160MPa级抗震用低屈服强度钢、钢板及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及钢铁材料领域，具体地说，本发明涉及一种抗震用低屈服强度钢。
背景技术
在本发明之前已有多个关于抗震用低屈服点钢的发明专利，如2007年公开的专利文献JP2007146248(低温韧性和延伸率优良的低屈服点厚钢板及其制造方法)、2004年公开的专利文献JP2004339548(具有优良韧性的225MPa/235MPa级低屈服点钢及其生产方法)和2000年公开的专利文献JP2000256739(抗震用低屈服点厚板)，这些专利文献均公开了屈服强度较低、延伸率较高的低合金结构钢，可通过塑性区的屈服变形吸收地震能量以实现抗震目的，在成分设计上以较低的碳(C)-硅(Si)-锰(Mn)为基础添加了铬(Cr)、钼(Mo)、镍(Ni)、铜(Cu)、硼(B)和铌(Nb)等合金中的一种或多种成分，其屈服强度范围为200-250MPa。
另外，1997年公开的专利文献JP09227936A(低屈服点钢结构用钢板的生产)、1994公开的专利文献JP06235042A(超低屈服点钢)和1993年公开的专利文献JP05214442A(低屈服强度高延伸率结构钢的生产)所涉及钢也属于低屈服点抗震用钢，采用在低C-Si-Mn的基础上添加微量合金元素的成分设计，但其屈服强度一般在120MPa以下，还加入了h-BN等成分。
2000年公开的日本专利文献JP2000063946(抗震用低屈服点厚板的制造)公开了一种35mm厚的低屈服点钢及其生产方法，其屈服强度为140-240MPa，变化范围较大。
2005年公开的日本专利文献JP2005281806(韧性优良的低屈服点钢及其生产方法)公开了一种具有优良韧性适合用于制作阻尼器等控制摇晃设备的低屈服点钢及其生产方法，其屈服强度分为两个等级，即165MPa级和235MPa级。从该专利文献的实施例看，其中165MPa级钢的屈服强度为100MPa-200MPa，覆盖范围较宽泛。该钢中添加了0.005～0.10％的锆(Zr)，另外还含有0.005～0.05％的Ti、0.005～0.05％的Nb、0.005～0.05％的钒(V)、0.0003～0.0030％的B和0.05～0.30％的Cr中的一种或两种以上成分。钢种轧后还需要高温淬火处理或者较高温度下晶粒粗化处理，增加了生产周期和生产成本。
1997年公开的日本专利文献JP09125198A(低屈服点厚钢板)所涉及钢中Mn含量较高，且添加了0.01～0.50％的Cu、0.01～0.50％的Ni、0.10～0.50％的Cr、0.01～0.50％的Mo、0.005～0.10％的V、0.005～0.10％的Nb和0.005～0.10％的Ti中的一种或两种以上成分，并含有0.001～0.005％的钙(Ca)。这些添加的元素中，诸如Cu、Ni、Cr、Mo和Zr等或是增加了制造难度和制造成本，或不利于钢板的焊接和低温冲击性能。该钢种未提供低温冲击性能的保证，并追求高的屈强比(≥60％)。另外，该专利文献并未提供其具体的生产方法。
JP2000063946、JP2005281806、JP09125198A所涉及钢的化学成分、生产工艺和力学性能对比见表1。
表1JP2000063946、JP2005281806、JP09125198A所涉及钢的化学成分、生产工艺和力学性能对比
【发明内容】
本发明的第一个方面提供一种抗震用低屈服强度钢，其特征在于，以重量百分比计含有C：≤0.08％，Si≤0.10％，Mn：0.1-1.2％，P≤0.015％，S≤0.010％，Al：≤0.05％，N：≤0.005％，Ti：≤0.04％，其余为Fe和不可避免的杂质。
优选的是，所述钢中还含有Nb：≤0.05％、V：≤0.10％和B：≤0.003％中的一种或多种。
本发明的第二个方面提供一种抗震用低屈服强度钢板，其特征在于，以重量百分比计含有C：≤0.08％，Si≤0.10％，Mn：0.1-1.2％，P≤0.015％，S≤0.010％，Al：≤0.05％，N：≤0.005％，Ti：≤0.04％，其余为Fe和不可避免的杂质。
优选的是，所述钢板的厚度在30mm以上。
钢板一般通过固溶强化、析出强化、位错强化和晶界强化等手段提高强度，而本发明所涉及的160MPa级抗震用钢的屈服强度很低，因此，为了有效降低屈服强度、提高延伸率，必须尽量降低合金元素的添加量、减少强化因素。本发明钢的具体化学成分的限定理由如下：
C：通过固溶强化会使屈服强度升高，延伸率降低。根据实际的炼钢工艺，应尽可能降低其含量。因此，C含量以不超过0.08％为宜。
Si：Si为脱氧元素，也是固溶强化元素，可使屈服强度升高，延伸率降低，应尽量降低Si的添加量。因此，Si含量以不超过0.10％为宜。
Mn：Mn也是钢中常见地强化元素，通过固溶强化提高屈服强度，使延伸率降低。因此，Mn含量范围优选0.1-1.2％。
P：P可提高强度，并使得钢板变脆、影响韧性，应尽量降低钢中P的含量。因此，P含量以不超过0.015％为宜。
S：S能提高钢的屈服强度，但易形成硫化物夹杂，使钢板变脆，会降低钢的低温韧性。因此，S含量以不超过0.010％为宜。
