CN112359267B - 一种基于抗疲劳孪生诱发塑性钢的减震结构及制备方法 - Google Patents

一种基于抗疲劳孪生诱发塑性钢的减震结构及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于抗疲劳孪生诱发塑性钢的减震结构及制备方法，由上下两部分类锥形结构组成几何形状为沙漏形的减震结构。减震结构的成分包括C：0.1～0.8；Mn：17.0～30.0；Si：0.8～1.2；P：≤0.008；S：≤0.005；V：0.3～0.6；Ti：0.3～0.6；Zr：0.1～0.3；Nb：0.1～0.3；其余为Fe。通过合金设计提高孪生诱发塑性钢的加工硬化能力和剪切抗力；通过多元微合金化和热处理，获得弥散强化相以钉扎位错，降低位错动性从而提高合金的屈服强度；通过中温锻造获得高密度位错及复杂组态，进一步提高合金的屈服强度和滑移抗力；通过中温热处理产生部分恢复和再结晶晶粒，调控合金的综合力学性能，获得良好的低周疲劳性能。获得的减震装置综合力学性能及弯曲疲劳性能具有明显优势，在铁路减(隔)震结构中有广泛的应用前景。

Description

一种基于抗疲劳孪生诱发塑性钢的减震结构及制备方法
技术领域
本发明涉及一种合金钢及铁路桥梁减震技术，尤其涉及一种基于抗疲劳孪生诱发塑性钢的减震结构及制备方法。
背景技术
目前，铁路大量采用以桥代路的建设方案，桥梁长度达线路总长的70％以上。位于地震基本烈度7度或7度以上的地区，提高铁路桥梁抗震能力的减震结构设计及材料极其重要。铁路桥梁多采用重力式桥墩，桥墩刚度大、基频高，对地震响应剧烈，故无法依靠结构自身延性耗散地震能，须在铁轨和桥墩之间设计减震结构以减小桥墩水平方向的负荷，利用材料的延性和阻尼达到减震的目的。
金属阻尼元件是铁路桥梁抗震结构的主要功能部件之一。由于金属材料具有良好的综合力学性能，可通过自身的弹塑性变形吸收地震发生时的振动能，因此可在一定程度上保护铁轨及桥梁不产生变形或断裂。目前，铁路减震结构用的金属材料主要是延性较好的软钢，如Q345等。但是，由于该材料的屈服强度仅为360MPa左右，断后伸长率仅为20％左右，难以满足高烈度地震区铁路大跨度连续桥梁防护的要求。由于缺少理想的减震材料，高地震烈度地区铁路大跨度连续桥梁的减隔震设计一直是行业内的技术难题。
孪生诱发塑性钢是一种具有极高塑性的单相奥氏体钢，同时还具有很高的强度、韧性和抗疲劳性能，其典型力学性能为：屈服强度250～350MPa，抗拉强度500～900MPa，断后伸长率60～85％。显然，孪生诱发塑性钢的综合力学性能要远远优于Q345或其它传统金属材料。如果在铁路桥梁减震结构中应用孪生诱发塑性钢，将有望解决现有材料强韧性不足、阻尼力过小，疲劳特性较差的问题，为高地震烈度地区铁路桥梁减隔震设计提供一种新途径。但是，前期试验结果表明，在相同的水平弯曲疲劳加载条件下，孪生诱发塑性钢的循环疲劳寿命并未显示出优势，甚至还低于Q345钢。这表明材料在横向弯曲疲劳载荷下的服役行为及其寿命不仅依赖于强度和延性，还与材料微观组织的演变规律及应变硬化行为密切相关。因此，应该对该服役条件下材料内的应力应变分布、发展，晶体缺陷的萌生、演化及其与材料疲劳损伤的关系等因素进行分析，从而建立材料强韧性和疲劳性能之间的联系，为充分发挥孪生诱发塑性钢综合力学性能的优势提供依据。
另外，铁路桥梁减震结构相关元件一般为轴类部件，长径比一般大于10。在横向弯曲加载的条件下，减震元件轴向应力应变呈梯度分布，其根部附近应力最大，往往因应力集中而提前断裂，导致整体材料强韧性得不到充分发挥。因此，减震元件的构型设计一般遵循等强度的原则，根据其往复弯曲时剪切应变分布及演化特点，将其外观设计成类锥形，两端直径最大，中间最小，但两端至中间的直径变化规律则需由材料特性来确定。由于目前尚没有关于孪生诱发塑性钢弯曲或剪切性能的报道，也没有关于孪生诱发塑性钢在铁路减震结构中应用的先例，因此，要利用孪生诱发塑性钢来提高铁路减震元件的承载能力和抗疲劳性能，须根据孪生诱发塑性钢的特殊变形及强韧化机制对减震元件几何结构进行设计，使之优异的强韧性能在抵抗低周弯曲疲劳时充分发挥作用。
