CN102251171A

CN102251171A - 疲劳特性优异的厚钢板

Info

Publication number: CN102251171A
Application number: CN2011101346427A
Authority: CN
Inventors: 高冈宏行; 田村荣一
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2010-05-19
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2011-11-23
Anticipated expiration: 2031-05-16
Also published as: KR101314004B1; JP2011241454A; KR20110127613A; CN102251171B; JP5643542B2

Abstract

提供一种疲劳特性优异的厚钢板。含有C、Si、Mn、P、S、Al、N，钢组织中的位错密度为1×10¹⁰～10×10¹⁰(/cm²)，作为母材的强度与HAZ的强度的比的指标的(位错密度/10¹⁰)/D_I值为2.2以上、6.5以下，作为HAZ的均匀延伸率与HAZ的强度的比的指标的H值/D_I值为23以下。

Description

疲劳特性优异的厚钢板

技术领域

本发明涉及主要作为船舶、建筑物、桥梁等的结构用材料使用的厚钢板，特别是涉及疲劳特性优异的厚钢板。

背景技术

船舶、建筑物、桥梁等通常是通过焊接接合板厚6mm以上的厚钢板组装而成。在钢板的焊接部，因为容易发生应力集中而容易发生疲劳破坏。

作为改善疲劳特性的技术，可列举专利文献1～3。专利文献1是焊接热影响部的硬度值为母材或焊接金属的硬度低的任意一方的硬度的80％以上，以缓和焊接接头的应力集中。在专利文献2中，是通过减少焊接金属和焊接热影响部的硬度的差，从而抑制只在焊接金属和HAZ的单侧的应变集中，使疲劳强度提高。另外，专利文献3是通过减小焊接热影响部与母材的硬度的差，从而缓和应力、应变的集中，使焊接部的疲劳强度和耐应力腐蚀裂纹性提高。但是在专利文献1～3中，因为Si量多或Nb量、Mo量等多，所以疲劳特性和韧性不充分。

【专利文献1】特开2006-169602号公报

【专利文献2】特开平7-171679号公报

【专利文献3】特开2001-73071号公报

发明内容

本发明以提供一种疲劳特性优异的厚钢板为目的。

能够达成上述课题的本发明的厚钢板，其特征在于，含有C：0.02～0.15％(质量％的意思。下同)、Si：0.30％以下(含0％)、Mn：1.0～2.5％、P：0.015％以下(不含0％)、S：0.01％以下(不含0％)、Al：0.005～0.06％、N：0.0038～0.010％，并且余量为不可避免的杂质，钢组织中的位错密度为1×10¹⁰～10×10¹⁰(/cm²)，所述位错密度与下式(1)和(2)所表示的D_I值和H值满足如下关系：

H值/D_I值≤23和

2.2≤(位错密度/10¹⁰)/D_I值≤6.5，疲劳特性优异。

D_I值＝(C/10)^0.5×(1.7-0.09×6)×(0.7×Si+1)×F1×(0.35×Cu+1)×(0.36×Ni+1)×(2.16×Cr+1)×(3×Mo+1)×(1.75×V+1)×(200×F2+1) …(1)

其中，在上述(1)中，F1在

Mn＜1.2时，F1＝3.33×Mn+1

Mn≥1.2时，F1＝5.1×(Mn-1.2)+5

F2在

B-0.3(N-Ti×14/48)×11/14＜0时，F2＝0

B-0.3(N-Ti×14/48)×11/14≥0时，F2＝B-0.3×(N-Ti×14/48)×11/14

H值＝-153×C+112×Si-3×Mn-63×Cu+240×Al-15×Ni-305×Cr+1791×Mo-110×Nb-758×Ti-1929×B+1068×N+4

(上式(1)、(2)中，元素名称表示各元素含量(质量％)，有未含有的元素时，其含量按0质量％计算。)

本发明的厚钢板，根据需要也可以还含有如下：(a)从Cu：2％以下(不含0％)、Ni：2％以下(不含0％)、Cr：2％以下(不含0％)和Mo：0.6％以下(不含0％)之中选择的至少1种；(b)从V：0.1％以下(不含0％)、Nb：0.060％以下(不含0％)和Ti：0.1％以下(不含0％)之中选择的至少一种；(c)B：0.005％以下(不含0％)；(d)Ca：0.010％以下(不含0％)；(e)Mg：0.005％以下(不含0％)；(f)Zr：0.1％以下(不含0％)和/或Hf：0.05％以下(不含0％)；(g)REM：0.02％以下(不含0％)。

