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新耐疲勞鋼的設計理念及未來發展

2018-12-28 13:27:51 作者：世界金屬導來源：廖建國分享至：

本文首先就該新型減振阻尼器和合金及提高合金耐疲勞性的形變組織的設計理念進行介紹，在對Fe-Mn-Si 基形狀記憶合金和高Mn 奧氏體鋼的研究開發歷史進行回顧的同時，就鋼鐵材料的功能、力學特性與相變的關系進行了研究。在關注純鐵只在高壓下形成的密集六方晶體（HCP）結構的ε相會直接和間接影響γ相的馬氏體相變、孿晶形變和位錯擴展研究的同時，從鋼種橫向研究的角度出發，對鋼種成分元素功能和奧氏體鋼的功能及力學特性的關系進行了梳理及分析。

由于減振結構建筑物的減振阻尼器用鋼材的斷面積和材質強度設計得比建筑物本體要低，因此，它在優先產生彈塑性變形后，可以吸收振動能，保護建筑物本體。由于減振阻尼器用鋼材會集中受到反復彈塑性變形，因此，要慎重設計減振阻尼器用鋼材，以避免其在建筑物使用期間發生金屬疲勞的問題。最近，開發了采用新耐疲勞鐵系合金制作的減振阻尼器，它能大幅度提高減振阻尼器的低循環疲勞壽命。

作為鐵系形狀記憶合金，有Fe-Mn-Si 基合金和高Mn 奧氏體鋼。以上述鐵系形狀記憶合金成分為基礎設計的Fe-Mn-Cr-Ni-Si 系新合金，可以改善耐疲勞特性。該合金通過優化設計面心立方（FCC）結構的Y 奧氏體晶體的塑性變形形態，可提高疲勞壽命。

本研究首先從該新型減振阻尼器和合金及提高合金耐疲勞性的形變組織的設計理念入手，在對Fe-Mn-Si 基形狀記憶合金和高Mn 奧氏體鋼的研究開發歷史進行回顧的同時，就鋼鐵材料的功能、力學特性與相變的關系進行了研究。在關注純鐵只在高壓下形成的密集六方晶體（HCP）結構的ε相會直接和間接影響γ相的馬氏體相變、孿晶形變和位錯擴展研究的同時，從鋼種橫向研究的角度出發，對鋼種成分元素功能和奧氏體鋼的功能及力學特性的關系進行分析。

1 免震結構和減振結構

免震結構是一種盡最大可能地阻斷地震能量從地基向建筑物傳播的抗震結構。在地基和建筑物之間，將振動“絕緣”的絕緣體和吸收振動能量的阻尼器進行組合，可將建筑物的搖動和變形降到最低。由于絕緣體支撐著建筑物的載荷，因此，它具有抗垂直壓縮力強，在水平方向容易變形的特性，在發生地震時，能夠使建筑物產生慢慢移動。

減振結構是一種把具有減小振動功能的減振阻尼器安裝在建筑物結構體中，減輕建筑物搖動的抗震結構。減振阻尼器通過優先吸收地震能量，可以將主要結構物體（柱和梁）的損壞降到最低。減振阻尼器50%以上是采用鋼材制作，地震時利用鋼材的彈塑性變形滯后的功能，可以將作用于建筑物的振動能變為熱能后進行吸收。但是，由于反復的彈塑性變形，會使金屬產生低循環疲勞，因此，耐低循環疲勞性能好的鋼材，就成為阻尼器的重要性能指標。

近年來，為確保地震后業務的開展不受影響，即為大幅度減少地震后的修復費用和修復時間，因此，對耐用性好的減振阻尼器的要求越來越高，開發了減振阻礙尼器用新的耐疲勞鐵系合金。

