[go: up one dir, main page]

CN116292703A - 一种抗疲劳弧形减震元件及其制造方法与应用 - Google Patents

一种抗疲劳弧形减震元件及其制造方法与应用 Download PDF

Info

Publication number
CN116292703A
CN116292703A CN202310329106.5A CN202310329106A CN116292703A CN 116292703 A CN116292703 A CN 116292703A CN 202310329106 A CN202310329106 A CN 202310329106A CN 116292703 A CN116292703 A CN 116292703A
Authority
CN
China
Prior art keywords
arc
fatigue
austenitic steel
damping element
shaped
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202310329106.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN116292703B (zh
Inventor
杨旗
王敏
钱云峰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Material Research Institute Co ltd
Original Assignee
Shanghai Material Research Institute Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Material Research Institute Co ltd filed Critical Shanghai Material Research Institute Co ltd
Priority to CN202310329106.5A priority Critical patent/CN116292703B/zh
Publication of CN116292703A publication Critical patent/CN116292703A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN116292703B publication Critical patent/CN116292703B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F1/00—Springs
    • F16F1/02—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant
    • F16F1/18—Leaf springs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D5/00—Bending sheet metal along straight lines, e.g. to form simple curves
    • B21D5/14—Bending sheet metal along straight lines, e.g. to form simple curves by passing between rollers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/26—Methods of annealing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/001—Heat treatment of ferrous alloys containing Ni
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/005—Heat treatment of ferrous alloys containing Mn
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/008—Heat treatment of ferrous alloys containing Si
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/40—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for rings; for bearing races
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/02—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/06—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/08—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing nickel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/12—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing tungsten, tantalum, molybdenum, vanadium, or niobium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/14—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing titanium or zirconium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F1/00—Springs
    • F16F1/02—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant
    • F16F1/18—Leaf springs
    • F16F1/185—Leaf springs characterised by shape or design of individual leaves
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/001—Austenite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/004—Dispersions; Precipitations
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/008—Martensite

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Vibration Dampers (AREA)

Abstract

本发明涉及一种抗疲劳弧形减震元件及其制造方法与应用，其材质为奥氏体钢，几何形状为两端具有销轴孔的等矩形横截面扇形环。所述奥氏体钢的屈服强度不小于250MPa；在周期性交替拉伸‑压缩弹塑性变形时，奥氏体钢内部发生应变诱发ε马氏体相变以及奥氏体与ε马氏体之间可逆转变，应变幅1％、应变比‑1和加载频率0.1～0.2Hz条件下奥氏体钢的疲劳寿命不低于3000周次。所述弧形减震元件的宽度与其中心弧面的半径之比介于1/10～1/3，两端销轴孔之间中心弧面对应的圆心角介于180°～215°。所述抗疲劳弧形减震元件的设计阻尼位移不小于弧形减震元件两端销轴孔中心距的0.4倍。本发明的抗疲劳弧形减震元件具有尺寸小、制作方法简单、拉压承载对称性好等特征。