Al：Al是脱氧必需的元素，但也会提高钢的强度，必须控制其含量在一定范围内。因此，Al含量以不超过0.05％为宜。
N：N的固溶能够显著提高钢的强度，因此，N含量以不超过0.005％为宜。
Ti：Ti用来固定C、N原子以降低其对位错运动的阻碍作用。Ti在钢中可依次形成TiN→Ti4C2S2→TiS和TiC，钉扎钢中自由的C、N原子，从而降低屈服强度。同时TiC、TiN等颗粒的粗化使其失去了晶界钉扎效应，有利于增大晶粒尺寸，降低了细晶强化效果。但较多的Ti会降低钢板的延伸率，因此，Ti含量以不超过0.04％为宜。
Nb：Nb是碳化物形成元素，同样能够减少钢中固溶C的含量，并能够在精轧前细化晶粒，有利于钢板强度的控制。但过多的Nb会提高钢的再结晶温度，使得钢板强度过高，塑性弱化，可以选择添加。因此，Nb含量以不超过0.05％为宜。
V：钢中添加少量的V，可以与C结合生成VC，消除钢中固溶的C原子，且生成的VC粒子粗大均匀，可减少VC对钢板屈服强度的影响。其作用和Ti、Nb类似，可以选择添加。因此，V含量以不超过0.1％为宜。
B：为扩大γ区元素，微量的B在钢中与N结合生成BN，能够强化晶界、提高晶界的稳定性并减少P在晶界的偏聚，从而有利于低温韧性的改善。但过多的B易引起热脆性。可以少量添加或者不添加。因此，B含量以不超过0.003％为宜。
本发明的第三个方面提供所述钢板的制造方法，所述方法包括钢坯加热、热轧和轧后冷却工艺。
在本发明的一个实施方案中，所述钢坯加热工序中钢坯加热温度优选1100-1250℃。
在本发明的另一个实施方案中，所述热轧工序中终轧温度优选850-950℃。
在本发明的另一个实施方案中，所述冷却工序优选空冷或水冷到室温。
本发明钢采用近似纯铁的低C-Si-Mn设计并添加0-0.04％的Ti，成分设计简单经济，所得钢屈服强度波动小，屈强比≤80％，目标范围在140-180MPa之间，延伸率超过50％，具有优良的塑性变形能力和0℃冲击韧性(0℃冲击功不低于27J)，组织均匀。采用高温热轧及热轧后空冷或缓冷到室温的加工工艺，生产工艺简单，成本较低。适用于制作抗震阻尼器，提高建筑物的抗震能力。
本发明的有益效果：
本发明钢具有良好的低周疲劳性能，能够承受地震载荷下的反复变形，通过钢板的塑性变形吸收地震能量，保护主体建筑的安全。
本发明钢具有良好的焊接性能，其低碳当量成分设计保证了钢板具有良好的焊接性能。
本发明钢采用热轧后空冷或水冷至室温的工艺生产。生产工艺简单，成本较低，适用于企业的大规模生产。
【具体实施方式】
以下用实施例对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。
本发明各实施例所制钢坯具有表2所示化学成分，将所得钢坯加热至1100-1250℃，终轧温度850-950℃，轧后空冷或水冷至室温，轧制厚度分别为30-50mm，所得钢板力学性能见表3。
表2本发明各实施例所制钢坯的化学成分(wt％)
实施例 C Si Mn P S Al Nb V Ti B N A 0.016 0.064 0.34 0.0050 0.0047 0.034 -- -- 0.033 0.0002 0.0019 B 0.005 0.035 1.08 0.008 0.0038 0.042 -- -- 0.035 -- 0.0022 C 0.065 0.018 0.22 0.006 0.0036 0.044 -- 0.04 0.038 -- 0.0024 D 0.012 0.079 0.36 0.006 0.0048 0.037 0.028 0.034 0.025 -- 0.0018
表3本发明各实施例所制钢板的力学性能
实施例 板厚 mm 加热温度 ℃ 终轧温度 ℃ 屈服强度 ReL/Rp /MPa 抗拉强度 Rm/MPa 屈强比 YR/％ 延伸率 A50/％ 0℃冲击功 Akv/J A 30 1180 900 164 286 57.3 66 288 282 292 A 40 1180 880 150 285 52.6 61 277 272 282 B 30 1200 920 180 174 280 279 64.3 62.4 60 61 285 278 292 B 50 1200 880 142 149 272 280 52.2 53.2 68 70 233 231 265 C 30 1150 900 173 179 292 288 59.2 62.2 63 62 309 288 292 C 30 1150 950 165 164 291 292 56.7 56.2 73 72 278 265 288 C 40 1150 900 161 145 272 273 59.2 53.1 53 53 309 275 286 D 40 1180 870 150 152 272 278 55.1 54.7 74 76 297 313 306 D 40 1180 920 142 148 280 279 50.7 53.0 82 79 318 306 310
从表3可见，本发明钢具有良好的屈服强度表现，屈服强度全部在目标要求的范围之内；具有优良的塑性，延伸率均超过50％；具有优良的冲击性能，0℃的全试样冲击功均在200J以上。
本发明钢可广泛应用于高层建筑、大型场馆及户外塔架等各种建筑的抗震阻尼器制作，提高建筑物的抗震性能。