一种超低屈强比低屈服点阻尼软钢及制备方法与流程

本发明涉及阻尼钢生产领域，尤其涉及一种超低屈强比低屈服点阻尼软钢及制备方法。

背景技术：

1、随着现代科学技术的发展和人们对于生活质量不断提升的需求，振动和噪声的危害越来越受到研究人员的广泛关注，因此对于减振降噪技术的研究，引起了许多部门的普遍重视，尤其在航海、航天和航空、核工业等领域。阻尼合金就是在这种条件下应运而生的，阻尼合金是指具有结构材料应有的强度并能通过阻尼过程(内耗)把振动能较快的转变为热能消耗掉的合金。

2、目前研究较为成熟的金属阻尼材料按照阻尼机制，可分为复相型(铸铁)、超塑性型(zn-al合金)、位错型(mg及mg合金)、孪晶型(mn-cu合金)、铁磁型(fe-cr)；fe-mn阻尼钢是近十几年才开发出的一种新型金属阻尼材料，在这些金属阻尼材料中，fe-mn阻尼钢成本最低的(仅为mn-cu阻尼合金的1/4)，其阻尼性能随着应变振幅的增大而增加，并且不受外界磁场的影响，在较高服役温度下，仍可以具有高阻尼性能。fe-mn阻尼钢非常适合承受较大振动和冲击的部件中使用。

3、在建筑、桥梁等领域中，为了实现在地震中的减震消能，保护主体结构不被破坏，常使用软钢制作阻尼器，来进行消能。在地震来临时，软钢阻尼器首先发生塑性变形，在地震中循环拉伸变形，大量吸收地震能量，阻尼器吸收大量能量，建筑物主体结构吸收少量能量，达到大震不倒，小震可修。目前常用的软钢仅具有在地震中进行塑性消耗能量的作用，fe-mn阻尼钢作为一种高阻尼金属材料，屈强比低，在塑性范围具有抗震性能，同时在弹性范围，还具备减振降噪的功能。建筑物的安全不仅要关注抗震性能，在日常生活中，振动对于建筑物也有着的较大危害，同时随着人民群众对美好生活的需求，建筑物中振动引起的噪声也亟待解决，因此，一种既具备抗震消能，又具备减振降噪的软钢是一个非常值得研究的问题。

4、现有技术中，专利号为cn103898401b的发明专利公布了一种提高高强度铁锰基阻尼合金阻尼性能的方法，该方法采用固溶热处理+时效热处理+室温变形的方法，制造出层错区溶质原子的偏聚，通过室温变形，使得扩展位错脱离高浓度溶质原子区域，扩展位错的运动能力得到提高，都达到提高铁锰基阻尼合金阻尼性能的效果。该方法在室温下进行变形，应用范围小，仅能在薄尺寸规格中使用，且室温变形还会导致材料产生内应力，不利于合金的长期寿命。

5、专利号为cn112899577b的发明专利公布了一种fe-mn系高强度高阻尼合金的制备方法，该方法采用冶炼、锻造、热轧得到2～20mm的热轧板，进一步采用退火或冷轧等步骤，得到高强度高阻尼合金。该方法虽然通过复杂的热处理及冷轧等工艺得到抗拉强度大于900mpa的阻尼合金，但是并未考虑合金的耐蚀和韧性，在目前要求材料具有多种性能的环境下，合金的应用是具有很大限制的。

6、专利号为cn107699668b的发明专利公布了一种提高铁锰阻尼合金耐腐蚀性能的方法，该方法通过在真空环境下，进行高温热处理，使铁锰阻尼合金表面出现一层铁素体，来提高铁锰阻尼合金的耐腐蚀性能，同时还能提高阻尼性能。但该方法需要在真空环境下进行高温热处理，工艺条件苛刻，同时表面的铁素体层会严重降低阻尼合金的强度。

7、专利号为cn103966529a的发明专利公布了一种高阻尼mn-fe基减振合金及其制备方法，该方法在氩气保护气氛的感应炉中熔炼，采用24h均匀化热处理，900～1150℃锻造，并在1000℃进行退火，最后在1000℃固溶处理得到高阻尼减振合金。此方法虽然得到的阻尼合金性能较好，但其采用均匀、退火、固溶等多次热处理工序以及锻造，制备流程复杂，仅适合小批量生产，难以进行大规模生产。

8、专利号为cn106282786a的发明专利公布了一种含nb铁锰基阻尼合金及其制备方法，该方法采用真空电弧熔炼，依次进行均匀化热处理、热轧、定型和固溶处理，得到阻尼损耗因子tanφ达到0.055的高阻尼合金。该方法虽然得到了高阻尼的阻尼合金，但采用电弧熔炼制备的阻尼合金重量小，应用领域十分受限，将阻尼合金放入不锈钢管内进行热处理的工艺，更是难以推广使用，因此该方法仅适用于在实验室阶段制备阻尼合金或极小尺寸的阻尼合金需求应用。