Description

一种抗疲劳弧形减震元件及其制造方法与应用
技术领域
本发明属于工程结构抗震技术领域，尤其是涉及一种抗疲劳弧形减震元件及其制造方法与应用。
背景技术
韧性金属具有良好的塑性变形能力，在反复载荷作用下表现出优良的滞回特性(即塑性耗能特性)，因而被用来制造不同类型的金属耗能减震器。
在桥梁结构震动控制中，C型钢阻尼器、E型钢阻尼器等减震装置安装于桥梁上、下部结构之间，起到抗拉限位和耗散外部震动能量的作用。目前，用于制造桥梁减震器的金属材料通常为低屈服点钢和屈服强度较高的碳素结构钢(如Q355B等)。上述钢种均为铁素体钢；交变载荷作用下，疲劳损伤通常会较早地从铁素体钢材料内部应力与应变集中处、驻留滑移带、位错胞状结构处诱发形成和扩展，最终使材料发生疲劳破坏，因而材料的疲劳寿命往往较低；并且，随铁素体钢材料的强度增加，经往复塑性变形时材料的疲劳寿命通常也相应降低。因此，由上述铁素体钢材料制成的钢阻尼器在一些使用条件下很难满足抗疲劳性能需求。
桥梁结构中，阻尼器的安装经常受到空间大小的影响。诸如，在高烈度地区，对阻尼器有较大位移要求，这使得现有铁素体钢阻尼器的尺寸需要设计得更为宽大以满足阻尼位移和阻尼力的要求；然而，桥梁结构上常常受到墩顶与梁底之间空间的限制，现有铁素体钢阻尼器无法设计使用，或者是其空间布局不灵活。因此，使用钢阻尼器实现消能减震功效时，减小钢阻尼器的尺寸有助于增强钢阻尼器的安装使用灵活性。
鉴于铁素体钢材料疲劳寿命较低这一特性，现有应用于桥梁支座上的C型钢阻尼器通常设计成变矩形横截面结构，即横截面面积由C型钢的两端至中部逐渐增大，其目的是使塑性变形时阻尼器上应力和应变分布均匀性提升(降低钢阻尼器截面边缘处的应力集中和材料疲劳损伤程度)、阻尼器的疲劳寿命能得以适当提高。然而，这种变截面结构设计存在以下缺点：(1)变矩形横截面C型钢阻尼器通常通过剪裁钢板制成，钢板材料的利用率往往不足50％；并且，随钢阻尼器的尺寸增加，钢板材料的利用率会更低。材料利用率低导致现有变截面C型钢阻尼器的制作成本高。(2)随阻尼位移增大，疲劳变形滞回曲线的不对称性增加。在大位移疲劳变形时，变截面C型钢阻尼器提供的拉伸变形阻尼力和压缩变形阻尼力呈现出显著的不对称性(通常拉伸变形阻尼力要显著大于压缩变形阻尼力)，从而无法满足阻尼力允许偏差的设计要求，并且变形滞回曲线的饱满程度也较低。增加变截面C型钢的平面尺寸，可以使阻尼力拉压不对称性减弱；然而，这会增大钢阻尼器的屈服位移、降低阻尼器耗散外部震动能量的功效，并且大尺寸钢阻尼器的往复变形能力也没能够有效地发挥出来。
综上，鉴于现有C型钢阻尼器的上述不利属性，迫切需要开发出能提供较大阻尼力且疲劳性能优越、结构简单紧凑(有利于实现钢阻尼器小型化和轻量化)、制作成本低、拉压承载对称性良好的C型钢阻尼器，将其应用于桥梁支座中，实现抗拉限位和消能减震的功能。
发明内容
基于现有技术中C型钢阻尼器不同同时兼顾大阻尼力、疲劳性能优越、制作成本低、拉压承载对称性良好的现状，本发明第一方面提供一种抗疲劳弧形减震元件，第二方面提供上述抗疲劳弧形减震元件的制造方法，第三方面提供上述抗疲劳弧形减震元件的应用。
本发明提供的弧形减震元件具有疲劳性能优越、结构简单紧凑、制作成本低、拉压承载对称性良好并能提供较大阻尼力等优点。
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抗疲劳弧形减震元件。
一种抗疲劳弧形减震元件，其材质为奥氏体钢，其几何形状为两端具有销轴孔的等矩形横截面扇形环；
所述奥氏体钢的屈服强度不小于250MPa、断裂延伸率不小于40％；当周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形的应变幅1％、应变比-1和加载频率0.1～0.2Hz时，奥氏体钢的疲劳寿命不低于3000周次；
所述奥氏体钢的微观组织由亚稳态奥氏体、体积分数不超过10％的热诱发ε马氏体、体积分数不超过2％的碳化物组成；在拉伸或压缩弹塑性变形时，所述奥氏体钢的亚稳态奥氏体组织在应变作用下诱发ε马氏体相变且α′马氏体相变受到抑制；在周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形时，所述奥氏体钢内部发生奥氏体和应变诱发ε马氏体之间可逆相变；
所述抗疲劳弧形减震元件的几何形状中，弧形减震元件的宽度b与其中心弧面的半径r之比介于1/10～1/3；两端销轴孔之间中心弧面对应的圆心角360°－θ介于180°～215°；销轴孔的直径为减震元件宽度b的0.4～0.6倍。
基于上述奥氏体钢材质选择和几何形状设计，所述抗疲劳弧形减震元件的设计阻尼位移不小于弧形减震元件两端销轴孔中心距L的0.4倍；在此设计阻尼位移条件下，加载频率不低于0.01Hz时，弧形减震元件能够完成至少25周次周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形且阻尼力衰减小于15％；之后，在1.2倍设计阻尼位移条件下，加载频率不低于0.01Hz时，弧形减震元件能够继续完成至少3周次周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形且阻尼力衰减小于15％。
本发明中，弧形减震元件的中心弧面定义为与弧形减震元件的内缘曲面和外缘曲面等间距的扇形曲面；弧形减震元件的宽度定义为沿上述扇形曲面的径向上减震元件内、外缘曲面之间的间距。
本发明中，弧形减震元件的设计阻尼位移、阻尼位移、阻尼力和阻尼力对称性分别定义如下。
设计阻尼位移是指弧形减震元件在经受往复拉伸、压缩变形时所允许的最大拉伸位移(亦为最大压缩位移)；并且，在此最大拉伸(或压缩)位移条件下，加载频率不低于0.01Hz时，所述弧形减震元件能够完成至少25周次周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形且阻尼力衰减小于15％；之后，在1.2倍设计阻尼位移条件下，加载频率不低于0.01Hz时，所述弧形减震元件能够继续完成至少3周次周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形且阻尼力衰减小于15％。阻尼位移是指弧形减震元件在经受往复拉伸、压缩变形以吸收耗散外部震动能量时的拉伸(或压缩)位移。阻尼力是指弧形减震元件在经受拉伸、压缩变形以吸收耗散外部震动能量时所承受的拉伸载荷、压缩载荷。阻尼力对称性是指弧形减震元件在一定阻尼位移条件下所承受的拉伸载荷与压缩载荷之间的接近程度，用相对差异性(＝(拉伸载荷－压缩载荷)/拉伸载荷与压缩载荷的平均值)来表示；两者之间相对差异性小表明阻尼力对称性好，反之则表明阻尼力对称性差。
本发明限定抗疲劳弧形减震元件的材质为奥氏体钢。所述奥氏体钢的显微组织由亚稳态奥氏体、体积分数不超过10％的热诱发ε马氏体和体积分数不超过2％的碳化物组成。这一微观结构特征能促进奥氏体钢在拉伸-压缩交变载荷作用下应变诱发生成具有单一变体的片状ε马氏体、避免原始基体组织中的热诱发ε马氏体和应变诱发ε马氏体之间发生强烈交互作用，从而促进奥氏体和应变诱发ε马氏体之间的可逆相变、减少奥氏体钢内部缺陷的形成和延缓疲劳裂纹的扩展，使奥氏体钢显现出优良低周疲劳性能和累积塑性变形能力，进而增强弧形减震元件的低周疲劳性能和累积塑性变形能力。奥氏体基体分布的碳化物有助于增加奥氏体钢的强度，提高减震元件提供的阻尼力。另外，本发明限定奥氏体钢内部亚稳态奥氏体在拉伸或压缩弹塑性变形时α′马氏体相变受到抑制。这是因为，当亚稳态奥氏体在塑性应变作用下过度发生α′马氏体相变，材料内部会很容易发生变形局部化，从而导致奥氏体钢和减震元件的低周疲劳性能急剧下降。本发明严格限定奥氏体钢的显微组织结构，其目的是保证奥氏体钢和减震元件能够经受住大应变疲劳变形而不过早发生疲劳破坏失效。