根据本发明，各种成分组成得到适当地调整，并且作为焊接热影响部的均匀延伸率的指标的H值和作为焊接热影响部的强度的指标的D_I值的比(H值/D_I值)、作为母材强度的指标的位错密度和作为母材强度的指标的位错密度与作为焊接热影响部的强度的比的指标的D_I值的比((位错密度)/D_I值)均得到适当控制，因此能够实现疲劳特性优异的厚钢板。

附图说明

图1是表示用于疲劳特性测量的试验片的概略图。

具体实施方式

在厚钢板的焊接部，通常，因为应力在焊趾部集中，所以疲劳破坏从焊趾部向焊接热影响部(以下称为“HAZ”)发生。本发明者们对于在该HAZ发生和进展疲劳破坏进行研究的结果发现，(i)如果使应力集中在HAZ与母材的边界线附近发生，并且(ii)如果减小HAZ的均匀延伸率，则能控制HAZ的疲劳的发生，其结果是能够使疲劳特性提高，从而完成了本发明。

首先，为了在HAZ与母材的边界线附近使应力集中，有效的是将母材的强度调整得低，并且调整母材的强度与HAZ的强度的平衡。

母材的强度与存在于母材中的位错密度具有相关关系，位错密度越多，母材的强度越上升。在本发明中，由于需要将母材的强度调整得低，所以将位错密度的上限定为10×10¹⁰(/cm²)，另外，母材的强度变得过低时，即位错密度过小时，母材发生疲劳破坏，因此，位错密度的下限定为1×10¹⁰(/cm²)。位错密度优选为2×10¹⁰～9×10¹⁰(/cm²)，更优选为3×10¹⁰～8×10¹⁰(/cm²)。

HAZ的强度与由下式(1)计算的D_I值具有相关关系。下式(1)的D_I值作为表示钢的淬火性的指标，是以一般性的理想临界直径为基础，基于本发明的化学成分组成下的实验加以修正的算式。

其中，在上述(1)中，F1在

Mn＜1.2时，F1＝3.33×Mn+1

Mn≥1.2时，F1＝5.1×(Mn-1.2)+5

F2在

B-0.3(N-Ti×14/48)×11/14＜0时，F2＝0

B-03(N-Ti×14/48)×11/14≥0时，F2＝B-0.3×(N-Ti×14/48)×11/14

在本发明中，为了在HAZ与母材的边界线附近使应力集中，与HAZ相比，要将母材的强度控制得充分地低，控制作为母材强度的指标的上述位错密度与作为HAZ的强度的指标的D_I值，使(位错密度/10¹⁰)/D_I值为6.5以下。(位错密度/10¹⁰)/D_I值优选为6.0以下，更优选为5.5以下。另一方面，若母材的强度过度降低，则母材发生疲劳破坏，因此(位错密度/10¹⁰)/D_I值为2.2以上。(位错密度/10¹⁰)/D_I值优选为2.5以上，更优选为3.0以上。

其次，对于HAZ的均匀延伸率进行说明。本发明中之所以减小HAZ的均匀延伸率，是由于通过减小HAZ的均匀延伸率而减少塑性变形，由此能够抑制HAZ的疲劳龟裂的发生。HAZ的均匀延伸率与下式(2)所表示的H值具有相关关系。

H值是实验性求得的HAZ的延伸率与合金元素的关系。一般来说，在钢材中，抗拉强度越高，均匀延伸率越低，但在本发明中，在本发明的HAZ的强度等级(约500～700MPa)下仍会达成低的均匀延伸率，这一点与现有技术不同。即，在本申请发明中，控制作为HAZ的均匀延伸率的指标的H值与作为HAZ的强度的指标的D_I值，使之满足H值/D_I值≤23的关系。H值/D_I值优选为20以上，更优选为15以下。另一方面，若H值/D_I值的值过小，则母材强度提高而韧性降低。因此H值/D_I值优选为3以上，更优选为5以上。

还有，在上式(1)、(2)中，元素名称表示各元素的含量(质量％)，有未含有的元素时，对于其含量按0质量％计算。

以下，对于本发明的厚钢板的化学成分进行说明。

C：0.02～0.15％

C是用于确保钢板的强度所必须的元素。因此使C量为0.02％以上。C量优选为0.03％以上，更优选为0.04％以上。另一方面，若C量变得过剩，则硬质的岛状马氏体(MA)大量生成，招致母材的韧性劣化。因此C量为0.15％以下。C量优选为0.13％以下，更优选为0.11％以下。

Si：0.30％以下(含0％)