顾名思义，孪生诱发塑性钢的塑性及其强韧性源自变形过程中萌生的大量孪晶。在单向拉伸的情况下，这些孪晶通过与位错和晶界的交互作用，形成大量细小的亚晶，从而使位错自由程减小、动性下降，由此产生连续的应变硬化和动态强化效应。孪晶的产生还使位错滑移困难，材料宏观颈缩滞后，因而产生极大的均匀变形。然而，在剪切应力的作用下，孪生变形将受到抑制而位错滑移则变得相对容易，导致形变局域化加重。因此，在弯曲疲劳加载的条件下，孪生诱发塑性钢的服役行为及疲劳寿命并不具有明显的优势。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于抗疲劳孪生诱发塑性钢的减震结构及制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的基于抗疲劳孪生诱发塑性钢的减震结构，包括上下两部分类锥形结构，所述的上下两部分类锥形结构组成几何形状为沙漏形的减震结构。
上述的基于抗疲劳孪生诱发塑性钢的减震结构的制备方法，包括步骤：
(1)熔炼：将原料单质Mn、C、Fe以及V-Fe、Ti-Fe、Zr-Fe和Nb-Fe中间合金按目标成分进行配料、称重，然后加入到中频感应炉内熔炼，熔炼结束后浇注成钢锭；
(2)钢锭精整：将步骤(1)获得的钢锭进行表面车削加工并切除冒口，表皮加工量2～5mm；
(3)高温锻造定比：将精整后的钢锭加热至1000～1100℃，保温3～5小时，再按锻比0.4-0.7将钢锭锻造成尺寸为160×160×200mm左右的方坯，然后自然冷却至室温；
(4)中温锻造定型：将尺寸固定的高温锻坯重新加热到700～850℃，保温1～3小时，然后一火锻至直径为φ35～65mm的圆坯，再自然冷却至室温；
(5)热处理：将锻造定型后的锻坯在电阻炉内加热，升温速率9～11℃/min。当温度升到650～850℃后，保温0.5～4.5小时，最后出炉快速水冷，即得到孪生诱发塑性钢坯料；
(6)按照数值模拟优化的几何形状和尺寸，将热处理后的孪生诱发塑性钢圆棒加工成减震元件。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于抗疲劳孪生诱发塑性钢的减震结构及制备方法，通过合金设计提高孪生诱发塑性钢的加工硬化能力和剪切抗力；通过多元微合金化和热处理，形成弥散强化，提高合金的屈服强度；通过中温锻造获得高密度及复杂组态位错，进一步提高材料的屈服强度和滑移抗力；通过中温热处理产生部分恢复和再结晶晶粒，调控合金的综合力学性能，提高材料的低周疲劳性能；通过数值模拟优化减震元件的应力应变分布，减少横向弯曲加载时的应力集中，实现减震元件疲劳寿命的最大化。
附图说明
图1为Q355钢典型金相组织
图2为普通孪生诱发塑性钢的典型等轴晶组织。
图3为本发明实施例获得的孪生诱发塑性钢的典型晶粒组织。
图4为Q355钢典型拉伸应力应变曲线及性能。
图5为普通等轴晶孪生诱发塑性钢的典型拉伸应力应变曲线及性能。
图6为本发明实施例获得的孪生诱发塑性钢的典型拉伸应力应变曲线及性能。
图7为本发明实施例减震元件优化设计后的外观及其尺寸。
图8为Q355钢位移-水平力循环曲线。
图9为普通孪生诱发塑性钢位移-水平力循环曲线。
图10为本发明实施例获得的孪生诱发塑性钢位移-水平力循环曲线。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的基于抗疲劳孪生诱发塑性钢的减震结构，其较佳的具体实施方式是：
包括上下两部分类锥形结构，所述的上下两部分类锥形结构组成几何形状为沙漏形的减震结构。
所述减震元件的成分包括以下组分按质量份为：C：0.1～0.8；Mn：17.0～30.0；Si：0.8～1.2；P：≤0.008；S：≤0.005；V：0.3～0.6；Ti：0.3～0.6；Zr：0.1～0.3；Nb：0.1～0.3；其余为Fe。
所述减震结构为铁路桥梁减震元件。