本发明限定奥氏体钢的屈服强度不小于250MPa、断裂延伸率不小于40％；当周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形的应变幅为1％、应变比为-1和加载频率为0.1～0.2Hz时，奥氏体钢的疲劳寿命不低于3000周次。对奥氏体钢力学性能的限定，其主要目的是保证材料具有较高的强度以及良好的塑性变形能力与疲劳性能，从而使弧形减震元件能提供较大阻尼力以及具有以下较大设计阻尼位移与疲劳性能：设计阻尼位移不小于弧形减震元件两端销轴孔中心距的0.4倍；在此设计阻尼位移条件下，加载频率不低于0.01Hz时，所述弧形减震元件能够完成至少25周次周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形且阻尼力衰减小于15％；之后，在1.2倍设计阻尼位移条件下，加载频率不低于0.01Hz时，所述弧形减震元件能够继续完成至少3周次周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形且阻尼力衰减小于15％。
本发明弧形减震元件具有等矩形横截面的结构特征。相较于具有相同中心弧面半径和厚度的变矩形横截面弧形减震元件而言，在等矩形横截面弧形减震元件的宽度与变矩形横截面弧形减震元件的最大宽度(即变矩形横截面减震元件弧形中段部位的宽度)相近时，等矩形横截面弧形减震元件能提供更大的阻尼力。另外，与变矩形横截面弧形减震元件相比较，等矩形横截面弧形减震元件在大阻尼位移时阻尼力的对称性更好。再有，不同于变矩形横截面弧形减震元件，等矩形横截面弧形减震元件易通过弯曲成形方法制作，因而能显著降低弧形减震元件的制作成本。
本发明限定弧形减震元件的几何形状中，弧形减震元件的宽度b与其中心弧面的半径r之比(b/r)介于1/10～1/3，两端销轴孔之间中心弧面对应的圆心角(360°－θ)介于180°～215°。当弧形减震元件的宽度与其中心弧面的半径之比b/r小于1/10时，减震元件的塑性变形和承载力小，减震元件的奥氏体钢材质的优良抗疲劳性能没有能够充分发挥出来。当弧形减震元件的宽度与其中心弧面的半径之比b/r大于1/3时，减震元件的中段及其附近部位塑性变形较大，这会造成：在目标设计阻尼位移(≥减震元件两端销轴孔中心距L的0.4倍)条件下，减震元件不能够完成25周次周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形且阻尼力衰减小于15％；或者，减震元件不能够同时满足目标设计阻尼位移条件下25周次疲劳变形以及1.2倍目标设计阻尼位移条件下3周次疲劳变形。因此，本发明限定弧形减震元件的宽度与其中心弧面的半径之比b/r介于1/10～1/3。另外，当弧形减震元件两端销轴孔之间中心弧面对应的圆心角(360°－θ)小于180°时，减震元件在大阻尼位移时的阻尼力对称性差；当弧形减震元件两端销轴孔之间中心弧面对应的圆心角(360°－θ)大于215°时，受两端销轴孔有限中心距的影响，弧形减震元件无法充分发挥出变形耗能的作用，相应地这种减震元件的结构尺寸设计过于冗余。因此，本发明限定弧形减震元件两端销轴孔之间中心弧面对应的圆心角(360°－θ)介于180°～215°。
与现有变截面弧形减震元件相比较，本发明的等矩形横截面弧形减震元件具有以下优点：
1)中心弧面的半径小。由于采用具有优异疲劳性能的奥氏体钢制作(材料疲劳性能显著优于现有减震元件用的铁素体低屈服点钢和高强度碳素结构钢)，本发明的减震元件可以经受住更大的周期性往复弹塑性变形应变和更多周期的往复弹塑性变形。对相同的设计阻尼位移而言，本发明的弧形减震元件的中心弧面的半径可以较现有弧形减震元件的中心弧面的半径小15％以上，即本发明的弧形减震元件的平面尺寸可以显著减小，从而可以实现减震元件小型化和轻量化、节约减震元件的安装空间。另外，减小减震元件的中心弧面的半径，可以增加塑性变形应变和阻尼力、减小屈服位移，并使疲劳变形滞回曲线变得更加饱满。
2)弧形减震元件的宽度可以增大。当减震元件的宽度增加，减震元件上承受的变形应变也随之增大。同样是由于奥氏体钢能经受住更大的周期性往复塑性变形应变，对相同的中心弧面半径而言，本发明的弧形减震元件的宽度可以较现有弧形减震元件的宽度要大。增加减震元件的宽度有助于增加阻尼力、减小屈服位移和增加滞回曲线的饱满度。这里需要指出，尽管减震元件的宽度增大，但由于其中心弧面半径的显著减小，因此仍然可以实现减震元件的小型化和轻量化。
3)较大阻尼力。本发明的弧形减震元件材质奥氏体钢易在应变疲劳变形时发生ε马氏体相变和(不全)层错增殖，其变形加工硬化程度要明显高于现有铁素体钢。当材料的屈服强度相近时，本发明的奥氏体钢弧形减震元件提供的阻尼力要高于现有铁素体钢减震元件提供的阻尼力。因此，从材料性能上来说，阻尼力不仅取决于材料的屈服强度，它还与材料的(循环)加工硬化程度密切相关。本发明中，奥氏体钢材料和减小的平面几何尺寸均有助于提高减震元件的阻尼力。
4)弧形减震元件的等矩形横截面结构特征有助于提高减震元件阻尼力的对称性和变形滞回曲线的饱满程度。尽管变截面特征可以使变形过程中弧形减震元件上的应力、应变分布均匀性好，但是等矩形横截面特征能使弧形减震元件在大阻尼位移时提供的阻尼力具有更好的对称性、变形滞回曲线也更加饱满。
5)弧形减震元件的等矩形横截面结构特征降低减震元件的制造成本。本发明的等矩形横截面弧形减震元件通过弯曲成形方法制作，材料的利用率接近于100％；相比较而言，现有变截面弧形减震元件通过切割钢板的方法获得，材料的利用率通常不足50％。因此，本发明的减震元件的制造成本显著降低。
在本发明的一个实施方式中，限定所述奥氏体钢的化学成分的质量百分数为：C≤0.20％，3.4％≤Si≤6.0％，24.0％≤Mn≤34.0％，Al≤2.0％，Ni≤5.0％，P≤0.12％，Ti≤1.0％，Nb≤1.0％，V≤1.0％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。其中，Ni、Al元素的质量百分含量还需满足Al+0.4Ni≤2.8％；Ti、Nb和V元素的质量百分含量还需满足如下关系：Ti+Nb+V≤1.0％。
满足上述成分要求的奥氏体钢同时还需要具有以下显微组织结构特征：显微组织包含亚稳态奥氏体、体积分数不超过10％的热诱发ε马氏体以及体积分数不超过2％的碳化物，并且亚稳态奥氏体在拉伸-压缩交变载荷作用下发生可逆ε马氏体相变且α′马氏体相变受到抑制，从而使奥氏体钢具有优良的低周疲劳性能。另外，奥氏体基体中分布的碳化物颗粒有助于提高奥氏体钢的强度。
另外，上述成分中，当Al含量的质量百分数超过1％时，奥氏体钢具有良好的耐大气腐蚀性能(其腐蚀失重率不到Q355B结构钢的0.38倍)。
在不改变所述基本微观组织特征的前提条件下，奥氏体钢的化学成分还可以包含少量Cr和Cu元素；本发明限定Cr和Cu元素的质量百分数分别为：Cr≤2％，Cu≤2％。
当具有上述合金成分和微观组织结构特征时，奥氏体钢的屈服强度不小于250MPa、断裂延伸率不小于40％；当周期性交替拉伸-压缩变形的应变幅为1％、应变比为-1和加载频率为0.1～0.2Hz时，奥氏体钢的疲劳寿命不低于3000周次。
本发明所述抗疲劳弧形减震元件也包括常见的C型钢阻尼器(亦称为C型钢阻尼单元)。
本发明第二方面提供上述抗疲劳弧形减震元件的制造方法。
采用弯曲成形装置通过弯曲成形方法制作抗疲劳弧形减震元件。
在本发明的一个实施方式中，可以选择的所述弯曲成形装置包含有1个可调整位置的调节辊和2个固定位置的传动辊；调节辊的中心位于2个传动辊中心的连线的中垂线上，且调节辊的中心可以沿着该中垂线向传动辊移动。弯曲成形过程中，调节辊和传动辊发生转动。
所述抗疲劳弧形减震元件的制造方法，包括如下步骤：
1)弯曲成形
将具有等矩形横截面的奥氏体钢材料通过弯曲成形方法制成扇形环，所述扇形环的宽度b与扇形环中心弧面的半径r之比(b/r)介于1/10～1/3，且所述扇形环中心弧面对应的圆心角不小于180°；
2)加工销轴孔
在所述扇形环的两端加工销轴孔，两端销轴孔之间中心弧面对应的圆心角360°－θ介于180°～215°，销轴孔的直径为扇形环宽度b的0.4～0.6倍；
3)退火处理
将所述两端加工有销轴孔的扇形环(即弧形元件)在750～1100℃温度下保温0.5～10h，保温结束后空冷至室温，得到抗疲劳弧形减震元件。