Si不是必须元素，但其在通过固溶强化而确保强度方面是有用的元素。为了发挥这样的效果，优选使之含有0.05％以上，更优选为0.10％以上。另一方面，若Si量变得过剩，则硬质的岛状马氏体(MA)大量生成，招致母材的韧性劣化。因此Si量的上限为0.30％以下。Si量优选为0.27％以下，更优选为0.23％以下。

Mn：1.0～2.5％

Mn在确保钢板的强度上是有用的元素。因此Mn量为1.0％以上。Mn量优选为1.20％以上，更优选为1.40％以上。另一方面，若Mn量变得过剩，则HAZ的强度过度上升，韧性劣化。因此Mn量为2.5％以下。Mn量优选为2.3％以下，更优选为2.0％以下。

P：0.015％以下(不含0％)

P容易发生晶界破坏，是对韧性造成不良影响的杂质元素，因此优选其含量尽可能少。为了确保母材和HAZ韧性，P量为0.015％以下。P量优选为0.013％以下，更优选为0.010％以下。

S：0.01％以下(不含0％)

S形成Mn硫化物，是使母材韧性劣化的元素，因此优选其含量尽可能地少。为了确保母材的韧性，S量为0.01％以下。S量优选为0.008％以下，更优选为0.006％以下。

Al：0.005～0.06％

Al是作为脱氧剂有效的元素，并且也是发挥着由钢板的微组织化带来的疲劳强度提高效果的元素。因此Al量为0.005％以上。Al量优选为0.01％以上，更优选为0.02％以上。另一方面，若Al量变得过剩，则岛状马氏体(MA)大量生成，对疲劳特性带来不良影响。因此Al量为0.06％以下。Al量优选为0.05％以下，更优选为0.045％以下。

N：0.0038～0.010％

N与Al结合而形成氮化物，由此使钢板组织微细化，在确保母材和HAZ的韧性、疲劳特性上是有用的元素。因此N量为0.0038％以上。N量优选为0.0040％以上，更优选为0.0045％以上，进一步优选为0.0050％以上。另一方面，若N量变得过剩，则固溶N量增大而发生应变时效，由此母材和HAZ的韧性劣化。因此，N量为0.010％以下。N量优选为0.009％以下，更优选为0.008％以下。

本发明的厚钢板的基本成分如上所述，余量实质上是铁。但是，当然也允许含有因原料、物资、制造设备等的状况而混入的不可避免的杂质。此外，本发明的厚钢板也可以根据需要，还含有以下的任意元素。

从Cu：2％以下(不含0％)、Ni：2％以下(不含0％)、Cr：2％以下(不含0％)和Mo：0.6％以下(不含0％)之中选择的至少1种

Cu、Ni、Cr和Mo均是对钢板的高强度化有效的元素，该效果随着它们的含量增加而增大。从这样的观点出发，Cu量、Ni量、Mo量均优选为0.1％以上，更优选为0.2％以上。Cr量优选为0.2％以上，更优选为0.5％以上。另一方面，若这些元素变得过剩，则招致强度过大的上升，使母材和HAZ韧性劣化。因此Cu、Ni和Cr均优选为2％以下。Mo量优选为0.6％以下。Cu量和Ni量均优选为1.0％以下，更优选为0.8％以下。Cr量更优选为1.5％以下，进一步优选为1.3％以下。Mo量更优选为0.5％以下，进一步优选为0.4％以下。

从V：0.1％以下(不含0％)、Nb：0.060％以下(不含0％)和Ti：0.1％以下(不含0％)之中选择的至少一种

V、Nb和Ti均作为碳氮化物析出，抑制γ晶粒的粗大化，由此在使母材韧性良好的方面是有效的元素。因此V量、Nb量均优选为0.010％以上，更优选为0.020％以上。Ti量优选为0.010％以上，更优选为0.012％以上。另一方面，若V量、Nb量和Ti量变得过剩，则招致HAZ组织的粗大化，HAZ韧性劣化。因此V量和Ti量均优选为0.1％以下，更优选为0.08％以下，进一步优选为0.06％以下。Nb量优选为0.060％以下，更优选为0.050％以下，进一步优选为0.040％以下。

B：0.005％以下(不含0％)

B在使母材和HAZ的韧性提高上是有效的元素。因此B量优选含有0.0005％以上，更优选为0.0008％以上。另一方面，若B量变得过剩，则招致奥氏体晶界的BN偏析，使母材和HAZ的韧性劣化。因此B量优选为0.005％以下，更优选为0.0045％以下，进一步优选为0.0040％以下，更进一步优选为0.0020％以下。

Ca：0.010％以下(不含0％)