上述的基于抗疲劳孪生诱发塑性钢的减震结构的制备方法，包括步骤：
(1)熔炼：将原料单质Mn、C、Fe以及V-Fe、Ti-Fe、Zr-Fe和Nb-Fe中间合金按目标成分进行配料、称重，然后加入到中频感应炉内熔炼，熔炼结束后浇注成钢锭；
(2)钢锭精整：将步骤(1)获得的钢锭进行表面车削加工并切除冒口，表皮加工量2～5mm；
(3)高温锻造定比：将精整后的钢锭加热至1000～1100℃，保温3～5小时，再按锻比0.4-0.7将钢锭锻造成尺寸为160×160×200mm左右的方坯，然后自然冷却至室温；
(4)中温锻造定型：将尺寸固定的高温锻坯重新加热到700～850℃，保温1～3小时，然后一火锻至直径为φ35～65mm的圆坯，再自然冷却至室温；
(5)热处理：将锻造定型后的锻坯在电阻炉内加热，升温速率9～11℃/min。当温度升到650～850℃后，保温0.5～4.5小时，最后出炉快速水冷，即得到孪生诱发塑性钢坯料；
(6)按照数值模拟优化的几何形状和尺寸，将热处理后的孪生诱发塑性钢圆棒加工成减震元件产品。
所述步骤(1)中，单质Mn须在其它原料全部熔清后加入，同时将电炉功率升至最大，使其快速熔化。
本发明的基于抗疲劳孪生诱发塑性钢的减震结构及制备方法，采取了以下四种技术：
(1)从提高孪生诱发塑性钢抗剪切性能的硬化能力入手，通过提高含C量，增加奥氏体晶格的畸变程度，增大晶格内应力，从而使晶面滑移的抗力增大，材料加工硬化效应增强；通过提高Mn/C比，避免碳化物的产生，同时确保材料变形方式以孪生为主；通过加入少量Ti、Zr、Nb和V，结合固溶和时效处理，形成细小的弥散质点，强化对位错的钉扎作用，提高材料的剪切抗力。
(2)通过中温锻造，使晶粒沿特定取向伸长、硬化，并使材料内部位错密度增加，位错组态如交割、塞积、组网和攀移等更加复杂，材料强度特别是屈服强度显著提高，剪切滑移和疲劳抗力上升。
(3)通过中温退火，产生部分恢复和再结晶，调整晶格内应力、位错密度、晶粒形态及其分布，使材料屈服后具有优异的低周疲劳特性。
(4)通过对孪生诱发塑性钢典型真应力-真应变曲线的分析和数值模拟，建立了减震结构弯曲变形时的应力云图，优化出应力分布均匀化对应的减震结构构型和尺寸，实现了减震结构疲劳寿命的最大化。
通过以上四项技术措施，使孪生诱发塑性钢的强度、塑性及剪切疲劳抗力明显提高并在较大范围内可调，以适应不同铁路桥梁减震结构的需求。
本发明方法制得的孪生诱发塑性钢及其减震结构具有极高的综合力学性能及突出的横向弯曲疲劳性能。具体特点如下：
(1)主要化学成分(wt.％)：C：0.1～0.8；Mn：17.0～30.0；Si：0.8～1.2；P：≤0.008；S：≤0.005；V：0.3～0.6；Ti：0.3～0.6；Zr：0.1～0.3；Nb：0.1～0.3；其余为Fe。
(2)金相组织：单相奥氏体；纤维状变形晶粒≥80％；再结晶晶粒≤20％；再结晶晶粒尺寸：10～20μm；弥散相体积分数：3～10％；弥散相颗粒尺寸≤200nm。
(3)典型力学性能：屈服强度350～550MPa，抗拉强度980～1030MPa，断后伸长率70～90％。
本发明通过合金设计提高孪生诱发塑性钢的加工硬化能力和剪切抗力；通过多元微合金化和热处理，获得弥散强化相以钉扎位错，从而提高合金的屈服强度；通过中温锻造获得高密度位错及其复杂组态，进一步提高合金屈服强度和滑移抗力；通过中温热处理产生部分恢复和再结晶晶粒，调控合金的综合力学性能，获得高抗低周疲劳性能；通过数值模拟优化减震结构的几何构型，形成均匀的应力应变分布，避免横向弯曲加载时的应力集中，因此实现了震榫疲劳寿命的最大化。
本发明得到的孪生诱发塑性钢与普通孪生诱发塑性钢的主要力学性能对比如表1所示：
表1本发明孪生诱发塑性钢与普通孪生诱发塑性钢和中碳钢主要性能对比
Figure BDA0002744873890000051
Figure BDA0002744873890000061