9、专利号为cn106011636a的发明专利公布了一种船用铁锰基高强韧阻尼合金，该发明专利通过控制组织：ε马氏体组织含量不低于70％，α马氏体+奥氏体组织含量不高于30％，得到了良好强韧性匹配的船用铁锰基阻尼合金。虽然该发明阻尼合金具有良好的强韧性，该发明未考虑耐蚀性能，铁锰基阻尼合金在船用领域没有得到大规模应用的主要原因就是其耐蚀性能很差，甚至不如普通的q235/q345，在应用仍具有非常大的困难。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种超低屈强比低屈服点阻尼软钢及制备方法，既是一种低屈服点软钢，又具备超低屈服比、高塑韧性、高阻尼和高耐蚀性，同时具备软钢的抗震消能作用和阻尼钢的减振降噪功能，成分及工艺简单，易于实施。

2、为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种超低屈强比低屈服点阻尼软钢，按重量百分比包括以下化学成分为：c≤0.05％，si≤0.05％，mn 13％～24％，al 4％～13％，al≥0.792％×mn-6.5％，p 0～0.045％，s：0～0.012％，，余量为fe和不可避免的杂质；

4、超低屈强比低屈服点阻尼软钢的微观组织为奥氏体和δ铁素体，其中，δ铁素体≤10％。

5、超低屈强比低屈服点阻尼软钢按重量百分比还包括以下化学成分：nb 0.02％～0.04％，ti 0.013％～0.026％，zr 0.02％～0.04％中的一种或多种。

6、超低屈强比低屈服点阻尼软钢按重量百分比还包括以下化学成分：v 0.02％～0.04％。

7、阻尼软钢成分主要作用为：

8、c：是影响强度的关键元素，通过固溶强化和析出强化对提高阻尼钢的强度有明显作用，但碳含量增加会影响钢材焊接性能、低温韧性，特别的是会显著降低阻尼性能，在本发明中，c是一个有害性元素，从性能要求上，不添加c元素最佳，但工业生产中完全去除c元素难以实现，且成分高昂，综合考虑性能和成本来说，优选c含量控制在≤0.05％，这样既可以保证材料的阻尼性能，适当提高了材料的抗拉性能，获得超低屈强比，同时也不用付出高昂的成本。

9、si：是炼钢过程中主要的脱氧成分，为了得到充分的脱氧效果必须含0.10％以上，但若超过上限则会降低母材及焊接部位的韧性；此外固溶的si元素在阻尼钢中会严重影响不全位错的可动性，极大地限制材料的阻尼性能，为了保证高阻尼性能，si元素含量要尽量低，在保证低成本和满足性能指标要求的前提下，优选si含量≤0.05％。

10、mn：作为最重要的合金元素，在阻尼钢中mn元素可以降低层错能，除了保证组织中ε马氏体的出现外，还具有扩大奥氏体相区、降低ar3点温度、提高阻尼钢强度的作用；mn元素是调控阻尼钢最重要的元素，要保证阻尼钢组织主要以奥氏体为主的前提下，mn元素含量与al元素含量要进行同步调整，因此优选mn含量范围为13％～24％。

11、al：铝元素在钢中常作为脱氧剂，可以有效地降低钢中的氧含量，同时还具有一定的细化晶粒的作用，与氮元素可以形成氮化铝；但是铝元素在本发明阻尼钢中是一个极为关键的元素，al元素会抑制阻尼钢中奥氏体向ε马氏体转变，使得阻尼钢得到大量的室温奥氏体，为了控制好阻尼钢中奥氏体相的比例，铝元素的含量需要严格控制，mn元素含量与al元素含量要进行同步调整，因此al含量优选为4％～13％。

12、p：对阻尼钢低温冲击韧性带来不利影响的元素，它可以在钢板中心部位偏析以及在晶界聚集等损害低温韧性，但在本发明阻尼钢中，主要为奥氏体组织，p元素的对于低温韧性、塑性和阻尼性能的影响较低，为达到低成本的目的，p元素的控制范围可以较宽松，因此优选p元素含量为0～0.045％。

13、s：对阻尼钢冲击韧性有着不利的影响，可以形成硫化物夹杂，成为裂纹源，特别是在本发明的高mn体系中，mns的形成会对阻尼钢的塑性造成巨大的影响，为保证阻尼钢具有优良的综合性能，s元素作为一种有害元素需严格控制，在考虑低成本的基础上，优选s元素含量不高于0.012％。

14、nb：铌的加入是为了促进阻尼钢轧制显微组织的晶粒细化，可同时提高强度和韧性，铌可在控轧过程中通过抑制奥氏体再结晶，有效的细化显微组织，并通过析出强化基体。焊接过程中，铌原子的偏聚及析出可以阻碍加热时奥氏体晶粒的粗化，并保证焊接后得到比较细小的热影响区组织，改善焊接性能。nb含量优选控制在0.02％～0.04％。