Ca控制硫化物的形态，是有助于HAZ的韧性提高的元素。因此Ca量优选为0.0005％以上，更优选为0.0010％以上。但是，若其含量变得过剩，则粗大夹杂物生成，母材和HAZ韧性劣化。因此Ca量优选为0.010％以下，更优选为0.0080％以下，进一步优选为0.0050％以下。

Mg：0.005％以下(不含0％)

Mg形成氧化物和氮化物，抑制奥氏体晶粒的粗大化，从而使HAZ特性(韧性)提高。因此Mg量优选为0.0005％以上，更优选为0.0010％以上。另一方面，若Mg量变得过剩，则夹杂物粗大化，韧性劣化。因此，Mg量优选为0.005％以下，更优选为0.0040％以下，进一步优选为0.0030％以下。

Zr：0.1％以下(不含0％)和/或Hf：0.05％以下(不含0％)

Zr和Hf均形成氮化物而使奥氏体晶粒微细化，在HAZ韧性改善上是有效的元素。因此，Zr量优选为0.001％以上，更优选为0.002％以上。Hf量优选为0.0010％以上，更优选为0.0015％以上。另一方面，若Zr量和Hf量变得过剩，则反而使HAZ特性劣化，因此Zr量优选为0.1％以下，Hf量优选为0.05％以下。Zr量更优选为0.05％以下，进一步优选为0.02％以下。Hf量更优选为0.03％以下，进一步优选为0.02％以下。

REM：0.02％以下(不含0％)。

REM(稀土类元素)控制夹杂物的形态，是有助于母材和HAZ的韧性提高的元素。因此，REM量优选为0.005％以上，更优选为0.010％以上。另一方面，若REM变得过剩，则氧化物变得粗大化，由此使母材和HAZ的韧性劣化。因此，REM量优选为0.02％以下，更优选为0.018％以下。还有，在本发明中，REM属于元素周期表3族的钪(Sc)、钇(Y)和镧系稀土类元素(原子编号57～71)的元素均能够使用。

本发明的厚钢板的板厚没有特别限定，但优选为6mm以上，更优选为10mm以上(特别优选15mm以上)。

制造本发明的厚钢板的方法没有特别限定，但是在熔炼钢并进行铸造后，实施热轧这样的厚钢板的一系列的制造工序中，在确保上述位错密度的基础上，特别是优选适当控制热轧的累积压下率和热轧后的冷却速度。

优选使热轧的累积压下率为70％以上，更优选为75％以上。另外热轧后的冷却速度优选为1～12℃/秒，更优选为3～10℃/秒。将成分组成适当调整至上述范围，并且调整所述累积压下率和所述冷却速度，由此能够使位错密度成为1×10¹⁰～10×10¹⁰(/cm²)，更优选为3×10¹⁰～8×10¹⁰(/cm²)，并且能够使(位错密度/10¹⁰)/D_I值为2.5～6.5。

实施例

以下，列举实施例更具体地说明本发明，但本发明当然不受下述实施例限制，在能够符合前后述的宗旨的范围内当然也可以加以变更实施，这些均包含在本发明的技术范围内。

遵循通常的熔炼方法，熔炼具有表1、2所示的化学成分组成的钢，进行铸造(240mm厚)后，以表3、4所示的条件进行热轧(热轧的累积压下率：约83％)而得到钢板(40mm厚)。

【表1】

【表2】

对于各钢板，遵循以下的要领，测量母材的位错密度、HAZ强度(TS)和HAZ的均匀延伸率(UE)，HAZ韧性和疲劳特性(疲劳寿命)。

(1)位错密度的测量

从各钢板的t/4位置(t：板厚)附近提取25mm×25mm×10mm大小的试验片，电解研磨与轧制面平行的面作为测量面，使用X射线衍射法测量位错密度。更具体地说，就是遵循CAMP-ISIJ vol.17(2004)p.396-399所述的方法，根据(200)面的半值宽度测量位错密度。

(2)HAZ强度、HAZ韧性和HAZ的均匀延伸率的测量

从所得到的各钢板的t/4位置(t：板厚)附近提取JIS 14A号试验片，施加最高加热温度：1200℃、800℃～500℃的冷却时间Tc：100秒的条件的热循环后，遵循JIS Z2241进行拉伸试验，测量HAZ的抗拉强度(TS)、和均匀延伸率(UE)。试验装置使用岛津制造所制AG-IS 250kNォ一トグラフ拉伸试验机，试验温度为室温。

关于HAZ韧性，是从各钢板的t/4位置(t：板厚)提取JIS Z3111所规定的4号V切口试验片，其后施加与上述拉伸试验片同样的热过程后，遵循JIS 2242求得-15℃下的吸收能(vE_-15)。HAZ韧性评价为，vE_-15为47J合格，低于47J不合格。