由表1可以看出，本发明获得的孪生诱发塑性钢综合力学性能和弯曲疲劳性能明显优于普通碳钢和常规孪生诱发塑性钢。其中最突出的差别有两点：一是在延性相近的情况下，本发明获得的孪生诱发塑性钢具有更高的强度；二是本发明孪生诱发塑性钢的弯曲疲劳寿命比普通碳钢和常规孪生诱发塑性钢分别提高65％和37％。效果非常明显。
具体实施例：
一种基于抗疲劳孪生诱发塑性钢的减震结构及制备方法，其主要化学成分为(wt.％)：C：0.1～0.8；Mn：17.0～30.0；Si：0.8～1.2；P：≤0.008；S：≤0.005；V：0.3～0.6；Ti：0.3～0.6；Zr：0.1～0.3；Nb：0.1～0.3；其余为Fe。
制备方法如下：
(1)按目标成分进行配料，在真空感应电炉内、氩气保护下进行熔炼。熔炼开始后，待所有其它原料熔化后再加入纯Mn，同时将电炉功率升至200kW，在10分钟内熔清，随后立即进行浇注，形成钢锭。
(2)对钢锭进行精整。包括车削钢锭表面，加工量约2mm；切割冒口及其相邻钢锭顶部材料，后者切割厚度约25mm。
(3)将精整后的钢锭于1100℃保温4小时，然后按锻比0.4进行锻造抜长，一火锻成直径为65mm左右的圆棒。
(4)将锻坯在电阻炉内加热，升温速率10℃/min，加热温度1000℃，保温3小时，炉冷，即得到加工减震结构所需的孪生诱发塑性钢。
(5)材料机械性能测试。从热处理后的锻坯上取样，加工成哑铃形板状拉伸试棒，试棒长度方向与锻坯轴向同向，标距段尺寸为6×2×40mm。在材料试验机上进行拉伸试验，拉伸速率为3mm/min，测得材料的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率，如附图6所示。
(6)减震元件设计与加工。按照优化设计方案，用热处理后的孪生诱发塑性钢加工减震元件。
(7)减震结构疲劳性能测试。将加工好的减震元件下端连接到专用工装(为活动端，仅释放垂向自由度)，上端连接到试验机上板(为固定端)。采用正弦波加载，频率为0.04HZ，振幅为±75mm。同时还用Q355钢和普通孪生诱发塑性钢减震元件做了对比试验，结果如图7-9所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于抗疲劳孪生诱发塑性钢的减震结构的制备方法，其特征在于：
所述基于抗疲劳孪生诱发塑性钢的减震结构包括上下两部分类锥形结构，所述的上下两部分类锥形结构组成几何形状为沙漏形的减震结构；
所述减震结构的成分包括以下组分按质量百分比为：C：0.1~0.8；Mn：17.0~30.0；Si：0.8~1.2；P：≤ 0.008；S：≤ 0.005；V：0.3~0.6；Ti：0.3~0.6；Zr：0.1~0.3；Nb：0.1~0.3；其余为Fe；
所述减震结构为铁路桥梁减震元件；
所述的基于抗疲劳孪生诱发塑性钢的减震结构的制备方法包括步骤：
（1）熔炼：将原料单质Mn、C、Fe 以及V-Fe、Ti-Fe、Zr-Fe和Nb-Fe中间合金按目标成分进行配料、称重，然后加入到中频感应炉内熔炼，熔炼结束后浇注成钢锭；
（2）钢锭精整：将步骤（1）获得的钢锭进行表面车削加工并切除冒口，表皮加工量2~5mm；
（3）高温锻造定比：将精整后的钢锭加热至1000~1100℃，保温3~5小时，再按锻比0.4-0.7将钢锭锻造成尺寸为160´160´200mm左右的方坯，然后自然冷却至室温；
（4）中温锻造定型：将尺寸固定的高温锻坯重新加热到700~850℃，保温1~3小时，然后一火锻至直径为f35~65mm的圆坯，再自然冷却至室温；
（5）热处理：将锻造定型后的锻坯在电阻炉内加热，升温速率9~11℃/min。当温度升到650~850℃后，保温0.5~4.5小时，最后出炉快速水冷，即得到孪生诱发塑性钢坯料；
（6）按照数值模拟优化的几何形状和尺寸，将热处理后的孪生诱发塑性钢圆棒加工成减震元件产品；
所述步骤（1）中，单质Mn须在其它原料全部熔清后加入，同时将电炉功率升至最大，使其快速熔化。
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