻尼合金(如锰铜合金、镍钛合金)相比较，本发明的弹塑性阻尼钢明显具有低成本的优势。
3、本发明的弹塑性阻尼钢不仅具有优良的力学性能，它还具有优良的焊接性能。
4、本发明的弹塑性阻尼钢的成分设计不以Al合金化为重要技术途径，因此钢种的可制造性较好。
5、本发明涉及的制造工艺可以在现有钢板生产线上完成而无需做较大调整。因此，本发明具有很好的推广应用前景。
附图说明
图1为表1中实施例4所示钢种在拉伸-压缩循环加载不同周次的滞回曲线(加载条件：应变振幅、应变比和加载频率分别为1％、-1.0和0.2Hz)；该钢种的低周疲劳寿命Nf为7819周次。
图2为表1中实施例4所示钢种在拉伸-压缩循环加载条件下不同周次对应的拉伸应力幅值和压缩应力幅值(加载条件：应变振幅、应变比和加载频率分别为1％、-1.0和0.2Hz)。
具体实施方式
一种高性能弹塑性阻尼钢，其化学成分的质量百分数为：20.0％≤Mn≤34.0％，3.5％≤Si≤6.0％，0.1％≤Ni≤5.0％，0.005％≤C＜0.15％，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，Mn、Ni和C元素的质量百分含量还需满足如下关系：Mn+1.6Ni+52C≥32％和Mn+2Ni≤37％。
第一种所述高性能弹塑性阻尼钢的制备方法包括如下步骤：
1)按以下成分配比冶炼、铸造，得到铸坯
化学成分的质量百分数为：20.0％≤Mn≤34.0％，3.5％≤Si≤6.0％，0.1％≤Ni≤5.0％，0.005％≤C＜0.15％，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，Mn、Ni和C元素的质量百分含量还需满足如下关系：Mn+1.6Ni+52C≥32％和Mn+2Ni≤37％；
2)热轧
采用1000～1250℃加热铸坯，保温时间为0.5～3h，热轧铸坯成热轧板，热轧变形量≥25％，终轧温度≥800℃；
3)热轧后退火
将热轧板加热至均热温度650～1100℃，均热时间为0.5～10h；退火完毕将钢板冷却至室温。
第二种所述高性能弹塑性阻尼钢的制备方法包括如下步骤：
1)按以下成分配比冶炼、铸造，得到铸坯
化学成分的质量百分数为：20.0％≤Mn≤34.0％，3.5％≤Si≤6.0％，0.1％≤Ni≤5.0％，0.005％≤C＜0.15％，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，Mn、Ni和C元素的质量百分含量还需满足如下关系：Mn+1.6Ni+52C≥32％和Mn+2Ni≤37％；
2)热轧
采用1000～1250℃加热铸坯，保温时间为0.5～3h，热轧铸坯成热轧板，热轧变形量≥25％，终轧温度≥800℃；
3)酸洗
4)冷轧
对酸洗后的热轧板进行冷轧，冷轧压下量≤60％，得到冷轧板；
5)冷轧后退火
将冷轧板加热至均热温度720～1100℃，均热时间为0.5～10h；退火完毕将钢板冷却至室温。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
表1为本发明实施例及对比例钢种的合金成分(Fe元素含量为余量)；表2为本发明实施例和对比例钢种的制造工艺；表3为本发明实施例及对比例钢板的力学性能和室温低周疲劳性能。
按照表1设计实施例1-14及对比例1-3中各成分的含量配比。
表1(单位：wt％)
Figure BDA0001884121460000101
Figure BDA0001884121460000111
具有表1所示成分的钢料经冶炼和浇铸后制成板坯。在1200℃加热温度下加热板坯，保温时间1.5h后热轧所述板坯，在860℃的终轧温度下完成热轧精轧，热轧累积变形量超过25％。
热轧钢板经热轧后退火工艺或冷轧与冷轧后退火工艺处理后(具体工艺条件见表2)，冷却至室温，即可得到目标阻尼钢板。
表2
Figure BDA0001884121460000112
Figure BDA0001884121460000121
本发明实施例1-14及对比例1-3钢板的力学性能和室温低周疲劳性能如表3所示。
表3
Figure BDA0001884121460000122
由表3可知，本发明通过合理的成分和工艺设计可以获取高性能弹塑性阻尼钢板，该弹塑性阻尼钢板的屈服强度(或规定非比例延伸强度Rp0.2)＜360MPa；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＞2000周次。由图1所示，本发明的钢种在拉伸-压缩循环加载过程中具有稳定的滞回特性并且滞回曲线饱满。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢轧制板材，其特征在于，化学成分的质量百分数为：20.0%≤Mn≤34.0%，3.5%≤Si≤6.0%，0.1%≤Ni≤5.0%，0.005%≤C＜0.15%，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，Mn、Ni和C元素的质量百分含量还需满足如下关系：Mn+1.6Ni+52C≥32%和Mn+2Ni≤37%；
