[发明专利]一种基于抗疲劳孪生诱发塑性钢的减震结构及制备方法

说明书

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。

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。