2 采用鐵系形狀記憶合金制作的耐疲勞減振阻尼器

2.1 新型耐疲勞減振阻尼器的應用和新合金

在2015 年11 月竣工的“日本JP 塔名古屋”（40 層大樓）的1-4 層，共安裝了16 個新型耐疲勞減振阻尼器（每層4 個）。該阻尼器使用了鐵系新合金鋼板，抗金屬疲勞性比以往提高了10倍。根據Manson-Coffin 法則，塑性應變振幅越大，金屬的低循環疲勞壽命越低，但在相同應變振幅情況下，新合金的疲勞壽命（Nf）比低屈服點鋼LY225 的高1 個數量級。由于解決了阻尼器的金屬疲勞問題，因此，實現了低成本、高剛性及長壽命的組合要求。

新合金的成分為Fe-15Mn-10Cr-8Ni-4S（i wt%）。它是以著名的鐵系形狀記憶合金——Fe-Mn-Si系合金為基礎開發的新合金。與奧氏體系不銹鋼一樣，由于含有鉻和鎳，因此耐蝕性好。新合金的成分是Fe-Mn-Si 基形狀記憶合金和奧氏體系不銹鋼的綜合反映，其各種特性也與這些奧氏體鋼相似。在室溫下呈面心立方結構的γ奧氏體單相，低溫韌性、強度和延性好。由于它是非磁性鋼，因此，還適合在電磁環境下使用。

2.2 鐵系形狀記憶合金的馬氏體相變和耐疲勞性

Fe-Mn-Si 系合金的形狀記憶效應和耐疲勞性好的反復變形機理，取決于馬氏體相變和逆馬體轉變形成的結構。前者由面心立方（FCC）結構的γ奧氏體相向最密排六方（HCP）結構的ε馬氏體相轉變；后者由ε相向γ相轉變。γ相的{111}面和ε兩相的{0001}面共同擁有相同的最密排的晶面結構，最密排的晶面按照晶面間隔進行有規則的剪切位移，其排列規則由ABCABC→ABABAB 變化，由此便產生由FCC→HCP 型的馬氏體相變。結果，所謂的Shoji-Nishiyama 取向關系，在γ相和ε相之間成立，形成的ε相呈板狀形態。

在形狀記憶效應的情況下，根據因形變而產生的由γ相向ε相的馬氏體相變和因其后加熱而產生的由ε相向γ相的逆馬氏體相變的觀察，發現了形狀記憶效應的特性。此時，合金內部組織的變化為γ單相（形狀記憶處理后）→形變誘發ε相+殘留γ相（擴徑和拉伸后）→γ單相（因加熱而產生形狀恢復后）。承擔正相變的肖克利（Shockley）不全位錯和承擔逆相變的肖克利不全位錯是相同的，因此，只有在運動方向正相反的“晶體學可逆性”高的情況下，形狀恢復率才會提高。

新阻尼合金具有良好的耐疲勞性也與反復拉伸壓縮變形下塑性變形時的肖克利不全位錯的反復運動和伴隨這種反復運動的兩個方向的γ→ε相變的可逆性有密切的關系。圖1 表示Fe-28Mn-6Si-5Cr-0.5NbC 形狀記憶合金，在反復拉伸壓縮變形下觀察到的組織變化。雖然拉伸和壓縮會誘發沿各自變形方位取向的ε馬氏體相變，但如果變形方向逆轉（拉伸→壓縮，或壓縮→拉伸），在逆相變后會恢復到原來的γ奧氏體相。相同晶面上的不全位錯反復運動所產生的可逆性組織變化，有助于延緩因位錯的局部沉積而導致疲勞裂紋的發生和傳播。最近的研究表明，延緩疲勞裂紋的傳播有助于提高疲勞壽命。

圖2 示出（a）拉伸誘發γ→ε相變和（b）其后加熱導致逆相變的形狀記憶效應和（d）拉伸誘發γ→ε相變和（e）其后壓縮導致逆相變的對比。在拉伸-加熱過程中，由于拉伸誘發的ε相在熱力學上會被加熱到γ相穩定的溫度區域，因此，自發返回到γ相的熱力學驅動力，會帶來形狀記憶效應。另一方面，在拉伸-壓縮過程中，由于外力的作用，會被動產生兩個方向的相變。

