[發明專利]一種基于抗疲勞孿生誘發塑性鋼的減震結構及制備方法

有效

• 申請號: 202011163106.5
• 申請日: 2020-10-27
• 公開（公告）號: CN112359267B
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發明（設計）人: 韓福生;王幸福;趙莫迪;郭勇;高雙全;梁駒華;史子木;李二茂;王慶培
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院;河北省同創交通工程配套產品產業技術研究院
• 主分類號: C22C33/06
• 分類號: C22C33/06;C21D8/06;C22C38/04;C22C38/02;C22C38/12;C22C38/14;E01D19/00;E01D101/30
• 代理公司: 北京凱特來知識產權代理有限公司 11260
• 代理人: 鄭立明;趙鎮勇

本發明公開了一種基于抗疲勞孿生誘發塑性鋼的減震結構及制備方法，由上下兩部分類錐形結構組成幾何形狀為沙漏形的減震結構。減震結構的成分包括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；其余為Fe。通過合金設計提高孿生誘發塑性鋼的加工硬化能力和剪切抗力；通過多元微合金化和熱處理，獲得彌散強化相以釘扎位錯，降低位錯動性從而提高合金的屈服強度；通過中溫鍛造獲得高密度位錯及復雜組態，進一步提高合金的屈服強度和滑移抗力；通過中溫熱處理產生部分恢復和再結晶晶粒，調控合金的綜合力學性能，獲得良好的低周疲勞性能。獲得的減震裝置綜合力學性能及彎曲疲勞性能具有明顯優勢，在鐵路減(隔)震結構中有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種合金鋼及鐵路橋梁減震技術，尤其涉及一種基于抗疲勞孿生誘發塑性鋼的減震結構及制備方法。

背景技術

目前，鐵路大量采用以橋代路的建設方案，橋梁長度達線路總長的70％以上。位于地震基本烈度7度或7度以上的地區，提高鐵路橋梁抗震能力的減震結構設計及材料極其重要。鐵路橋梁多采用重力式橋墩，橋墩剛度大、基頻高，對地震響應劇烈，故無法依靠結構自身延性耗散地震能，須在鐵軌和橋墩之間設計減震結構以減小橋墩水平方向的負荷，利用材料的延性和阻尼達到減震的目的。

金屬阻尼元件是鐵路橋梁抗震結構的主要功能部件之一。由于金屬材料具有良好的綜合力學性能，可通過自身的彈塑性變形吸收地震發生時的振動能，因此可在一定程度上保護鐵軌及橋梁不產生變形或斷裂。目前，鐵路減震結構用的金屬材料主要是延性較好的軟鋼，如Q345等。但是，由于該材料的屈服強度僅為360MPa左右，斷后伸長率僅為20％左右，難以滿足高烈度地震區鐵路大跨度連續橋梁防護的要求。由于缺少理想的減震材料，高地震烈度地區鐵路大跨度連續橋梁的減隔震設計一直是行業內的技術難題。

孿生誘發塑性鋼是一種具有極高塑性的單相奧氏體鋼，同時還具有很高的強度、韌性和抗疲勞性能，其典型力學性能為：屈服強度250～350MPa，抗拉強度500～900MPa，斷后伸長率60～85％。顯然，孿生誘發塑性鋼的綜合力學性能要遠遠優于Q345或其它傳統金屬材料。如果在鐵路橋梁減震結構中應用孿生誘發塑性鋼，將有望解決現有材料強韌性不足、阻尼力過小，疲勞特性較差的問題，為高地震烈度地區鐵路橋梁減隔震設計提供一種新途徑。但是，前期試驗結果表明，在相同的水平彎曲疲勞加載條件下，孿生誘發塑性鋼的循環疲勞壽命并未顯示出優勢，甚至還低于Q345鋼。這表明材料在橫向彎曲疲勞載荷下的服役行為及其壽命不僅依賴于強度和延性，還與材料微觀組織的演變規律及應變硬化行為密切相關。因此，應該對該服役條件下材料內的應力應變分布、發展，晶體缺陷的萌生、演化及其與材料疲勞損傷的關系等因素進行分析，從而建立材料強韌性和疲勞性能之間的聯系，為充分發揮孿生誘發塑性鋼綜合力學性能的優勢提供依據。

另外，鐵路橋梁減震結構相關元件一般為軸類部件，長徑比一般大于10。在橫向彎曲加載的條件下，減震元件軸向應力應變呈梯度分布，其根部附近應力最大，往往因應力集中而提前斷裂，導致整體材料強韌性得不到充分發揮。因此，減震元件的構型設計一般遵循等強度的原則，根據其往復彎曲時剪切應變分布及演化特點，將其外觀設計成類錐形，兩端直徑最大，中間最小，但兩端至中間的直徑變化規律則需由材料特性來確定。由于目前尚沒有關于孿生誘發塑性鋼彎曲或剪切性能的報道，也沒有關于孿生誘發塑性鋼在鐵路減震結構中應用的先例，因此，要利用孿生誘發塑性鋼來提高鐵路減震元件的承載能力和抗疲勞性能，須根據孿生誘發塑性鋼的特殊變形及強韌化機制對減震元件幾何結構進行設計，使之優異的強韌性能在抵抗低周彎曲疲勞時充分發揮作用。