所述Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢的显微组织为奥氏体和体积分数不超过10%的ε马氏体；
所述Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢的屈服强度＜360MPa；
所述Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢在循环拉伸-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＞2000周次。
2.根据权利要求1所述一种Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢轧制板材，其特征在于，所述Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢的化学成分中Si的质量百分数为：4.0%~5.0%。
3.根据权利要求1所述一种Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢轧制板材，其特征在于，化学成分的质量百分数为：20.0%≤Mn≤25.0%，3.5%≤Si≤4.2%，0.1%≤Ni≤3.2%，0.005%≤C≤0.102%，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，Mn、Ni和C元素的质量百分含量还需满足如下关系：Mn+1.6Ni+52C≥32%和Mn+2Ni≤37%。
4.根据权利要求3所述一种Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢轧制板材，其特征在于，所述Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢的化学成分中Mn、Si、Ni和C的质量百分数分别为：23.2%≤Mn≤25.0%，3.92%≤Si≤4.2%，2.46%≤Ni≤3.2%，0.060%≤C≤0.102%。
5.权利要求1-4任一项所述Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢轧制板材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）按以下成分配比冶炼、铸造，得到铸坯，
化学成分的质量百分数为：20.0%≤Mn≤34.0%，3.5%≤Si≤6.0%，0.1%≤Ni≤5.0%，0.005%≤C＜0.15%，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，Mn、Ni和C元素的质量百分含量还需满足如下关系：Mn+1.6Ni+52C≥32%和Mn+2Ni≤37%；
2）热轧
采用1000~1250℃加热铸坯，保温时间为0.5~3 h，热轧铸坯成热轧板，热轧变形量≥25%，终轧温度≥800℃；
3）热轧后退火
将热轧板加热至均热温度650~1100℃，均热时间为0.5~10 h；退火完毕将钢板冷却至室温。
6.权利要求1-4任一项所述Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢轧制板材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）按以下成分配比冶炼、铸造，得到铸坯，
化学成分的质量百分数为：20.0%≤Mn≤34.0%，3.5%≤Si≤6.0%，0.1%≤Ni≤5.0%，0.005%≤C＜0.15%，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，Mn、Ni和C元素的质量百分含量还需满足如下关系：Mn+1.6Ni+52C≥32%和Mn+2Ni≤37%；
2）热轧
采用1000~1250℃加热铸坯，保温时间为0.5~3 h，热轧铸坯成热轧板，热轧变形量≥25%，终轧温度≥800℃；
3）酸洗
4）冷轧
对酸洗后的热轧板进行冷轧，冷轧变形量≤60%，得到冷轧板；
5）冷轧后退火
将冷轧板加热至均热温度720~1100℃，均热时间为0.5~10 h；退火完毕将钢板冷却至室温。
7.权利要求1-4任一项所述Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢轧制板材的应用，其特征在于，所述Fe-Mn-Si-Ni-C系弹塑性阻尼钢轧制板材用于制造放置于建筑物或构筑物中的钢质阻尼器。
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