其中，步骤1)中，所述具有等矩形横截面的奥氏体钢材料可以为奥氏体钢锻件或奥氏体钢热轧板材；并且，当所述具有等矩形截面的奥氏体钢材料在750～1100℃温度下保温0.5～10h退火处理后，其需要具有以下力学和微观组织结构特征：
力学上，奥氏体钢材料的屈服强度不小于250MPa、断裂延伸率不小于40％；当周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形的应变幅1％、应变比-1和加载频率0.1～0.2Hz时，所述奥氏体钢材料的疲劳寿命不低于3000周次。微观组织结构上，奥氏体钢材料的微观组织由亚稳态奥氏体、体积分数不超过10％的热诱发ε马氏体、体积分数不超过2％的碳化物组成；在拉伸或压缩弹塑性变形时，所述奥氏体钢材料的亚稳态奥氏体组织在应变作用下诱发ε马氏体相变且α′马氏体相变受到抑制；在周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形时，所述奥氏体钢材料内部发生奥氏体和应变诱发ε马氏体之间可逆相变。
所述奥氏体钢锻件或热轧板材本身可以不具有退火后的组织和性能。锻件或热轧板材经过弯曲成形后成为扇形环，之后进行退火处理成为减震元件，然后减震元件的材质具有上述限定的性能和组织。
对奥氏体钢锻件或热轧板材进行弯曲成形。通常，弯曲成形不会显著改变锻件或热轧板材的组织和性能。锻件或热轧板材弯曲成形后如果不经退火处理则可能达不到规定要求的组织和性能，相应地，未经退火处理的减震元件材质也可能达不到规定的组织和性能。
因此，本发明限定：(1)当所述具有等矩形横截面的奥氏体钢材料(即锻件或热轧板材)在750～1100℃温度下保温0.5～10h进行退火处理时，其能够达到规定要求的组织和性能，以确保减震元件材质能达到规定的组织和性能。(2)对所述具有等矩形横截面的奥氏体钢材料(即锻件或热轧板材)弯曲成形后，然后在750～1100℃温度下保温0.5～10h进行退火处理，以使其达到规定要求的组织和性能，即使得减震元件材质达到规定的组织和性能。
步骤1)中，弯曲成形前，所述具有等矩形横截面的奥氏体钢材料(即奥氏体钢锻件或热轧板材)的制备方法包括：(1)按所述奥氏体钢材料的成分配比冶炼、铸造得到奥氏体钢材料的铸坯。(2)将奥氏体钢材料的铸坯经锻造工艺制成锻件，或者经热轧工艺制成热轧板材。锻造工艺中，采用1000～1250℃加热铸坯，保温时间为1～6h；将铸坯锻造成锻件，锻造变形道次温度≥800℃，铸坯锻造前后的横截面积的比值≥1.5。热轧工艺中，采用1000～1250℃加热铸坯，保温时间为1～6h；热轧铸坯成热轧板材，热轧变形量≥40％，终轧温度≥800℃。
弯曲成形前，所述具有等矩形横截面的奥氏体钢材料(即奥氏体钢锻件或热轧板材)无需经过任何退火处理。
步骤1)所述的弯曲成形方法包括以下实施步骤：
1.1)将所述奥氏体钢材料放置于弯曲成形装置的调节辊和传动辊之间，使奥氏体钢材料与调节辊及传动辊紧密接触；
1.2)移动调节辊以使调节辊与传动辊之间的相对距离减小，驱动传动辊和调节辊，使所述奥氏体钢材料通过传动辊和调节辊而发生弯曲变形；当弯曲变形所述奥氏体钢材料至其一端时，停止驱动调节辊和传动辊；
1.3)继续移动调节辊使调节辊与传动辊之间的相对距离进一步减小，改变传动辊和调节辊的旋转方向反方向驱动传动辊和调节辊，使所述奥氏体钢材料反方向通过传动辊和调节辊而发生进一步弯曲变形；当弯曲变形所述奥氏体钢材料至其另一端时，停止驱动传动辊和调节辊；
1.4)重复实施步骤1.2)和1.3)，弯曲变形所述奥氏体钢材料制成扇形环，直至所述扇形环的中心弧面的半径到达规定值r。然后，将扇形环从弯曲成形装置中取出。
步骤1)中，所述奥氏体钢材料的弯曲成形工艺在室温～250℃的温度范围内实施。
本发明所述抗疲劳弧形减震元件的制造方法设计理由如下：
(1)弯曲成形
本发明中，用于弯曲成形的奥氏体钢材料可以为奥氏体钢锻件或奥氏体钢热轧板材。为了使最终弧形减震元件具有规定的力学和疲劳性能，对所选用的奥氏体钢锻件或热轧板材的组织和性能做如下规定：
当所述奥氏体钢锻件或热轧板材在750～1100℃温度下保温0.5～10h退火处理后，其需要具有的力学和微观组织结构特征为：力学上，奥氏体钢的屈服强度不小于250MPa、断裂延伸率不小于40％；当周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形的应变幅1％、应变比-1和加载频率0.1～0.2Hz时，所述奥氏体钢材料的疲劳寿命不低于3000周次。微观组织结构上，奥氏体钢的微观组织由亚稳态奥氏体、体积分数不超过10％的热诱发ε马氏体、体积分数不超过2％的碳化物组成；在拉伸或压缩弹塑性变形时，所述奥氏体钢材料的亚稳态奥氏体组织在应变作用下诱发ε马氏体相变且α′马氏体相变受到抑制；在周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形时，所述奥氏体钢材料内部发生奥氏体和应变诱发ε马氏体之间可逆相变。
由于退火处理前奥氏体钢锻件或热轧板材本身具有优良的塑韧性，因此其可以直接在室温条件下进行弯曲成形。对于弯曲半径小、奥氏体钢锻件或轧材的厚度大(对应于弧形减震元件的中心弧面半径小、宽度大)，为便于弯曲成形工艺顺利实施，可以在每道次弯曲成形前加热奥氏体钢锻件或轧材，但加热温度不超过250℃。
弯曲变形开始前，奥氏体钢材料(即奥氏体钢锻件或热轧板材)与调节辊及传动辊密切接触。调节辊下压一定位移量而调节辊及传动辊没有转动时，奥氏体钢材料在与调节辊的接触处及附近区域产生弹塑性变形。当调节辊及传动辊转动后，奥氏体钢材料连续在上述接触处发生弹塑性变形，从而使奥氏体钢材料弯曲。当奥氏体钢材料弯曲变形至其一端时，进一步压下调节辊并调整调节辊及传动辊的旋转方向至反方向，使奥氏体钢材料经受反复弯曲变形，最终获得中心弧面半径为规定值r的扇形环。这里，扇形环的中心弧面半径r与以下参量密切相关：调节辊半径r1、传动辊半径r2、传动辊的中心间距s、调节辊的下压量δ、奥氏体钢材料位于调节辊及传动辊间的厚度t(弯曲成型后即为扇形环以及弧形减震元件的宽度b)。扇形环的中心弧面半径r约为
Figure BDA0004154293040000101
且其最小值不小于
Figure BDA0004154293040000102
或r1。
(2)加工销轴孔
经弯曲成形后，在所述扇形环的两端加工销轴孔，销轴孔的直径一般为扇形环宽度的0.4～0.6倍。扇形环两端销轴孔之间中心弧面对应的圆心角360°－θ介于180°～215°。
(3)退火热处理
对两端有销轴孔的扇形环进行退火热处理，完成弧形减震元件的全部制作过程。本发明中，退火均热温度为750～1100℃，均热时间为0.5～10h。此工艺的目的是消除奥氏体钢材料在制造(锻造或者热轧)过程和弯曲成形过程中形成的变形组织、实现材料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奥氏体钢材料的合金成分密切相关。当均热温度低于750℃时，则变形组织不能充分消除，奥氏体钢基体中存在的大量位错缠结会与交变载荷作用过程中应变诱发形成的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，奥氏体钢基体奥氏体晶粒过分粗大，同样会损害材料室温低周疲劳寿命。因此，本发明控制退火热处理的均热温度为750～1100℃。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。
本发明采用奥氏体钢材料，经弯曲成形方法和退火热处理工艺，制造抗疲劳弧形减震元件。所述弧形减震元件具有等矩形横截面扇形环的结构特征，弧形减震元件的宽度b与其中心弧面的半径r之比介于1/10～1/3、两端销轴孔之间中心弧面对应的圆心角360°－θ介于180°～215°。基于所述的奥氏体钢材料选择、弯曲成形方法和退火热处理工艺，所述抗疲劳弧形减震元件的设计阻尼位移不小于弧形减震元件两端销轴孔中心距L的0.4倍；在此设计阻尼位移条件下，加载频率不低于0.01Hz时，弧形减震元件能够完成至少25周次周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形且阻尼力衰减小于15％；之后，在1.2倍设计阻尼位移条件下，加载频率不低于0.01Hz时，弧形减震元件能够继续完成至少3周次周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形且阻尼力衰减小于15％。
