一种低强度弹塑性阻尼钢板及其制造方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种具有低强度和良好低周疲劳性能的弹塑性阻尼钢板及其制造方法与应用。其具有(2n+1)层复合结构，其中n为正整数，由奥氏体组织层和铁素体组织层交替排列组成，其中，奥氏体组织层具有的显微组织主要为奥氏体组织，铁素体组织层具有的显微组织主要为铁素体组织；所述低强度弹塑性阻尼钢板的上表层、下表层必须为奥氏体组织层。所述低强度弹塑性阻尼钢板经组坯、热轧、热轧后退火生产工艺流程或组坯、热轧、酸洗、冷轧、冷轧后退火生产工艺流程制备得到。所述低强度弹塑性阻尼钢板的屈服强度＜300MPa；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＜400MPa，并且钢板的室温疲劳寿命＞1500周次。

A low strength elastoplastic damping steel plate and its manufacturing method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种低强度弹塑性阻尼钢板及其制造方法与应用
本专利技术属于钢材料
，尤其是涉及具有良好低周疲劳性能的低强度弹塑性阻尼钢板及其制造方法与应用。
技术介绍
高烈度地震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。目前常用的抗震阻尼钢为超低碳、低碳铁素体钢，如LY100、LY225和Q235等。上述钢种虽然具有低屈服强度(通常小于245MPa)和优良的室温延展性(通常大于40％)，但其高应变低周疲劳寿命往往较低。例如，当总应变振幅、应变比和加载频率分别为1％、-1和小于0.1～0.2Hz时，LY225钢的疲劳寿命往往小于1000周次。相应地，上述钢种由循环变形引起的累积塑性应变和累积塑性耗能功效有限。由此可见，传统(超)低碳铁素体钢难以满足日益严苛的建筑物抗震防护需求，尤其是在可能会发生高烈度地震的区域。循环变形过程中，由于交滑移的频繁发生和微观上塑性变形不可逆，晶体材料表现出组织稳定性降低和塑性应变局部化，这是造成(超)低碳铁素体钢低周疲劳寿命有限的根本原因。随循环累积应变增加，疲劳裂纹会从材料表层的应变不相容处(如晶界、铁素体/渗碳体相界)或驻留滑移带处形核，继而沿晶界或向晶内生长，直至材料发生沿晶或穿晶疲劳破坏。寻求低周疲劳性能优良的低屈服点抗震阻尼钢是抗震减震领域面临的重要课题。一定成分范围内的Fe-Mn-Si系奥氏体合金具有较低屈服强度、优异低周疲劳性能和焊接性能，潜在被用作弹塑性阻尼钢。例如，Fe-30Mn-4Si-2Al合金(合金元素含量以质量百分数计)，当总应变振幅、应变比和加载频率分别为1％、-1和0.1～0.2Hz时，其低周疲劳寿命往往高达7000周次以上。Fe-Mn-Si系合金具有优异低周疲劳特性的根本原因是循环变形过程中材料内部发生位错平面滑移和可逆ε马氏体相变。但是研究发现Fe-Mn-Si系合金在交变载荷作用下承担塑性耗能的效果并不太好，从而限制其在实际工程中的广泛应用。基于上述研究发现的技术现状，迫切需要开发出低屈服强度和良好低周疲劳性能的弹塑性阻尼钢材料，并且合金材料具有较高弹性模量和有限循环加工硬化能力。
技术实现思路
基于上述现有技术存在的问题，本专利技术第一方面提供一种具有良好低周疲劳性能的低强度弹塑性阻尼钢板材料，第二方面提供上述低强度弹塑性阻尼钢板的制造方法，第三方面提供上述低强度弹塑性阻尼钢板的应用。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具有良好低周疲劳性能的低强度弹塑性阻尼钢板材料：本专利技术提供一种低强度弹塑性阻尼钢板，具有(2n+1)层复合结构，其中n为正整数，由奥氏体组织层和铁素体组织层交替排列组成，相邻两层的接合界面处实现完全冶金接合。其中，奥氏体组织层具有的显微组织主要为奥氏体组织，并且奥氏体的体积分数大于90％以及奥氏体基体中分布的碳化物的体积分数小于5％；奥氏体组织层具有高强韧性和优良低周疲劳性能，其化学成分的质量百分数为：0.5％≤C≤1.5％，18.0％≤Mn≤40.0％，3.0％≤Al≤13.0％，P≤0.02％，S≤0.03％，N≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。