Fe-Mn-Si-Ni-Cu系弹塑性阻尼钢及其制造方法与应用与流程

本发明属于钢材料技术领域，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。

背景技术：

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，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。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，上述专利发明人指出“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，上述专利的发明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。

技术实现要素：

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。

本发明第一方面提供一种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-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。

在本发明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。因此，本发明控制mn含量为20.0％～34.0％，优选25.0％～31.0％。

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3.0％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，上述因素不利于奥氏体和ε马氏体之间可逆相变的发生，从而使合金低周疲劳寿命降低；并且，过高si含量会使阻尼合金具有较高的屈服强度和循环加工硬化率，同样不利于提高合金的低周疲劳寿命。因此，本发明限定si含量为3.0％～6.0％，优选3.9％～5.0％。

ni：ni是奥氏体形成元素，在本发明中是主要合金元素。一方面，添加ni元素可以增加钢中奥氏体堆垛层错能和调节(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；再有，采用ni合金化有利于降低合金材料的屈服强度和加工硬化能力。另一方面，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；并且，由于ni是贵金属元素，添加过量的ni同时会带来原材料成本大幅上升。本发明限定ni≤5.0％，优选ni≤3.0％。

cu：cu在本发明中是重要合金元素。一方面，添加cu元素可以调节钢中奥氏体堆垛层错能和降低马氏体相变点，抑制过量热诱发ε马氏体的生成；并且，适量cu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；再有，cu合金化有利于降低合金材料的加工硬化能力并且不显著改变合金的屈服强度。还有，由于cu和ni的作用有相类似，cu可以起到部分替代钢中ni元素的作用，以进一步降低合金成本。另一方面，添加过量cu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；另外，添加过量cu会在合金基体中形成cu的析出物而强化合金基体，不利于合金维持较低屈服强度。本发明限定0＜cu≤4.0％，优选0＜cu＜2.0％。

al：al是本发明中可以选择添加的元素。添加适量al元素可以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。但是，al会降低合金材料的可制造性(增加生产工艺技术难度)和使合金具有较高的屈服强度与加工硬化能力。因此，本发明控制al含量为0％～1.5％，优选0％～1.0％。

c：c是本发明中可以选择添加的元素。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。并且，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。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，从而显著降低合金的低周疲劳寿命。因此，本发明控制c含量为0％～0.15％，优选0％～0.10％。

本发明中，mn、ni、cu和al元素的质量百分含量还需满足如下关系：mn+2ni+5al≤37％、al+0.4ni+0.25cu≤3.5％和ni/cu≥0.25。具体原因如下所述。当mn+2ni+5al大于37％时，奥氏体堆垛层错能会较高，应力/应变诱发ε马氏体相变逐渐受到抑制，不利于提升合金的低周疲劳寿命。当al+0.4ni+0.25cu大于3.5时，一方面，合金基体中ε马氏体相变会受到抑制；另一方面，合金的屈服强度和加工硬化能力会显著增强。本发明限定al+0.4ni+0.25cu不大于3.5，优选不大于2.3。ni/cu大于0.25可以抑制钢的铜脆现象发生(在无ni或低ni的情况下，含cu钢在高温加热时会在钢的表面形成液态富cu相，从而导致钢的表面裂纹形成)。

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，所开发的阻尼合金一般不含有cr元素，添加适量ni和cu元素的主要目的是调节高mn奥氏体阻尼合金的堆垛层错能以及有效地降低阻尼合金的强度与加工硬化程度。

同时需要说明的是，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cr元素，cr元素含量的质量百分数不超过2.0％。

本发明第二方面提供上述fe-mn-si-ni-cu系弹塑性阻尼钢的制造方法。

第一种所述fe-mn-si-ni-cu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％，3.0％≤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)热轧

采用1000～1200℃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-cu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1000～1200℃。加热温度超过1200℃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。

本发明热轧时铸坯保温时间为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，退火均热温度为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-cu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％，3.0％≤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)热轧

采用1000～1200℃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：常规酸洗方法进行；

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700～1100℃，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-cu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1000～1200℃，加热温度超过1200℃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。

本发明热轧时铸坯保温时间为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

对热轧酸洗后的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700～1100℃，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。当退火均热温度低于700℃时，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700～1100℃。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-压缩交变载荷或剪切交变载荷作用过程中钢板基体发生奥氏体和ε马氏体之间的可逆相变以及(不全)位错平面滑移，以减少合金材料内部晶体缺陷的累积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、cu和al元素的含量在规定范围内，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％；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)＜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。

上文中，mn、ni、cu和al元素的质量百分含量满足关系式：ni/cu≥0.25，mn+2ni+5al≤37％和al+0.4ni+0.25cu≤3.5％，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。

本发明中，上述两种制备工艺中，冶炼可以采用中频炉冶炼并结合炉外精炼。

本发明通过调控fe-mn-si-ni-cu系弹塑性阻尼钢的成分配比，并结合其制备工艺，在不添加cr以及ni含量少的情况下可以较容易地生产出品质优良的高mn阻尼合金(mn的含量在30％左右)，且mn的收得率不低于90％，并不会给生产成本带来显著增加。因此，实际生产中，在不考虑钢种耐蚀性的前提下，无需利用添加贵金属cr和/或ni元素的方法来降低阻尼合金中mn元素的含量(以增加生产工艺技术容易度和降低生产成本)，因此，本发明显著降低了合金成本。

本发明第三方面提供上述fe-mn-si-ni-cu系弹塑性阻尼钢的应用：

所述fe-mn-si-ni-cu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。

本发明制备具有低屈服强度和低加工硬化特征的阻尼钢，在交变载荷作用下能表现出更加优异的塑性耗能效果，以及优异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)之间的可逆相变以及(不全)位错平面滑移，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)＜340mpa；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＜520mpa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(如低屈服点铁素体钢)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。

2、本发明主要通过控制mn、si、ni、cu和al元素含量，实现铁锰合金钢基体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以及(不全)位错平面滑移，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不含铝或含铝量低，因此钢种的可制造性较好，并且钢的屈服强度和加工硬化能力相对较低。

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3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6817周次。

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％，3.0％≤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％。

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％，3.0％≤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)热轧

采用1000～1200℃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％，3.0％≤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)热轧

采用1000～1200℃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700～1100℃，均热时间为0.5～10h；退火完毕将钢板冷却至室温。

以下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1-16及对比例1-4中各成分的含量配比。

表1(单位：wt％)

具有表1所示成分的钢料经冶炼和浇铸后制成板坯。在1130℃加热温度下加热铸坯，保温时间1.5h后热轧所述铸坯，在840℃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

本发明实施例1-16及对比例1-4钢板的力学性能和室温低周疲劳性能如表3所示。

表3

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)＜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。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。

另外，比较实施例16和对比例4。由表1可见，除了不含有cu元素之外，对比例4中其他合金元素的含量和实施例16接近。由表3可见，实施例16所示阻尼合金的低周疲劳寿命(3002周次)显著高于对比例4所示合金(1898周次)，而对比例4所示合金的加工硬化程度要明显高于实施例16所示的阻尼合金。因此，添加cu元素可以提高阻尼钢的低周疲劳寿命以及降低材料的循环加工硬化程度。

上述对实施例的描述是为了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。