本发明第三方面提供上述抗疲劳弧形减震元件的应用。
所述抗疲劳弧形减震元件可以单独或组合使用。当组合使用时，所述弧形减震元件堆叠重合在一起合并为阻尼单元组，该阻尼单元组通过穿过两端销轴孔的销轴串接在一起。另外，所述弧形减震元件或阻尼单元组可以成对使用，即在阻尼位移作用下，一个弧形减震元件或阻尼单元组受拉而另一个减震元件或阻尼单元组受压。
所述抗疲劳弧形减震元件经连接件与桥梁支座相连接，起到抗拉限位和耗散外部震动能量的作用，弧形减震元件在销轴孔处通过销轴与连接件相连接。
本发明还进一步提供由所述弧形减震元件堆叠重合形成的阻尼单元组。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明的抗疲劳弧形减震元件具有平面尺寸小、设计阻尼位移大、阻尼力大、阻尼力对称性良好的特征。
2.本发明的抗疲劳弧形减震元件具有结构简单、制作方法简单、制作成本低的优点。
3.本发明的抗疲劳弧形减震元件易实现小型化和轻量化，可适应高烈度地区桥梁对减隔震装置的横桥向大位移要求，并且需求安装空间小，后期维护方便。
4.本发明的抗疲劳弧形减震元件还可以具有良好的耐大气腐蚀性能。
附图说明
图1为抗疲劳弧形减震元件的三维结构示意图；
图2为抗疲劳弧形减震元件的主视结构示意图；
图3为抗疲劳弧形减震元件的侧视结构示意图；
图4为奥氏体钢材料在弯曲成形前位于弯曲成形装置中的示意图；
图5为奥氏体钢材料弯曲成形示意图；
图6为实施例1中奥氏体钢材质的工程应力-工程应变曲线；
图7为实施例1中等矩形横截面弧形减震元件的疲劳变形滞回曲线图；
图8为由等矩形横截面弧形减震元件堆叠重合而形成的阻尼单元组的三维结构示意图；
图9为对比例1中变矩形横截面弧形减震元件的主视结构示意图；
图10为对比例1中变矩形横截面弧形减震元件的疲劳变形滞回曲线图；
图11为对比例2中Q355B钢的工程应力-工程应变曲线。
图中各个标号的含义为：1-抗疲劳弧形减震元件，2-弧形减震单元的中心弧面，3-销轴孔，4-弯曲成形装置的调节辊，5-弯曲成形装置的传动辊，6-奥氏体钢材料，7-调节辊与传动辊的旋转方向，8-调节辊的移动方向。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种奥氏体钢锻件，具有等矩形横截面，横截面尺寸76mm(厚度)×55mm(宽度)。所述奥氏体钢锻件的化学成分的质量百分数为：0.06％C，4.3％Si，29.8％Mn，1.8％Al，0.02％P，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
所述奥氏体钢锻件的制备方法包括：(1)按所述奥氏体钢锻件的化学成分配比冶炼、铸造得到奥氏体钢铸坯。(2)将奥氏体钢铸坯经锻造工艺制成锻件。锻造工艺中，采用1150℃加热铸坯，保温时间为3h；锻造变形道次温度≥850℃，铸坯锻造前后的横截面积的比值(即铸坯的横截面积与锻件的横截面积的比值)为11。
所述奥氏体钢锻件依次经室温弯曲成形、加工销轴孔和退火热处理工序，制成等矩形横截面抗疲劳弧形减震元件，如图1中三维结构示意图所示。由图2所示的主视图和图3所示的侧视图可见，弧形减震元件1的几何形状如下：中心弧面2的半径r＝495mm，宽度b＝76mm，两端销轴孔3之间中心弧面对应的圆心角360°－θ约为208°，销轴孔3的直径为38mm，两端销轴孔3之间的中心距L＝960mm。弧形减震元件1的厚度h＝55mm。
所述抗疲劳弧形减震元件的具体制造方法如下：
(1)弯曲成形
采用弯曲成形装置通过弯曲成形方法制作抗疲劳弧形减震元件。所述弯曲成形装置包含有1个可调整位置的调节辊4和2个固定位置的传动辊5；调节辊4的中心位于2个传动辊5中心的连线的中垂线上，且调节辊4的中心可以沿着该中垂线向传动辊5移动。奥氏体钢锻件的弯曲成形工艺实施步骤如下：
实施步骤1)，如图4所示，将所述奥氏体钢锻件6放置于弯曲成形装置的调节辊4和传动辊5之间，使奥氏体钢锻件6与调节辊4及传动辊5紧密接触；
实施步骤2)，如图5所示，按方向8移动调节辊4以使调节辊4与传动辊5之间的相对距离减小；按旋转方向7驱动传动辊5和调节辊4，使所述奥氏体钢锻件6通过传动辊4和调节辊5而发生弯曲变形；当弯曲变形所述奥氏体钢锻件6至其一端时，停止驱动调节辊4与传动辊5；
实施步骤3)，按方向8继续移动调节辊4使调节辊4与传动辊5之间的相对距离进一步减小，改变传动辊和调节辊的旋转方向7反方向驱动传动辊5和调节辊4，使所述奥氏体钢锻件6反方向通过传动辊5和调节辊4而发生进一步弯曲变形；当弯曲变形所述奥氏体钢锻件6至其另一端时，停止驱动调节辊4与传动辊5；
实施步骤4)，重复实施步骤2)和3)，弯曲变形所述奥氏体钢锻件6制成扇形环，直至所述扇形环的中心弧面的半径到达规定值r＝495mm。将扇形环从弯曲成形装置中取出。
(2)加工销轴孔
经弯曲成形后，在所述扇形环的两端加工销轴孔3，销轴孔3的直径38mm(为扇形环宽度的0.5倍)，且两端销轴孔3之间中心弧面对应的圆心角360°－θ约等于于208°。
(3)退火热处理
对两端有销轴孔的扇形环进行退火热处理，退火均热温度为900℃，均热时间为1h，之后空冷至室温。
所述奥氏体钢锻件依次经室温弯曲成形、加工销轴孔和退火热处理工序，制成抗疲劳弧形减震元件。所述抗疲劳弧形减震元件的材质具有以下力学和微观组织结构特征：弧形减震元件的材质为奥氏体钢，其屈服强度约为338MPa、断裂延伸率为57％，图6为弧形减震元件材质奥氏体钢的工程应力-工程应变曲线；当周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形的应变幅1％、应变比-1和加载频率0.1Hz时，所述奥氏体钢的疲劳寿命约为12000周次。所述奥氏体钢的微观组织为亚稳态奥氏体；在拉伸或压缩弹塑性变形时，所述奥氏体钢的亚稳态奥氏体组织在应变作用下诱发ε马氏体相变且α′马氏体相变受到抑制；在周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形时，所述奥氏体钢内部发生奥氏体和应变诱发ε马氏体之间可逆相变。
上述抗疲劳弧形减震元件的设计阻尼位移为450mm(约为弧形减震元件两端销轴孔中心距L的0.47倍)；在此设计阻尼位移条件下，加载频率0.03Hz时，所述弧形减震元件完成30周次周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形且阻尼力无衰减；之后，在1.2倍设计阻尼位移条件下(即阻尼位移为540mm)，加载频率0.03Hz时，所述弧形减震元件继续完成5周次周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形且阻尼力无衰减。此时，所述弧形减震单元仍未发生开裂破坏。图7所示为所述抗疲劳弧形减震元件在不同阻尼位移条件下的疲劳变形滞回曲线图，图中，纵坐标零点以上正值代表压缩方向的阻尼力，纵坐标零点以下负值表示拉伸方向的阻尼力。由图7可见，当施加的阻尼位移为设计阻尼位移(＝450mm)时，近似地，拉伸和压缩阻尼力的平均值＝(拉伸阻尼力+压缩阻尼力)/2＝(95+83)/2KN＝89KN，阻尼力相对差异性＝(拉伸阻尼力-压缩阻尼力)/拉伸和压缩阻尼力的平均值＝13.5％。上述计算表明，本发明的抗疲劳弧形减震元件具有良好阻尼力对称性的特征。
工程中，上述抗疲劳弧形减震元件通常组合使用。当组合使用时，多片上述弧形减震元件堆叠重合在一起合并为阻尼单元组，如图8所示，所述阻尼单元组通过穿过两端销轴孔的销轴串接在一起。作用在阻尼单元组上的拉伸和压缩阻尼力的平均值为单片减震元件所提供的平均阻尼力乘以减震元件的片数。
实施例2～11
具有等矩形横截面的弧形减震元件通过弯曲成形、加工销轴孔和退火热处理工艺制成。弯曲成形工艺同实施例1。