雖然外力的作用和應答性不同，但原子排列變化的機理是相通的。也就是說，相變和位錯運動是雙相影響的。

2.3 利用γ/ε雙相形變組織設計的新耐疲勞合金思路

γ/ε相變作為馬氏體相變的形態之一，其結晶結構不會因溫度的變化而產生原子擴散，而會因共同的剪切位移產生變化。形變誘發的γ→ε相變是FCC 結晶，因肖克利不全位移而產生塑性變形的形式之一。在FCC 結晶中，類似的塑性變形形態有γ孿晶變形和擴展位錯滑移。與變形誘發的γ→ε相變一樣，這些都成為了肖克利不全位移和堆垛層錯形成的構成要素。

在堆垛層錯能量高的FCC 結晶中，擴展位錯束集后會變為全位錯a/2<011>{1-11}，容易形成交叉滑移，因此，在相同結晶面上，難以發生往復運動。作為FCC 結晶的塑性變形形態，還有體心立方（BCC）結構和體心正方（BCT）結構的α‘馬氏體相變，但已確認這種類型的馬氏體相變，并不會因可逆性的雙向相變而改善Nf。

新的耐疲勞阻尼合金設計是根據在三種（γ→ε相變、γ孿晶變形、擴展位錯滑移）塑性變形形態中，擴展的不全位錯的往復運動來控制更適合于改善Nf 的塑性變形組織。其設計概念可以根據模型合金Fe-30Mn-（6-x）Si-xAl（x=0,1,2,3,4,5,6wt%）的疲勞試驗結果進行說明。雖然這些合金中的Mn 含量比實用合金成分高，但由于隨著Al 含量x 的增加，堆垛層錯能量會增大，使塑性變形形態發生連續變化，因此，適合于變形形態和疲勞特性關系的調查。利用高Mn 添加量具有穩定奧氏體的作用，可以控制α’馬氏體的形成，在不全位錯往復運動之后，Nf 比SUS304 高。

圖3 示出作為具有代表性的三種疲勞變形組織，x=0，2，3 的各種試樣疲勞斷裂后，在斷裂面周圍觀察到的微細裂紋附近的EBSD 圖像。在形狀記憶合金（x=0）中，ε馬氏體為主要的塑性變形形態，在TWIP 鋼（x=3）中能看到γ單相的位錯密度高，Nf 最長的合金（x=2）呈γ/ε雙相組織。從（a）-（b）可知，裂紋有沿ε基底面和γ/ε界面發生的趨勢，能看到容易發生金屬疲勞的組織，但實際是Nf 高于普通金屬，尤其是在x=2 的情況下，裂紋進展的路徑是左右屈折，在裂紋周圍，能看到微細馬氏體結晶的生長，它有助于延緩裂紋的擴展。

2.4 實用化課題和批量生產型合金

新的阻尼合金為可采用電爐批量生產的合金。因此，新的阻尼合金的最重要設計方針是盡可能地減少Mn 含量。作為Fe-Mn-Si 基形狀記憶合金，主要是Fe-28Mn-6Si-5Cr 合金，它可用作管材和鋼軌的連接部件。為確保Mn 含量接近30%的合金熔化，因此采用了小型感應熔煉爐進行生產。但是，在使用普通不銹鋼熔煉用電弧爐的情況下，高Mn 含量會成為熔煉的障礙。采用電爐生產工藝時，在廢鋼熔化后，要裝入鋼包進行精煉。由于鋼包中添加了許多的Mn 原料，因此，為防止鋼水冷卻，必須使用裝有加熱裝置的精煉爐（LF）。但是，由于Mn 的蒸汽壓高，因此在精煉操作中Mn 幾乎會蒸發，使Mn 的收得率下降，而且Mn 煙氣會影響操作人員的身體健康。

為解決這些問題，如果在精煉后期和出鋼前添加Mn 原料，Mn 中的雜質會殘留在產品中，因此必須選擇高價、高純度的Mn 原料。由于存在著如此相互交織的問題，因此一般認為采用電弧爐能夠熔化的Mn 量的上限充其量為15%。