(3)疲劳特性的测量

从各钢板的t/4位置(t：板厚)提取图1所示的形状的试验片，只对切口周边部以与上述(2)大致相同的热过程的方式进行部分加热，使用岛津制造所制±50kN电液伺服式疲劳试验机，按以下的条件进行疲劳试验。疲劳特性受到HAZ强度的影响，为了排除其影响，根据试验应力/HAZ强度为0.5时的龟裂发生循环数评价疲劳特性。

试验环境：室温，大气中

控制方法：载荷控制

控制波形：正弦波

应力比：R＝0.1

试验速度：10Hz

结果与母材的抗拉强度(TS)和(位错密度/10¹⁰)/D_I的值一起显示在表3、表4中。

【表3】

【表4】

No.1～8、12、13、18～21因为成分组成和制造条件得到适当调整，所以能够实现优异的疲劳特性。

另一方面，No.9～11、14～17、22～40因为成分组成和制造条件之中至少某一项不恰当，所以疲劳特性降低。

No.9～11均是Si量多，H值/D_I值的值变大，因此疲劳特性降低。No.14～16均是Si量多，No.17是H值/D_I值的值变大，因此疲劳特性降低。

No.22～24因为(位错密度/10¹⁰)/D_I值的值高，所以疲劳特性降低。

No.25因为C量少，所以H值/D_I值和(位错密度/10¹⁰)/D_I值的值高，No.26因为C量多，HAZ韧性降低，因此疲劳特性降低。

No.27因为Mn量少，H值/D_I值和(位错密度/10¹⁰)/D_I值的值高，因此疲劳特性降低。No.28因为Mn量多，所以(位错密度/10¹⁰)/D_I的值高，因此疲劳特性降低。

No.29、30分别因为P量、S量多，HAZ韧性降低，所以疲劳特性降低。No.31因为Al量少，No.32因为Al量多，所以HAZ韧性降低，疲劳特性均降低。

No.33因为N量少，HAZ韧性降低，No.34因为N量多，HAZ韧性降低，所以疲劳特性均降低。

No.35因为热轧后的冷却速度慢，(位错密度/10¹⁰)/D_I值的值变低，所以疲劳特性降低。No.36热轧后的冷却速度快，(位错密度/10¹⁰)/D_I值的值变高，因此疲劳特性降低。

No.37因为Nb量多，并且(位错密度/10¹⁰)/D_I值的值大，No.38因为Mo量多，并且，H值/D_I值的值大，No.39因为Ti量多，No.40因为V量多，所以HAZ韧性降低，疲劳特性均降低。

Claims

1.一种疲劳特性优异的厚钢板，其特征在于，以质量％计含有C：0.02～0.15％、Si：0.30％以下且含0％、Mn：1.0～2.5％、P：0.015％以下但不含0％、S：0.01％以下但不含0％、Al：0.005～0.06％、N：0.0038～0.010％，并且余量为不可避免的杂质，

钢组织中的位错密度为1×10¹⁰～10×10¹⁰(/cm²)，

所述位错密度与由下式(1)和(2)所表示的D_I值和H值满足如下关系：

H值/D_I值≤23；和

2.2≤(位错密度/10¹⁰)/D_I值≤6.5，

其中，在上述(1)中，F1在

Mn＜1.2时，F1＝3.33×Mn+1

Mn≥1.2时，F1＝5.1×(Mn-1.2)+5

F2在

B-0.3×(N-Ti×14/48)×11/14＜0时，F2＝0

B-0.3×(N-Ti×14/48)×11/14≥0时，F2＝B-0.3×(N-Ti×14/48)×11/14

上式(1)、(2)中，元素名称表示各元素的质量百分比含量，在有未含有的元素时，其含量按0质量％计算。

2.根据权利要求1所述的疲劳特性优异的厚钢板，其特征在于，所述厚钢板作为其他元素，以质量％计还含有从以下(A)～(G)中选出的至少一组：

(A)从Cu：2％以下但不含0％、Ni：2％以下但不含0％、Cr：2％以下但不含0％和Mo：0.6％以下但不含0％中选择的至少1种元素；

(B)从V：0.1％以下但不含0％、Nb：0.060％以下但不含0％和Ti：0.1％以下但不含0％中选择的至少一种元素；

(C)B：0.005％以下但不含0％；

(D)Ca：0.010％以下但不含0％；

(E)Mg：0.005％以下但不含0％；

(F)Zr：0.1％以下但不含0％、Hf：0.05％以下但不含0％中的至少一种元素；

(G)REM：0.02％以下但不含0％。