所述弧形减震元件的制备原材料为热轧奥氏体钢板材，其主要化学成分见表1所示。
所述奥氏体钢热轧板材的制备方法包括：(1)按表1所示的成分配比冶炼、铸造得到奥氏体钢铸坯。(2)将奥氏体钢铸坯经热轧工艺制成热轧板材。热轧工艺中，采用1080℃加热铸坯，保温时间为3h；热轧变形量＞50％，终轧温度≥850℃。
所述弧形减震元件的平面几何形状见图2所示，中心弧面的半径为r、宽度为b、两端销轴孔之间中心弧面对应的圆心角为360°－θ、销轴孔的直径为0.5b，两端销轴孔之间的中心距为L。各减震元件的具体平面尺寸如表2所示。各减震元件的厚度均近似为55mm。
在所述弧形减震元件的制造过程中，具体退火热处理工艺见表3所示。
经弯曲成形和退火热处理后，各弧形减震元件材质(奥氏体钢)的力学性能和微观组织结构特征见表4所示。当奥氏体钢的微观组织中包含有初始热诱发ε马氏体和碳化物时，热诱发ε马氏体和碳化物的体积分数分别不超过10％和2％。
各弧形减震元件的设计阻尼位移、疲劳变形性能、阻尼力对称性如表5所示。由表5可见，上述各弧形减震元件具有设计阻尼位移大、疲劳性能优良、阻尼力对称性良好的特征。
表1抗疲劳弧形减震元件材质奥氏体钢的主要合金元素的质量百分数(wt％)
Figure BDA0004154293040000151
表2抗疲劳弧形减震元件的平面几何尺寸
Figure BDA0004154293040000152
Figure BDA0004154293040000161
表3抗疲劳弧形减震元件制备时的退火热处理工艺
Figure BDA0004154293040000162
Figure BDA0004154293040000171
表4抗疲劳弧形减震元件材质(奥氏体钢)的力学和微观组织结构
Figure BDA0004154293040000172
表5抗疲劳弧形减震元件的设计阻尼位移、疲劳变形性能、阻尼力对称性
Figure BDA0004154293040000173
Figure BDA0004154293040000181
Figure BDA0004154293040000191
对比例1
一种变矩形横截面弧形减震元件，厚度55mm，从热轧后退火处理的钢板上通过水刀切割方式获得。热轧钢板的退火工艺为：退火均热温度为900℃，均热时间为1h。所述钢板材质为奥氏体钢，其化学成分的质量百分数为：0.06％C，4.3％Si，29.8％Mn，1.8％Al，0.02％P，其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述变矩形横截面弧形减震元件的几何形状如图9所示，弧形减震元件的中心弧面半径r＝495mm，最大宽度为76mm，两端销轴孔之间中心弧面对应的圆心角360°－θ约为208°，两端销轴孔之间的中心距L＝960mm。
与实施例1中等矩形横截面抗疲劳弧形减震元件的材质相类似，上述变矩形横截面弧形减震元件的材质具有以下力学和微观组织结构特征：弧形减震元件的材质为奥氏体钢，其屈服强度约为342MPa、断裂延伸率约为57％；当周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形的应变幅1％、应变比-1和加载频率0.1Hz时，所述奥氏体钢的疲劳寿命约为12000周次。所述奥氏体钢的微观组织为亚稳态奥氏体；在拉伸或压缩弹塑性变形时，所述奥氏体钢的亚稳态奥氏体组织在应变作用下诱发ε马氏体相变且α′马氏体相变受到抑制；在周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形时，所述奥氏体钢内部发生奥氏体和应变诱发ε马氏体之间可逆相变。
上述变矩形横截面弧形减震元件的设计阻尼位移为450mm；在此设计阻尼位移条件下，加载频率0.03Hz时，所述弧形减震元件完成30周次周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形且阻尼力无衰减；之后，在1.2倍设计阻尼位移条件下(即阻尼位移为540mm)，加载频率0.03Hz时，所述弧形减震元件继续完成5周次周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形且阻尼力无衰减。弧形减震单元未发生开裂破坏。图10所示为所述变矩形横截面弧形减震元件在不同阻尼位移条件下的疲劳变形滞回曲线图，图中，纵坐标零点以上正值代表压缩方向的阻尼力，纵坐标零点以下负值表示拉伸方向的阻尼力。由图10可见，当施加的阻尼位移为设计阻尼位移(＝450mm)时，近似地，拉伸和压缩阻尼力的平均值＝(拉伸阻尼力+压缩阻尼力)/2＝(81+48)/2KN＝64.5KN，阻尼力相对差异性＝(拉伸阻尼力-压缩阻尼力)/拉伸和压缩阻尼力的平均值＝51.2％。上述计算表明，上述变矩形横截面弧形减震元件所能提供的阻尼力大小以及阻尼力对称性均显著低于本发明实施例1中等矩形横截面抗疲劳弧形减震元件提供的阻尼力大小以及阻尼力对称性。
对比例2
一种变矩形横截面弧形减震元件,厚度55mm，从热轧退火钢板上通过水刀切割方式获得。所述钢板材质为Q355B铁素体结构钢，其化学成分的质量百分数为：0.18％C，0.33％Si，1.35％Mn，其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述变矩形横截面弧形减震元件的几何形状如图9所示，弧形减震元件的中心弧面半径r＝590mm，最大宽度为76mm，两端销轴孔之间中心弧面对应的圆心角360°－θ约为208°，两端销轴孔之间的中心距L＝1145mm。
上述变矩形横截面弧形减震元件的材质具有以下力学性能：屈服强度约为370MPa、断裂延伸率约为27％；当周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形的应变幅1％、应变比-1和加载频率0.1Hz时，所述Q355B材料的疲劳寿命小于1120周次。图11为Q355B材料的工程应力-应变曲线；由图可见，当进入塑性变形阶段，Q355B铁素体钢的加工硬化程度明显低于奥氏体钢(如图6所示的实施例1中奥氏体钢)。因此，尽管两种材料的屈服强度相当，但是由于铁素体钢Q355B具有较低的加工硬化程度，由Q355B钢材制成的减震元件所能提供的阻尼力要小于奥氏体钢减震元件提供的阻尼力。
上述变矩形横截面弧形减震元件在阻尼位移440mm、加载频率0.03Hz的条件下进行周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形，在第19周次循环往复变形后，弧形减震元件的中心部位出现明显的局部变形；继续在440mm阻尼位移下进行疲劳变形时，阻尼力迅速衰减超过20％，此时判定弧形减震元件发生失效。440mm阻尼位移约相当于销轴孔中心间距1145mm的0.384倍(小于0.4L)，所述弧形减震元件无法在小于0.4L的阻尼位移条件下疲劳变形25周次。另外，考察440mm阻尼位移下阻尼力的对称性，由拉伸和压缩阻尼力计算可得，阻尼力相对差异性的计算值大于48％。与本发明实施例1相比较，虽然对比例2中变矩形横截面弧形减震元件的中心弧面半径比实施例1中等矩形横截面弧形减震元件的中心弧面半径大19.2％(相当于：实施例1中等矩形截面弧形减震元件的中心弧面半径较本对比例2中变矩形截面弧形减震元件的中心弧面半径小16.1％)，但是对比例2中减震元件的抗疲劳性能和阻尼力对称性比实施例1中减震元件都明显要低。
对比例3
一种等矩形横截面弧形减震元件，厚度55mm，从热轧退火钢板上通过水刀切割方式获得。所述钢板材质为Q355B铁素体结构钢，其化学成分的质量百分数为：0.18％C，0.33％Si，1.35％Mn，其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述等矩形横截面弧形减震元件的几何形状如图2所示，弧形减震元件的中心弧面半径r＝495mm，宽度为76mm，两端销轴孔之间中心弧面对应的圆心角360°－θ约为208°，两端销轴孔之间的中心距L＝960mm。