另一方面，Mn 具有穩定γ奧氏體的作用，同時它又是γ奧氏體相變形誘發ε馬氏體相不可或缺的元素。為減少Mn 量，必須從合金設計上進行研究，以確保γ、ε和α‘三相具有最佳的相穩定性，但Mn 含量也存在著下限。Fe-Cr-Ni 系奧氏體不銹鋼在常溫下，呈穩定和準穩定的奧氏體相，由于Cr 和Ni 含量的不同，馬氏體相變會變形誘發為ε馬氏體或α’馬氏體，將Cr 和Ni 組合添加，可以部分替代上述Mn 的功能。Fe-Mn-Si 基形狀記憶合金和高Mn 奧氏體鋼也進行了這種合金設計，在這種思想指導下，通過一面留意提高疲勞特性用成分的平衡，一面使Mn 含量下降至15wt%，已能批量生產減振阻尼合金Fe-15Mn-10Cr-8Ni-4Si。

采用電弧爐生產了重達10t 的Fe-15Mn-10Cr-8Ni-4Si 合金錠。添加Cr 和Ni 不僅能將Mn 降到電爐熔煉的可控水平，而且還能將本合金的耐蝕性提高到與SUS430 不銹鋼基本相同的水平，將來不僅可以應用到大廈用阻尼器，還可用于橋梁等室外用阻尼器。

3 高Mn 奧氏體鋼的發展歷史和耐疲勞新合金

3.1Fe-Mn-Si 基形狀記憶合金

自1982 年日本研究人員最早介紹單晶體Fe-30Mn-1Si 合金的形狀記憶效應以來，Fe-Mn-Si合金作為一種可以采用低成本生產大型部件的鐵系形狀記憶合金引人關注，直至目前仍在廣泛研究。Si 是形狀記憶合金不可或缺的元素之一，它可強化母相的固溶，降低堆垛層錯能量，控制反鐵磁性（穩定奧氏體），規范原子短程順序，提高γ/ε晶格間的共格性。Fe-Mn-Si、Fe-Mn-Si-C、Fe-Mn-Si-Cr-Ni 合金的Si 最佳添加量通常為5%-6%。

Fe-Mn-Si 基合金的形狀記憶恢復率在反復變形和加熱后會提高。另外，有研究指出，通過添加納米級的NbC 析出物，也能改善形狀記憶特性。最近，還有研究通過對鑄造材進行熱處理，抑制了退火孿晶的形成，由此獲得了高達9%的形狀恢復應變。雖然有關各種提高形狀記憶恢復率的方法仍在持續研究中，但一般認為添加Si 和加工熱處理，有助于提高變形-加熱循環過程中正逆馬氏體相變的可逆性。

Fe-Mn-Si 基合金馬氏體相變在非熱彈性狀態下并沒有超彈性效果。有研究報告指出，在拉伸變形后，應力去除時的彈性變形恢復為非線性形，能夠獲得比通常彈性變形更大的應變恢復，由此會生成局部的相變偽彈性。但是，由于Fe-Mn-Si 基合金的相變偽彈性會與更大的塑性變形共存，因此無法獲得完全的超彈性。

1984 年新日鐵公司等開始進行形狀記憶合金的應用研究。作為典型例子是自行車車架管的鎖扣，1991 年開始應用于轉爐粉體噴吹口用保護管，2003 年在金沢涌波隧道工程采用了Fe-Mn-Si基形狀記憶合金對彎曲管進行連接（如圖4）。2004 年新日鐵公司和淡路材料公司共同開發了采用Fe-Mn-Si 基形狀記憶合金制作的吊車鋼軌用魚尾板。

采用Fe-Mn-Si 基合金制作的減振阻尼器在發生大地震時，通過塑性變形，可以吸收振動能，還可提高整個建筑物的剛性。Fe-Mn-Si 基合金是一種強度、延性、韌性和耐磨性好的結構用鋼鐵材料，可以看作是高Mn 奧氏體鋼的一種。