15、ti：通过微量含有而形成氮化物、碳化物或碳氮化物，具有使晶粒微细化而提高阻尼钢的强度和韧性，同时在焊接中，提高焊接母材韧性的效果。但含有超过0.026％时，形成的碳氮化物会对阻尼钢的低温韧性造成损害，也会使母材以及焊接热影响部的韧性降低，因此，优选含量控制在0.01％～0.025％。

16、v：通过与碳元素形成细小且弥散分布的碳化钒析出，可以有效地提高阻尼钢的强度，同时对于阻尼钢的塑韧性和阻尼性能没有显著影响，对于获得综合性能优良的阻尼钢非常有效。但钒元素是一种较为昂贵的元素，且含量过高时，析出物的尺寸会有一定的增大，强度强化效果降低，同时还会不利于阻尼性能，因此含量优选为0.02％～0.04％。

17、zr：锆元素是一种强有力的脱氧和脱氮元素，可以细化奥氏体晶粒，与硫元素可以形成硫化锆，防止热脆；锆元素也是一种强碳化物形成元素，在高碳环境下，它还可以促进渗碳体的球化，在阻尼钢中适量添加锆元素，有利获得优良的综合性能，因此含量优选为0.02％～0.04％。

18、阻尼软钢的性能为：屈服强度≤160mpa，抗拉强度≥400mpa，断后伸长率≥60％，-40℃冲击吸收功≥250j，阻尼性能(对数衰减率)≥0.27，周浸加速实验腐蚀速率≤0.2g·m-2·h-1。

19、一种超低屈强比低屈服点阻尼软钢的制备方法，依次采用电炉或转炉熔炼，采用轧机轧制，热处理，具体包括：

20、1)轧制

21、采用完全再结晶区域轧制，铸锭加热温度控制在1150～1250℃，保温时间为t≥2.5min/mm×d/2，其中，d为铸锭厚度；在1080～1140开坯，将铸锭厚度轧制200～250mm；完全再结晶区域轧制的开轧温度控制在1050～1100℃，单道次压下率不低于18％，采用往复轧制，轧制过程温度始终控制在950℃以上，将钢板轧制20～60mm；钢板矫直后进行冷却，开冷温度≥900℃，平均冷速在5～10℃，返红温度在300～400℃；

22、2)热处理

23、将轧后钢板重新加热到850～930℃，保温时间t≤1.5min/mm×d/2，其中，d为钢板厚度，保温结束后，进行空冷，冷却至室温。

24、阻尼软钢制备工艺步骤的主要作用为：

25、轧制工艺：采用较低的轧前加热温度，和相对较长的保温时间，使阻尼钢锭中的成分偏析得到有效缓解，同时奥氏体晶粒不会过分长大；采用完全再结晶区域轧制，开轧温度为1050～1100℃，将轧制温度控制在奥氏体晶粒完全再结晶温度以上(≥950℃)，压下率≥18％，完全再结晶区域轧制可以使得在每道次轧制后，奥氏体均发生再结晶，奥氏体晶粒得充分细化；轧后开冷温度≥900℃，轧制完成后，阻尼钢板经矫直后快速冷速，轧制细化后奥氏体晶粒不会过分粗大，使得轧制的阻尼钢板可以获得细小而均匀的奥氏体晶粒。轧后的返红温度控制在300～400℃，钢板可以得到一个自回火效果，降低钢板中的残余应力，有利于钢板的平整度。

26、热处理工艺：加热温度控制低，保温时间短，在保证完全奥氏体化的前提下，奥氏体晶粒不会显著粗化，组织得到充分的均匀化；保温结束后，不采用快冷，而采用缓慢冷却的工艺，主要原因是给碳化物形成留出一定的空间，尽量减少阻尼钢的碳元素的固溶量，同时空冷工艺下的阻尼钢屈服强度低，可以满足低屈服点的指标需求。

27、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

28、获得一种既具备在地震中进行塑性变形来消能，保护主体结构不受破坏，又具备在弹性范围内的减振降噪功能，降低振动和噪声；通过控制fe-mn阻尼钢中的孪晶界和层错密度，使得fe-mn阻尼钢在不具备ε马氏体组织的情况下，仅通过奥氏体内细密的微观组织结构，来达到高阻尼的效果，同时柔软的奥氏体组织使得fe-mn阻尼钢具有较低的屈服强度和优异的塑性变形能力，从而获得优异的塑性变形耗能能力；获得的超低屈强比低屈服点阻尼软钢的屈服强度≤160mpa，抗拉强度≥400mpa，断后伸长率≥60％，-40℃冲击吸收功≥250j，阻尼性能(对数衰减率)≥0.27，周浸加速实验腐蚀速率≤0.2g·m-2·h-1；阻尼软钢在具备软钢的抗震消能作用，又具备减振降噪的功能，耐蚀性能优异，在需要抗震消能和减振降噪的建筑、桥梁等领域有着广泛的应用前景。