本发明专利技术涉及一种Fe‑Mn‑Si‑Ni‑Cu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％，3.0％≤Si≤6.0％，0＜Ni≤5.0％，0＜Cu＜2.0％，0≤Al≤1.5％，0≤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、Cu和Al元素的质量百分含量还需满足如下关系：Ni/Cu≥0.25，Mn+2Ni+5Al≤37％和Al+0.4Ni+0.25Cu≤3.5％。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＜340MPa；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＜520MPa，并且钢板的室温疲劳寿命＞2000周次。
【技术实现步骤摘要】
Fe-Mn-Si-Ni-Cu系弹塑性阻尼钢及其制造方法与应用
本专利技术属于钢材料
，尤其是涉及Fe-Mn-Si-Ni-Cu系弹塑性阻尼钢及其制造方法与应用。
技术介绍
大规模地震以及外部长时间、长周期震动均会对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。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，专利技术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。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]。专利WO2014103884A1公布了一种Fe-Mn-(Cr，Ni)-Si阻尼合金，该阻尼合金至少含有Cr和Ni元素中的一种，并可进一步含有Al元素，其中，各组成元素的质量百分含量分别为5％≤Mn≤28％，0≤Cr≤15％，0≤Ni＜15％，0＜Si＜6.5％，0％≤Al＜3％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，并且上述合金元素含量需要同时满足关系式[％Ni]+0.5[％Mn]＞0.75[％Cr]+1.125[％Si]+2[％Al]和37<[％Mn]+[％Cr]+2[％Ni]+5[％Al]＜45。该专利还记载“除了上述元素之外，可以添加Co、Cu、C或N作为具有Mn的替代作用的元素。然而，由于添加Co和Cu导致材料成本增加，因此Co和Cu的添加量分别限定为Co＜0.2％和Cu＜2％”。由此可见，在上述专利中，Co、Cu、C或N是作为Mn的替代元素，来增加奥氏体稳定性和促进奥氏体生成。该专利中虽然说明0≤Cr≤15％，但是在实施例中，Cr的添加量非常高，占比高达10％(实施例5中虽然显示Cr含量为0，但是根据Mn当量的数值判断其应该是笔误，实际上也是Cr占比为10％)，可以看出，上述专利中，Cr的添加量相对于Mn含量而言非常高，Mn/Cr达到1.5-2.5:1。该专利中Cr的添加量之所以非常高，原因在于，上述专利专利技术人指出“采用电弧炉等装备生产高Mn合金时，由于Mn挥发和氧化的缘故，会导致工艺技术困难增加和生产制造成本大幅上升；因此，有必要通过添加Cr和/或Ni元素来降低阻尼合金中Mn元素的添加量”。所以，可以看出，上述专利的专利技术构思主要是通过添加Cr和/或Ni元素来降低阻尼合金中Mn元素的添加量。另外，本领域技术人员公知，当钢中Cr含量超过7％(质量百分数)时，在钢的基体中会出现脆性σ相；为保证钢的韧性，往往需要添加适量Ni元素，以抑制脆性σ相的形成。所以专利WO2014103884A1及其实施例中Ni元素添加量也较高，使得合金原材料成本显著提升。
技术实现思路
基于上述现有技术现状，迫切需要开发出低Al含量或不含Al的高性能阻尼钢种，并且钢中贵金属元素(如Ni等)的含量尽可能低。本专利技术第一方面提供一种Fe-Mn-Si-Ni-Cu系弹塑性阻尼钢，第二方面提供上述Fe-Mn-Si-Ni-Cu系弹塑性阻尼钢的制造方法，第三方面提供上述Fe-Mn-Si-Ni-Cu系弹塑性阻尼钢的应用。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：本专利技术第一方面提供一种Fe-Mn-Si-Ni-Cu系弹塑性阻尼钢：一种Fe-Mn-Si-Ni-Cu系弹塑性阻尼钢，化学成分的质量百分数为：20.0％≤Mn≤34.0％，3.0％≤Si≤6.0％，0＜Ni≤5.0％，0＜Cu＜2.0％，0≤Al≤1.5％，0≤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、Cu和Al元素的质量百分含量还需满足如下关系：Ni/Cu≥0.25，Mn+2Ni+5Al≤37％和Al+0.4Ni+0.25Cu≤3.5％。