3.2 高Mn 奧氏體鋼

高Mn 奧氏體鋼是在19 世紀英國人羅伯特·哈德菲爾德發明的耐磨鋼的基礎上開發的。它是一種歷史悠久的鋼鐵材料，目前還應用于鐵路的鋼軌交叉口和巖石破碎機等。在JIS 和AISI 等國的高Mn 奧氏體鋼標準中，規定了C 在1.0%-1.4%（wt），Mn 在10%-14%（wt）范圍內。最近，韓國和歐洲正在積極研究以TRIP（相變誘發塑性）/ TWIP（孿晶誘發塑性）鋼命名的鋼種，作為具有良好強度和延性的新一代汽車用鋼板。

在一系列TRIP/TWIP 鋼研究的刺激下，對以往的高Mn 奧氏體鋼的再評價和變形機理的研究也隨之活躍起來。德國從1997 年起就發表了有關Fe-Mn-Si-Al 系TRI P/ TWIP 鋼的一系列論文，這些鋼不含碳，與最早的羅伯特·哈德菲爾德鋼的成分條件有很大的不同。研究人員將Mn 含量高、堆垛層錯能量低為共同特征的鋼種稱為廣義的“高Mn 奧氏休鋼”，并對其良好的力學性能和HCP（ε）馬氏體相變、γ孿晶變形、擴展位錯滑移等特有的變形狀態的相互關系進行了詳細研究。

除了耐磨性、強度和延性的平衡、低溫韌性等良好的力學特性外，非磁性（低磁性）和低熱膨脹率也是高Mn 奧氏體鋼引人關注的附加值。高Mn 奧氏體鋼的γ相和ε相呈順磁性和反鐵磁性，不會被磁化，由于不容易受磁場的影響，因此，可以作為非磁性鋼結構材料在電磁環境下使用。尤其是磁性轉變溫度（尼耳溫度）比常溫高的鋼種，在由順磁性向反鐵磁性轉變時，在常溫以下的大的溫度起伏范圍內，比導磁率低（在尼耳點會出現比導磁率的峰值）。而且，在尼耳點以下的反鐵磁性狀態下，熱膨脹率會因自發體積磁致伸縮效應而下降，適合低熱膨脹要求的用途。

日本也在積極開發核聚變發電實驗設施、粒子加速器設施和超導磁懸浮列車鐵路用高Mn 非磁性鋼。另外，由于發現了黑格斯粒子，因此法國的粒子加速器CERN 研究取得了很大的進展，大量使用了日本的非磁性鋼，即熱膨脹率高的非磁性奧氏體系不銹鋼和熱膨脹率低的高Mn 非磁性鋼，分別作為超導線圈的支撐部件材料，應用于不同部位。

3.3 鋼種的橫向設計和ε馬氏體

Mn 具有穩定奧氏體的作用，它還可以替代不銹鋼中的Ni 元素，因此開發了高Mn 低Ni 奧氏體系不銹鋼。

在鐵中添加碳等元素的鋼中，組織呈α相的為鐵素體鋼，組織呈γ相的為奧氏體鋼，但在常溫常壓下以ε相作為平衡相形成的鐵系合金只有Fe-Ir 系合金，以ε為主相的實用鋼并不存在。

但是，在奧氏體鋼中，一旦冷卻或變形，γ相的一部分會在ε相中出現兩種的馬氏體相變。即，本文所說的Fe-Mn 系奧氏體鋼和Fe-Cr-Ni 系奧氏體鋼。Mn 單獨添加時具有穩定奧氏體的作用和形成ε相的作用，Mn 含量越高，γ相奧氏體區域越會向低溫側擴展，一直穩定到常溫為止。與此同時，馬氏體相變的變化類型為γ→α‘到γ→ε→α’，再到γ→ε。一面將Cr 和Ni 的比例保持一定，一面同時添加，可以穩定γ，并形成ε相。如果Cr 單獨添加，就無法在常溫下穩定γ相，如果Ni 單獨添加，雖然可以穩定γ相，但馬氏體只會形成α‘相。

由于FCC、HCP、BCC 是金屬的主要三種晶體結構，因此，如果能找出FCC 和HCP 相穩定平衡的成分系，未來就有可能進行非鐵合金的耐疲勞設計。