上述等矩形横截面弧形减震元件的材质具有以下力学性能：屈服强度约为370MPa、断裂延伸率约为27％；当周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形的应变幅1％、应变比-1和加载频率0.1Hz时，所述Q355B材料的疲劳寿命小于1120周次。
上述等矩形横截面弧形减震元件在阻尼位移375mm、加载频率0.03Hz的条件下进行周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形，在第12周次循环往复变形后，弧形减震元件的中心部位出现明显的局部变形和边部裂纹；继续在375mm阻尼位移下进行疲劳变形时，阻尼力迅速衰减超过20％，此时判定弧形减震元件发生破坏失效。375mm阻尼位移约相当于销轴孔中心间距960mm的0.39倍(小于0.4L)，所述等矩形横截面弧形减震元件无法在小于0.4L的阻尼位移条件下疲劳变形25周次。
对比例4
一种等矩形横截面弧形减震元件，由热轧奥氏体钢板弯曲成形而制成，其制备过程还包括销轴孔加工和退火热处理工序。所述奥氏体钢板的化学成分的质量百分数为：0.03％C，6.2％Si，33.4％Mn，0.03％P，其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述等矩形截面弧形减震元件的平面几何形状如图2所示，弧形减震元件的中心弧面半径r＝495mm，宽度b＝76mm，两端销轴孔之间中心弧面对应的圆心角360°－θ约为208°，两端销轴孔之间的中心距L＝960mm。所述弧形减震元件厚50mm。
所述等矩形横截面弧形减震元件的奥氏体钢材质具有以下力学和微观组织结构特征：屈服强度约为310MPa、断裂延伸率约为29％；当周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形的应变幅1％、应变比-1和加载频率0.1Hz时，所述奥氏体钢的疲劳寿命约为2100周次。所述奥氏体钢的微观组织由亚稳态奥氏体和体积分数约为30％的热诱发ε马氏体组成；在拉伸或压缩弹塑性变形时，所述亚稳态奥氏体组织在应力/应变作用下诱发ε马氏体相变。
上述等矩形横截面弧形减震元件在设计阻尼位移375mm(即0.39L)、加载频率0.03Hz条件下共进行25周次周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形，但在第23周次循环往复变形后，弧形减震元件的边缘出现明显的疲劳裂纹；之后，所述弧形减震元件继续在450mm阻尼位移(相当于设计阻尼位移的1.2倍)、加载频率0.03Hz条件下进行往复变形，尚未完成1周次疲劳变形，减震元件就发生失效破坏。因此，所述等矩形截面弧形减震元件的设计阻尼位移应小于0.4L。
上述的对实施例的描述是为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。

Claims (10)

1.一种抗疲劳弧形减震元件，其特征在于，
所述抗疲劳弧形减震元件(1)的材质为奥氏体钢，所述抗疲劳弧形减震元件(1)的几何形状为两端具有销轴孔(3)的等矩形横截面扇形环；
所述奥氏体钢的屈服强度不小于250MPa、断裂延伸率不小于40％；当周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形的应变幅1％、应变比-1和加载频率0.1～0.2Hz时，所述奥氏体钢的疲劳寿命不低于3000周次；
所述奥氏体钢的微观组织由亚稳态奥氏体、体积分数不超过10％的热诱发ε马氏体、体积分数不超过2％的碳化物组成；在拉伸或压缩弹塑性变形时，所述奥氏体钢的亚稳态奥氏体组织在应变作用下诱发ε马氏体相变且α′马氏体相变受到抑制；在周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形时，所述奥氏体钢内部发生奥氏体和应变诱发ε马氏体之间可逆相变；
所述抗疲劳弧形减震元件(1)的几何形状中，扇形环的宽度b与其中心弧面(2)的半径r之比介于1/10～1/3；两端销轴孔(3)之间中心弧面对应的圆心角360°－θ介于180°～215°；销轴孔的直径为扇形环宽度b的0.4～0.6倍。
2.根据权利要求1所述的抗疲劳弧形减震元件，其特征在于，所述奥氏体钢的化学成分的质量百分数为：C≤0.20％，3.4％≤Si≤6.0％，24.0％≤Mn≤34.0％，Al≤2.0％，Ni≤5.0％，P≤0.12％，Ti≤1.0％，Nb≤1.0％，V≤1.0％，其余为Fe和不可避免的杂质元素；其中，Ni、Al元素的质量百分含量还需要满足Al+0.4Ni≤2.8％；Ti、Nb和V元素的质量百分含量还需要满足Ti+Nb+V≤1.0％。
3.根据权利要求1所述的一种抗疲劳弧形减震元件，其特征在于，所述抗疲劳弧形减震元件的设计阻尼位移不小于弧形减震元件两端销轴孔中心距L的0.4倍；在此设计阻尼位移条件下，加载频率不低于0.01Hz时，所述弧形减震元件能够完成至少25周次周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形且阻尼力衰减小于15％；之后，在1.2倍设计阻尼位移条件下，加载频率不低于0.01Hz时，所述弧形减震元件能够继续完成至少3周次周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形且阻尼力衰减小于15％。
4.权利要求1或2或3所述抗疲劳弧形减震元件的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)弯曲成形
将具有等矩形横截面结构特征的奥氏体钢材料通过弯曲成形工艺制成扇形环，所述扇形环的宽度b与扇形环的中心弧面的半径r之比介于1/10～1/3，且所述扇形环中心弧面对应的圆心角不小于180°；
2)加工销轴孔
弯曲成形后，在所述扇形环的两端加工销轴孔，两端销轴孔之间中心弧面对应的圆心角360°－θ介于180°～215°，销轴孔的直径为扇形环宽度b的0.4～0.6倍；
3)退火热处理
将两端加工有销轴孔的扇形环在750～1100℃温度下保温0.5～10h，保温结束后空冷至室温。
5.权利要求4所述抗疲劳弧形减震元件的制造方法，其特征在于，步骤1)所述具有等矩形横截面结构特征的奥氏体钢材料为奥氏体钢锻件或奥氏体钢热轧板材；并且，当所述具有等矩形横截面结构特征的奥氏体钢材料在750～1100℃温度下保温0.5～10h退火处理后，其需要具有以下力学和微观组织结构特征：
力学上，奥氏体钢材料的屈服强度不小于250MPa、断裂延伸率不小于40％；当周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形的应变幅1％、应变比-1和加载频率0.1～0.2Hz时，奥氏体钢材料的疲劳寿命不低于3000周次；
微观组织结构上，奥氏体钢材料的微观组织由亚稳态奥氏体、体积分数不超过10％的热诱发ε马氏体、体积分数不超过2％的碳化物组成；在拉伸或压缩弹塑性变形时，奥氏体钢材料的亚稳态奥氏体组织在应变作用下诱发ε马氏体相变且α′马氏体相变受到抑制；在周期性交替拉伸-压缩弹塑性变形时，奥氏体钢材料内部发生奥氏体和应变诱发ε马氏体之间可逆相变。
6.权利要求4所述抗疲劳弧形减震元件的制造方法，其特征在于，步骤1)所述的弯曲成形工艺通过弯曲成形装置来实施；
所述弯曲成形装置包含有1个可调整位置的调节辊和2个固定位置的传动辊；所述调节辊的中心位于2个传动辊中心的连线的中垂线上，且调节辊的中心可以沿着该中垂线向传动辊移动；
所述弯曲成形工艺包括以下实施步骤：
1.1)将所述奥氏体钢材料(6)放置于弯曲成形装置的调节辊(4)和传动辊(5)之间，使所述奥氏体钢材料(6)与调节辊(4)及传动辊(5)紧密接触；
1.2)移动调节辊(4)以使调节辊(4)与传动辊(5)之间的相对距离减小，驱动传动辊(5)和调节辊(4)，使所述奥氏体钢材料(6)通过传动辊(5)和调节辊(4)而发生弯曲变形；当弯曲变形所述奥氏体钢材料(6)至其一端时，停止驱动调节辊(4)和传动辊(5)；