优选地，化学成分的质量百分数为：25.0％≤Mn≤31.0％，3.9％≤Si≤5.0％，0＜Ni≤3.0％，0＜Cu＜2.0％，0≤Al≤1.0％，0≤C≤0.10％，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、Cu和Al元素的质量百分含量还需满足如下关系：Ni/Cu≥0.25，Mn+2Ni+5Al≤37％和Al+0.4Ni+0.25Cu≤2.3％。进一步地，所述Fe-Mn-Si-Ni-Cu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-Cu系弹塑性阻尼钢的屈服强度(或规定非比例延伸强度Rp0.2)＜340MPa；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＜520MPa，并且钢板的室温疲劳寿命＞2000周次。在本专利技术Fe-Mn-Si-Ni-Cu系弹塑性阻尼钢的成分设计中，各成分的作用如下。Mn：Mn在本专利技术中是主要合金元素。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马氏体的形成、促进应力/应变诱发ε马氏体生成。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。本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种Fe-Mn-Si-Ni-Cu系弹塑性阻尼钢，其特征在于，化学成分的质量百分数为：20.0％≤Mn≤34.0％，3.0％≤Si≤6.0％，0＜Ni≤5.0％，0＜Cu＜2.0％，0≤Al≤1.5％，0≤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、Cu和Al元素的质量百分含量还需满足如下关系：Ni/Cu≥0.25，Mn+2Ni+5Al≤37％和Al+0.4Ni+0.25Cu≤3.5％。/n
【技术特征摘要】
1.一种Fe-Mn-Si-Ni-Cu系弹塑性阻尼钢，其特征在于，化学成分的质量百分数为：20.0％≤Mn≤34.0％，3.0％≤Si≤6.0％，0＜Ni≤5.0％，0＜Cu＜2.0％，0≤Al≤1.5％，0≤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、Cu和Al元素的质量百分含量还需满足如下关系：Ni/Cu≥0.25，Mn+2Ni+5Al≤37％和Al+0.4Ni+0.25Cu≤3.5％。
2.根据权利要求1所述一种Fe-Mn-Si-Ni-Cu系弹塑性阻尼钢，其特征在于，所述Fe-Mn-Si-Ni-Cu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。
3.根据权利要求1所述一种Fe-Mn-Si-Ni-Cu系弹塑性阻尼钢，其特征在于，所述Fe-Mn-Si-Ni-Cu系弹塑性阻尼钢的屈服强度＜340MPa。
4.根据权利要求1所述一种Fe-Mn-Si-Ni-Cu系弹塑性阻尼钢，其特征在于，所述Fe-Mn-Si-Ni-Cu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＜520MPa，并且钢板的室温疲劳寿命＞2000周次。
5.根据权利要求1所述一种Fe-Mn-Si-Ni-Cu系弹塑性阻尼钢，其特征在于，化学成分的质量百分数为：25.0％≤Mn≤31.0％，3.9％≤Si≤5.0％，0＜Ni≤3.0％，0＜Cu＜2.0％，0≤Al≤1.0％，0≤C≤0.10％，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、Cu和Al元素的质量百分含量还需满足如下关系：Ni/Cu≥0.25，Mn+2Ni+5Al≤37％和Al+0.4Ni+0.25Cu≤2.3％。
6.权利要求1-4任一项所述Fe-Mn-Si-Ni-Cu系弹塑性阻尼钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)按以下成分配比冶炼、铸造...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨旗，杨蔚涛，孙琦迪，徐斌，
申请(专利权)人：上海材料研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31
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