铁素体组织层具有的显微组织主要为铁素体组织；铁素体组织层具有低强度和良好延展性特征，其化学成分的质量百分数为：C≤0.1％，Mn≤1.0％，Si≤1.0％，Ti≤0.15％，Nb≤0.2％，V≤0.15％，P≤0.02％，S≤0.03％，N≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述低强度弹塑性阻尼钢板的上、下表层必须为奥氏体组织层。进一步地，所述奥氏体组织层和铁素体组织层的平均晶粒尺寸均不超过250μm。进一步地，所述奥氏体组织层的化学成分中C、Mn和Al的质量百分数为：0.6％≤C≤1.0％，24.0％≤Mn≤32.0％，6.0％≤Al≤10.0％；所述铁素体组织层的化学成分中C、Mn和Si的质量百分数为：C≤0.01％，Mn≤0.3％，Si≤0.1％。进一步地，所述低强度弹塑性阻尼钢板的奥氏体组织层的厚度总和小于铁素体组织层的厚度总和，并且低强度弹塑性阻尼钢板的上表层、下表层的厚度均不小于0.2mm。进一步地，本专利技术在上述层状结构基础上特别提供一种三层复合结构的低强度弹塑性阻尼钢板，即：一种低强度弹塑性阻尼钢板，具有三层复合结构，包括上表层、中心层、下表层，并且相邻两层之间在其接合界面处实现完全冶金接合。所述低强度弹塑性阻尼钢板的上表层具有的显微组织主要为奥氏体组织并且奥氏体的体积分数大于90％、奥氏体基体中分布的碳化物的体积分数小于5％，上表层的化学成分的质量百分数为：0.5％≤C≤1.5％，18.0％≤Mn≤40.0％，3.0％≤Al≤13.0％，P≤0.02％，S≤0.03％，N≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述低强度弹塑性阻尼钢板的下表层具有的显微组织主要为奥氏体组织并且奥氏体的体积分数大于90％、奥氏体基体中分布的碳化物的体积分数小于5％，下表层的化学成分的质量百分数为：0.5％≤C≤1.5％，18.0％≤Mn≤40.0％，3.0％≤Al≤13.0％，P≤0.02％，S≤0.03％，N≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述低强度弹塑性阻尼钢板的中心层具有的显微组织主要为铁素体组织，其化学成分的质量百分数为：C≤0.1％，Mn≤1.0％，Si≤1.0％，Ti≤0.15％，Nb≤0.2％，V≤0.15％，P≤0.02％，S≤0.03％，N≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述低强度弹塑性阻尼钢板的上表层、下表层材料和中心层材料的平均晶粒尺寸均不超过250μm。所述低强度弹塑性阻尼钢板的上表层、下表层的厚度均不小于0.2mm，并且钢板中心层厚度大于钢板上表层、下表层厚度的总和。优选地，所述低强度弹塑性阻尼钢板上表层、下表层的化学成分中C、Mn和Al的质量百分数为：0.6％≤C≤1.0％，24.0％≤Mn≤32.0％，6.0％≤Al≤10.0％。优选地，所述低强度弹塑性阻尼钢板中心层的化学成分中C、Mn和Si的质量百分数为：C≤0.01％，Mn≤0.3％，Si≤0.1％。室温条件下，所述具有层状复合结构的低强度弹塑性阻尼钢板的屈服强度(或规定非比例延伸强度Rp0.2)＜300MPa；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＜400MPa，并且钢板的疲劳寿命＞1500周次。本申请创造过程中研究发现，对于Fe-Mn-Si系合金，尽管合金的起始屈服强度较低，但经过有限次循环变形后，合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低强度弹塑性阻尼钢板，其特征在于，具有(2n+1)层复合结构，其中n为正整数，由奥氏体组织层和铁素体组织层交替排列组成，相邻两层的接合界面处实现完全冶金接合，/n所述低强度弹塑性阻尼钢板的奥氏体组织层具有的显微组织主要为奥氏体组织，并且奥氏体的体积分数大于90％以及奥氏体基体中分布的碳化物的体积分数小于5％；所述奥氏体组织层的化学成分的质量百分数为：0.5％≤C≤1.5％，18.0％≤Mn≤40.0％，3.0％≤Al≤13.0％，P≤0.02％，S≤0.03％，N≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质元素；/n所述低强度弹塑性阻尼钢板的铁素体组织层具有的显微组织主要为铁素体组织；所述铁素体组织层的化学成分的质量百分数为：C≤0.1％，Mn≤1.0％，Si≤1.0％，Ti≤0.15％，Nb≤0.2％，V≤0.15％，P≤0.02％，S≤0.03％，N≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质元素；/n所述低强度弹塑性阻尼钢板的上表层、下表层必须为奥氏体组织层。/n