1.3)继续移动调节辊(4)使调节辊(4)与传动辊(5)之间的相对距离进一步减小，并且改变旋转方向(7)反方向驱动传动辊(5)和调节辊(4)，使所述奥氏体钢材料(6)反方向通过传动辊(5)和调节辊(4)而发生进一步弯曲变形；当弯曲变形所述奥氏体钢材料(6)至其另一端时，停止驱动调节辊(4)和传动辊(5)；
1.4)重复实施步骤1.2)和1.3)，弯曲变形所述奥氏体钢材料(6)制成扇形环，直至扇形环的中心弧面的半径到达规定值r；将扇形环从弯曲成形装置中取出。
7.权利要求4所述抗疲劳弧形减震元件的制造方法，其特征在于，步骤1)所述的奥氏体钢材料弯曲成形工艺在室温～250℃的温度范围内实施。
8.权利要求1或2或3所述的抗疲劳弧形减震元件的应用，其特征在于，所述抗疲劳弧形减震元件单独使用或组合使用；
当组合使用时，所述抗疲劳弧形减震元件堆叠重合在一起合并为阻尼单元组，该阻尼单元组通过穿过两端销轴孔的销轴串接在一起；
所述抗疲劳弧形减震元件或由抗疲劳弧形减震元件堆叠重合形成的阻尼单元组经连接件与桥梁支座相连接，起到抗拉限位和耗散外部震动能量的作用；所述抗疲劳弧形减震元件或阻尼单元组在销轴孔处通过销轴与连接件相连接。
9.根据权利要求8所述的抗疲劳弧形减震元件的应用，其特征在于，
所述弧形减震元件或阻尼单元组成对使用，即在阻尼位移作用下，一个弧形减震元件或阻尼单元组受拉而另一个减震元件或阻尼单元组受压。
10.一种由权利要求1或2或3所述抗疲劳弧形减震元件堆叠重合形成的阻尼单元组。
CN202310329106.5A 2023-03-30 2023-03-30 一种抗疲劳弧形减震元件及其制造方法与应用 Active CN116292703B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310329106.5A CN116292703B (zh) 2023-03-30 2023-03-30 一种抗疲劳弧形减震元件及其制造方法与应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310329106.5A CN116292703B (zh) 2023-03-30 2023-03-30 一种抗疲劳弧形减震元件及其制造方法与应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN116292703A true CN116292703A (zh) 2023-06-23
CN116292703B CN116292703B (zh) 2025-10-28

Family

ID=86777901

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310329106.5A Active CN116292703B (zh) 2023-03-30 2023-03-30 一种抗疲劳弧形减震元件及其制造方法与应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116292703B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201245812Y (zh) * 2008-08-08 2009-05-27 成都亚佳工程新技术开发有限公司 C型钢弹塑性阻尼器
CN202147446U (zh) * 2011-06-20 2012-02-22 郝桂生 爆炸复合双金属耐磨钢板结构
CN205622359U (zh) * 2016-05-23 2016-10-05 广西恒达电机科技有限公司 一种同步电机阻尼绕组
CN109339545A (zh) * 2018-11-28 2019-02-15 上海材料研究所 防屈曲耗能支撑
KR20210014054A (ko) * 2019-07-29 2021-02-08 주식회사 포스코 고강도 강판 및 이의 제조방법
CN114080463A (zh) * 2019-07-29 2022-02-22 Posco公司 高强度钢板及其制造方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201245812Y (zh) * 2008-08-08 2009-05-27 成都亚佳工程新技术开发有限公司 C型钢弹塑性阻尼器
CN202147446U (zh) * 2011-06-20 2012-02-22 郝桂生 爆炸复合双金属耐磨钢板结构
CN205622359U (zh) * 2016-05-23 2016-10-05 广西恒达电机科技有限公司 一种同步电机阻尼绕组
CN109339545A (zh) * 2018-11-28 2019-02-15 上海材料研究所 防屈曲耗能支撑
KR20210014054A (ko) * 2019-07-29 2021-02-08 주식회사 포스코 고강도 강판 및 이의 제조방법
CN114080463A (zh) * 2019-07-29 2022-02-22 Posco公司 高强度钢板及其制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN116292703B (zh) 2025-10-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3857939B2 (ja) 局部延性に優れた高強度高延性鋼および鋼板並びにその鋼板の製造方法
CN1357646A (zh) 形状平直度良好的高强度奥氏体不锈钢带及其制造方法
JP2011529530A (ja) ベイナイト鋼およびその製造方法
CN1227383C (zh) 用作钢带的双相不锈钢带材
RU2345149C2 (ru) Способ производства хладостойкого листового проката (варианты)
US20090133785A1 (en) Leaf spring material and manufacturing method thereof
CN107208233B (zh) 高拉伸钢丝
JP5386370B2 (ja) オーステナイト鋼物品の製造方法
CN111575609A (zh) 一种兼具高强度、良好塑性和韧性的工程机械用钢及其制备方法
CN116292703B (zh) 一种抗疲劳弧形减震元件及其制造方法与应用
JP4299758B2 (ja) 耐遅れ破壊特性に優れた高強度ボルトおよびその耐遅れ破壊特性向上方法
CN107746919A (zh) 薄规格高平直度q550e/f调质钢的生产方法
RU2643119C2 (ru) Способ деформационно-термической обработки высокомарганцевой стали
JP4857583B2 (ja) 板厚方向の強度差が小さい疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法
CN116292704B (zh) 一种能提供高阻尼力的抗疲劳弧形减震元件及应用
CN117107168B (zh) 一种超高强塑积的低密度钢板及其制备方法
CN115747575B (zh) 一种牌号为mp-4的高强度耐氢脆膜片及其制备方法
CN114657457A (zh) 一种Ti微合金化防护用高强特种钢板及生产方法
CN114657466A (zh) 一种大宽厚比高强度钢及生产方法
CN111748678A (zh) 一种低压缩比大厚度抗层状撕裂钢板及其制造方法
CN111235488A (zh) 一种防弹钢板及其制备方法和用途
KR20250091444A (ko) 강도 및 연성이 우수한 금속 판재 제조 방법
CN113897560B (zh) 一种抗拉强度≥1600MPa级的异型材用钢及生产方法
JPH04180537A (ja) 圧壊強度の優れたドアーガードバー
KR102487758B1 (ko) 저온 충격인성이 우수한 고강도 강판 및 그 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant