專利名稱：屈服強度100MPa級建筑抗震用低屈服點鋼及其生產(chǎn)方法
技術領域：
本發(fā)明屬于鋼鐵制造領域，具體地，本發(fā)明涉及超低碳鋼制造領域，更具體 地，本發(fā)明涉及抗震用鋼及其生產(chǎn)方法。
背景技術：
地球上每年有數(shù)百萬次的地震發(fā)生，我國作為地震多發(fā)國家，20世紀發(fā)生6 級以上地震近400次，造成大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失。地震造成的災害，引起 人們對建筑抗震問題的關注。近年來，在工程抗震研究方面取得了很大進展，工 程結(jié)構(gòu)用鋼的抗震性能也日益得到重視[1'2]，目前已經(jīng)研制了系列高性能的結(jié)構(gòu)抗 震用鋼并應用于高層建筑的建造，但對于低屈服點鋼在抗震設計中的應用還鮮有 報道。
影響建筑物抗震性能的因素很多，包括場地、地基、平立面布置、結(jié)構(gòu)體系、 結(jié)構(gòu)構(gòu)件和材料性能等。地震時，建筑物承載力不足或者連接強度不夠，是導致 建筑物倒塌的兩個主要原因。同時，建筑物構(gòu)件的變形能力不夠，將使結(jié)構(gòu)喪失 整體性，導致建筑物解體。所以抗震結(jié)構(gòu)用鋼不僅要具有高的強度，還要注重塑 性。另外，還要考慮鋼的應變時效敏感性、脆性轉(zhuǎn)變溫度、低周疲勞抗力和焊接 等性能。
抗震設計主要是通過合理分配地震的慣性力和能量來減少地震對建筑結(jié)構(gòu)的 損害，實現(xiàn)抗震的目的。傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設計是依靠柱和梁的塑性變形來吸收地 震能的，日本神戶大地震后人們發(fā)現(xiàn)了這種設計的缺陷，因為地震結(jié)束后，嚴重 損壞的柱梁主體結(jié)構(gòu)很難修復。為了解決這一問題，建筑設計領域開始重視依靠 消震阻尼裝置的主動變形來吸收地震能的抗震設計形式。這種設計方式在日本已 經(jīng)得到越來越廣泛的應用。經(jīng)過近10年的研究，新日鐵于1995年開發(fā)成功一種 新型低屈服點鋼用于制造這種抗震效能阻尼裝置，且同時開發(fā)成功了一種抗震阻 尼裝置并取得了專利權(quán)[3'4]。
用于制作抗震裝置的低屈服點鋼(或稱軟鋼)成為抗震用鋼的一個新鋼種。
3這些抗震裝置利用軟鋼良好的滯回性能吸收消耗地震能量，保護建筑主體結(jié)構(gòu)。 用于制造這些抗震設施的鋼具有比其它結(jié)構(gòu)件更低的屈服強度和抗拉強度，并且 屈服點波動范圍很窄，具有良好的低周疲勞抗力。地震時，這些抗震設施先于其 它結(jié)構(gòu)件承受地震載荷作用，并首先發(fā)生屈服，靠反復載荷滯后吸收地震能量，
保護整個建筑。而此類構(gòu)件只是抗側(cè)力構(gòu)件的一個組成部分，其屈服耗能不會影 響結(jié)構(gòu)的承重能力。與其它減震材料相比，具有構(gòu)造簡單、經(jīng)濟耐用、震后更換 方便和可靠性強等優(yōu)點，既可用于新建筑物的抗震，也可用于舊建筑抗震能力的
提咼0
目前采用低屈服點鋼提高建筑物的抗震能力在以日本為代表的很多國家得到 廣泛推廣，并開發(fā)了一批相關的抗震設計技術[""?？拐鹩玫颓c鋼通常應用于 承載與不承載即斜撐裝置，就斜撐裝置而言，有如下專利文獻"具有優(yōu)良韌性的
低屈服點鋼及其生產(chǎn)方法"(JP200528180， 2005年公開)、"具有優(yōu)良韌性的 225MPa/235MPa級低屈服點鋼及其生產(chǎn)方法"(JP2004339548， 2004年公開)、"極 低屈服點高強度鋼板的生產(chǎn)"(JP55104429A， 1980年公開)，等等。這些專利文 獻公開的都是屈服強度較低、延伸率較高的低合金結(jié)構(gòu)鋼，它們通過屈服變形吸 收地震能量來實現(xiàn)抗震的目的，屈服強度一般在200MPa左右，在成分設計上以較 低的碳(C)-硅(Si)-錳(Mn)為基礎添加了鉻(Cr)、鉬(Mo)、鎳(Ni)、銅(Cu)、硼(B)
等合金中的一種或多種成分。
其它還有"制震設施用鋼板及其生產(chǎn)"(JP0窗652A， 1997年公開)、"低 屈服點厚板"(JP09125198A， 1997年公開)、"韌性良好的低屈服點鋼的生產(chǎn)" (JP09310118A， 1997年公開)。這些專利文獻公開的是屈服強度較高的鋼， 一般 在100-150MPa之間，此外上述專利文獻提供的鋼種，在其成分設計上添加了Cu、 Ni、 Cr、 Mo、 B等元素的一種或多種。
專利文獻"結(jié)構(gòu)用低屈服點鋼板的制造"(JP10324918A， 1998年公開)(其 化學成分、生產(chǎn)工藝和力學性能詳見表1對比鋼1)提供的鋼屬于低合金鋼制造 領域的低屈服點建筑抗震用鋼，在低C、 Si、 Mn的基礎上添加了 Al、 N、 Ti、磷 (P)和硫(S)等成分，并含有Nb、 B中的一種或多種。通過低C設計，輔以軋 后熱處理，鋼板的屈服強度降低到130MPa以下并保持良好的塑性。然而，添加了 0.004-0.030% Nb和0.0003-0.030% B中的一種或兩種成分，這不僅提高了鋼板 的制造成本、增加了冶煉難度，并且B不利于鋼板的焊接和沖擊性能。
專利文獻"PRODUCTION OF STEEL PLATE FOR LOW YIELD POINT STRUCTUR(低屈服點結(jié)構(gòu)用鋼板的生產(chǎn))"(JP09227936A， 1997年公開)(其化學成分、生 產(chǎn)工藝和力學性能詳見表1對比鋼2)提供的鋼采用極低的C、 Si、 Mn和微量合 金元素的復合添加成分設計，消除鋼中多余的C、氮(N)原子，降低鋼板的屈服 強度并提高塑性，其屈服強度在150MPa以下。但除了微量的Ti夕卜，還添加了 0.005 0.030X的Nb和0. 003 0. 030%B中的一種或兩種，B對鋼板的沖擊和焊 接性能不利。同時，為了降低屈服強度，該鋼板熱軋后還需要在高溫進行粗化處 理，增加了生產(chǎn)工序并提高制造成本。
專利文獻"EXTREMELY LOW YIELD STRENGTH STEEL (極低屈服強度鋼)"
(JP06235042A， 1994公開)(其化學成分、生產(chǎn)工藝和力學性能詳見表1對比鋼 3)提供的鋼采用了低的C、 Si、 Mn設計，并添加了一定量的氮化硼，鋼錠熱軋后 進行正火處理，屈服強度一般在90MPa以下，并保持良好的塑性。該專利文獻提 供的生產(chǎn)工藝是主要通過向熔融的鋼水中添加氮化硼(h-BN)和鐵粉的混合物實 現(xiàn)氮化硼在鋼中的彌散分布，并控制氮化硼晶粒的粒徑在l一30um之間，通過氮 化硼的剪切變形引發(fā)基體組織的剪切變形，從而實現(xiàn)屈服強度的降低。但是該生 產(chǎn)工藝不適應大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)，對煉鋼的要求很高，不容易掌握，而且鋼板軋 后還需要正火處理，增加了生產(chǎn)工序。表1化學成分、生產(chǎn)工藝和力學性能
項 目對比鋼1對比鋼2對比鋼3
c《0. 005《0. 005《0.01
Si《0. 02《0. 02《0. 10
Mn0.01-0. 300.01-0.30《0. 20
P《0. 030—一《0. 05
S 化 Al 學 成 Ti 分 N (wt%) Nb《0. 020 0. 005-0. 050 0. 005-0. 080 《0. 005 (0. 004-0. 030)0. 005-0. 050 0. 005 _ 0. 080 《0. 0050 (0. 005-0. 03 0)《0. 05 《0. 05 0. Ol-O. 1 《0. 01
B(0. 0003-0. 030)(0. 003-0. 03 0)—
h-BN—一0.01-0.25
熱軋+高溫保溫后冷
生產(chǎn)工藝卻，50(TC以上冷速100熱軋+晶粒 °C/h， 50(TC以下冷速粗化處理熱軋+高溫正 火
200°C/h
屈服強度/MPa《130《150《100
抗拉強度/MPa200-280200 — 280——
屈強比/%———_
延伸率/%》40》50》50
夏比V型沖擊功值/J (0°C)》47》47——
從如上表l可以看出，對比鋼1-3所含化學成分及其生產(chǎn)工藝均較復雜，且 沒有對屈強比有明確要求。
本發(fā)明人通過不斷嘗試，減少了鋼中合金元素的添加，并通過簡便的生產(chǎn)工 藝解決了低屈服點鋼的難點問題——有效降低屈服強度的同時保證韌性等性能， 從而完成了本發(fā)明。因此，本發(fā)明的第一個目的在于提供一種低屈服強度抗震用鋼。 本發(fā)明的第二個目的在于提供這種低屈服強度抗震用鋼的生產(chǎn)方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個方面提供一種低屈服強度建筑抗震用鋼，所述抗震用鋼包括
以下化學成分(重量％): C《0. 01、 Si《0. 02、 Mm 0. 05-0. 10、 P《0. 01、 S《0. 006、 Al- 0.01-0.05、 N《0. 005、 Ti: 0.01-0.10、其它為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。 鋼板一般通過固溶強化，析出強化、位錯強化和晶界強化等手段提高強度。 本發(fā)明提供的建筑抗震用鋼，其屈服強度極低，為了有效降低屈服強度、提高延
伸率，需降低合金元素的添加量、減少強化因素。具體化學成分的限定理由如下
C通過固溶強化會使屈服強度升高、延伸率降低；控制其含量在0.01%以下。
Si為脫氧元素，也是固溶強化元素，使屈服強度升高、延伸率降低；控制其
含量在0.02%以下。
Mn也是鋼中常見的強化元素，通過固溶強化提高屈服強度，使延伸率降低； 控制其含量在0. 05-0. 10%。
P也能提高強度，并使得鋼板變脆、影響韌性；控制其含量在0.01%以下。 S能夠提高鋼的屈服強度，并使得鋼板變脆，降低鋼的低溫韌性；控制其含
Al是脫氧必需的元素，但也會提高鋼的強度；控制其含量在0.01-0. 05%。
N通過固溶能夠顯著提高鋼的強度；控制其含量在0. 005%以下。
Ti用來固定C、 N原子以降低其對位錯運動的阻礙作用，Ti在鋼中可依次形 成TiN、 T"C2S2、 TiS和TiC，消除鋼中自由的C、 N原子，從而降低屈服強度，同 時TiC、 TiN等顆粒的粗化使其失去了晶界釘扎效應，增大了晶粒粒徑，降低了晶 界強化效果，但較多的Ti會降低鋼板的延伸率；控制其含量在0. 01-0. 1%。
本發(fā)明的另一個方面提供這種低屈服強度建筑抗震用鋼的生產(chǎn)方法，所述方 法包括鋼坯加熱、熱軋、冷卻，其中冷卻采用空冷方式。
本發(fā)明提供的這種生產(chǎn)方法， 一個優(yōu)選的實施方式為，所述空冷方式采用空 冷至650-75(TC巻取，或空冷到室溫。
本發(fā)明提供的這種生產(chǎn)方法， 一個優(yōu)選的實施方式為，所述鋼坯加熱中鋼坯 加熱溫度在1150。C以上。
本發(fā)明提供的這種生產(chǎn)方法， 一個優(yōu)選的實施方式為，所述熱軋中終軋溫度為850-950。C。 有益效果
1. 本發(fā)明提供的建筑抗震用鋼具有優(yōu)良的綜合力學性能，屈服強度在
80-120MPa，延伸率超過50%，具有優(yōu)良的塑性變形能力；并且具有良好的0'C沖 擊韌性，適用于各種建筑的抗震設計；
2. 本發(fā)明提供的建筑抗震用鋼具有良好的低周疲勞性能，能夠承受地震載荷 下的反復變形，通過鋼板的塑性變形吸收地震能量，保護主體建筑的安全，在非 承載結(jié)構(gòu)即斜撐裝置中抗震效果頗佳。
3. 本發(fā)明提供的建筑抗震用鋼具有良好的焊接性能，其低碳當量成分設計保 證了鋼板具有良好的焊接性能。
4. 本發(fā)明提供的建筑抗震用鋼采用高溫熱軋，軋后空冷，生產(chǎn)工藝簡單，成 本較低，適用于企業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)。
具體實施例方式
下面用實施例對本發(fā)明作進一步闡述，但這些實施例絕非對本發(fā)明有任何限 制。本領域技術人員在本說明書的啟示下對本發(fā)明實施中所作的任何變動都將落 在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
實施例1
按照如下表2的化學成分在試驗室500kg真空感應爐中冶煉。鋼坯加熱溫度 為1220。C，終軋溫度為910-940°C，軋后空冷。軋制厚度為12ram。所得鋼的力學 性能見表5。
表2實施例l鋼的化學成分(重量％)
cSiMnPSAlNTi
0.00160.0080. 080. 0080. 0030. 0320. 00190. 027
實施例2
按照如下表3的化學成分在試驗室500kg真空感應爐中冶煉。鋼坯加熱溫度 為1220。C，終軋溫度為890-92CTC,軋后空冷。軋制厚度為16mm。所得鋼的力學 性能見表5。表3實施例2鋼的化學成分(重量％)
cSiMnPSAlNTi
0. 00330. 00670. 0650. 0040. 0070.0110. 00280. 036
實施例3
按照如下表4的化學成分在試驗室500kg真空感應爐中冶煉。鋼坯加熱溫度 為122(TC，終軋溫度為860-890°C，軋后空冷。軋制厚度為20mm。所得鋼的力學 性能見表5。
表4實施例3鋼的化學成分(重量％)
cSiMnPSAlNTi
0. 00780. 0150. 0870. 0060. 0090. 0450. 00390. 068
表5實施例1-3鋼的力學性能
RpO. 2/MPaRm/MPaYR/%A50/%(TC橫向沖擊 功Akv/J
實施例1鋼118、 119255、 25446、 4762、 60266、 291、 293
均值118. 5254. 546.561283.3
實施例2鋼83、 88250、 25533、 3570、 7144、 45.、 33
均值85. 5252. 53470. 540. 7
實施例3鋼101、 105260、 26039、 4074、 7340、 53、 35
均值10326039.573. 542.7
從如上表5可以看出，本發(fā)明提供的建筑抗震用鋼具有穩(wěn)定的屈服強度，在 不同的軋制工藝下，各種厚度鋼板的屈服強度均低于120MPa。本發(fā)明提供的建筑 抗震用鋼還具有很高的延伸率及良好的韌性。
9參考文獻辛義德等，重慶大學學報，1986， 2: 9-19。 [2]龔士弘等，工程抗震，1995， 2: 37-42。 Mitsuru Sugisawa e.t.c， Nippon Steel Technical Report, 1995， 66:37-46.蘇晴茂等，建筑鋼結(jié)構(gòu)進展，2005， 7(1): 13-26。 [5] Tanemi YAMAGUCHI e. t. c, Nippon Steel Technical R印ort， 1998， 77:65-72. Hrioshi NA薩URA e丄c， Nippon Steel Technical R印ort， 2000， 82:51-57. Yoshimichi畫AI e. t. c， Nippon Steel Technical R印ort， 1999， 79:6—16.
權(quán)利要求
1.一種低屈服強度建筑抗震用鋼，其特征在于，包括以下化學成分(重量％)C≤0.01、Si≤0.02、Mn0.05-0.10、P≤0.01、S≤0.006、Al0.01-0.05、N≤0.005、Ti0.01-0.10，其它為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。
2. 權(quán)利要求l所述低屈服強度建筑抗震用鋼的生產(chǎn)方法，包括鋼坯加熱、熱軋、冷卻，其特征在于冷卻采用空冷方式。
3. 如權(quán)利要求2所述的生產(chǎn)方法，其特征在于，其中所述空冷方式采用空冷至650-750。C巻取，或空冷到室溫。
4. 如權(quán)利要求2所述的生產(chǎn)方法，其特征在于，其中所述鋼坯加熱中鋼坯加熱溫度在115(TC以上。
5. 如權(quán)利要求2所述的生產(chǎn)方法，其特征在于，其中所述熱軋中終軋溫度為850—950 。C。
全文摘要
本發(fā)明提供一種低屈服強度建筑抗震用鋼，包括以下化學成分(重量％)C≤0.01、Si≤0.02、Mn0.05-0.10、P≤0.01、S≤0.006、Al0.01-0.05、N≤0.005、Ti0.01-0.10、其它為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。本發(fā)明還提供這種抗震用鋼的生產(chǎn)方法。本發(fā)明提供的這種抗震用鋼具有優(yōu)良的綜合力學性能，屈服強度在80-120MPa，延伸率超過50％，具有優(yōu)良的塑性變形能力、良好的0℃沖擊韌性、良好的低周疲勞性能及良好的焊接性能，適用于各種建筑的抗震設計，保護主體建筑的安全；且生產(chǎn)工藝簡單，成本較低，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號C21D1/78GK101514426SQ200810033768
公開日2009年8月26日 申請日期2008年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月21日
發(fā)明者宋鳳明, 李自剛, 柏明卓, 溫東輝 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司