【技术特征摘要】
1.一种低强度弹塑性阻尼钢板，其特征在于，具有(2n+1)层复合结构，其中n为正整数，由奥氏体组织层和铁素体组织层交替排列组成，相邻两层的接合界面处实现完全冶金接合，
所述低强度弹塑性阻尼钢板的奥氏体组织层具有的显微组织主要为奥氏体组织，并且奥氏体的体积分数大于90％以及奥氏体基体中分布的碳化物的体积分数小于5％；所述奥氏体组织层的化学成分的质量百分数为：0.5％≤C≤1.5％，18.0％≤Mn≤40.0％，3.0％≤Al≤13.0％，P≤0.02％，S≤0.03％，N≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质元素；
所述低强度弹塑性阻尼钢板的铁素体组织层具有的显微组织主要为铁素体组织；所述铁素体组织层的化学成分的质量百分数为：C≤0.1％，Mn≤1.0％，Si≤1.0％，Ti≤0.15％，Nb≤0.2％，V≤0.15％，P≤0.02％，S≤0.03％，N≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质元素；
所述低强度弹塑性阻尼钢板的上表层、下表层必须为奥氏体组织层。


2.根据权利要求1所述一种低强度弹塑性阻尼钢板，其特征在于，具有三层复合结构，包括上表层、中心层、下表层，并且相邻两层的接合界面处实现完全冶金接合，
所述低强度弹塑性阻尼钢板的上表层为奥氏体组织层，具有的显微组织主要为奥氏体组织，并且奥氏体的体积分数大于90％以及奥氏体基体中分布的碳化物的体积分数小于5％；所述低强度弹塑性阻尼钢板的上表层的化学成分的质量百分数为：0.5％≤C≤1.5％，18.0％≤Mn≤40.0％，3.0％≤Al≤13.0％，P≤0.02％，S≤0.03％，N≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质元素；
所述低强度弹塑性阻尼钢板的下表层为奥氏体组织层，具有的显微组织主要为奥氏体组织，并且奥氏体的体积分数大于90％以及奥氏体基体中分布的碳化物的体积分数小于5％；所述低强度弹塑性阻尼钢板的下表层的化学成分的质量百分数为：0.5％≤C≤1.5％，18.0％≤Mn≤40.0％，3.0％≤Al≤13.0％，P≤0.02％，S≤0.03％，N≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质元素；
所述低强度弹塑性阻尼钢板的中心层为铁素体组织层，具有的显微组织主要为铁素体组织，其化学成分的质量百分数为：C≤0.1％，Mn≤1.0％，Si≤1.0％，Ti≤0.15％，Nb≤0.2％，V≤0.15％，P≤0.02％，S≤0.03％，N≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。


3.根据权利要求1或2所述一种低强度弹塑性阻尼钢板，其特征在于，所述奥氏体组织层和铁素体组织层的平均晶粒尺寸均不超过250μm。


4.根据权利要求1或2所述一种低强度弹塑性阻尼钢板，其特征在于，所述低强度弹塑性阻尼钢板的奥氏体组织层的厚度总和小于铁素体组织层的厚度总和，并且低强度弹塑性阻尼钢板的上表层、下表层的厚度均不小于0.2mm。


5.根据权利要求1或2所述一种低强度弹塑性阻尼钢板，其特征在于，所述奥氏体组织层的化学成分中C、Mn和Al的质量百分数为：0.6％≤C≤1.0％，24.0％≤Mn≤32.0％，6.0％≤Al≤10.0...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨旗，杨蔚涛，丁孙玮，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