CN1165633C - 抗疲劳龟裂扩展性优良的钢材及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了对于能重复软化的材料可以进行定量表示其耐疲劳特性的材料设计的结构钢及其制造方法。这种结构钢，将最大拉伸·压缩应变为±0.012、重复速度为0.5Hz、达到最大应变的波数为12的渐增·渐减重复负荷施加15次时，用第一次的最大应变时的应力σ1与第15次的最大应变时的应力σ15之比σ15/σ1来表示的重复软化参数在0.65以上，0.95以下。该结构钢含有，C：0.02～0.20%、Si：0.60%以下、Mn：0.50～2.0%、Al：0.003～0.010%，根据情况也可以含有少量的Cu、Ni、Cr、Mo、V、Nb、Ti、B及Ca中的1种或2种以上，且用下式表示的碳当量Ceq值为0.28～0.65%：Ceq(%)＝C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14。

Description

抗疲劳龟裂扩展性优良的钢材及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种适用于如船舶、海洋结构物、桥梁、建筑物、油罐、产业用·建筑用机械等接受重复负荷的器械的抗疲劳龟裂扩展性优良的结构钢及其制造方法。
背景技术
由于经常受到重复负荷，对于用在船舶、海洋结构物、桥梁、建筑物、油罐、产业用·建筑用机械等的钢材必须注意其疲劳特性，以确保其安全性。众所周知，环境条件对钢材的疲劳破坏的影响很大，在海水等有腐蚀性的环境中受到重复应力，会使钢材强度有所削减。
钢材的疲劳过程大体上可分为应力集中部位的龟裂发生和龟裂扩展这两个不同性质的阶段。通常的机械零件中认为宏观龟裂的发生就是其使用极限，几乎不进行允许龟裂扩展的设计。但是对于冗余度高的结构物，即使发生疲劳龟裂也不会立即导致破坏。因此，如果在疲劳龟裂导致最终破坏之前在定期检查中能够发现并维修龟裂部位、或在使用期间内龟裂不会增长到导致最终破坏的长度，则即使发生疲劳龟裂，结构物也可表现出足够的耐用性。
对于焊接结构物，存在很多充当应力集中部位的焊趾部，完全防止疲劳龟裂的发生在技术上几乎是不太可能，且从经济上讲也不是上策。因此，关键是尽量延缓龟裂扩展的速度，并大幅度延长龟裂已存在状态下的疲劳寿命(预寿命)。
关于停止钢材疲劳扩展，以求疲劳寿命的延长化的方法，特开平5-185441号公开了使疲劳龟裂顶端发生微裂纹的方法。但此方法的有效性限于ΔK(最大应力扩大系数与最小应力扩大系数之差)范围较小的情况，即裂纹不长，且应力水平低的情况；对发生于焊接部位，并具有一定长度且ΔK范围为中等程度的龟裂其效果较小。
在特开平4-337026号中作为疲劳强度与抗疲劳龟裂增长性优良的高强度热轧钢板的制造方法，公开了通过控制磷及铜的含量形成铁素体结晶粒径为5～25μm、第二相体积分率为10～30％的二相组织的方法。但此公报中的抗疲劳龟裂增长性是指疲劳龟裂扩展的下限应力扩大系数范围(ΔKth)，虽对提高疲劳龟裂扩展的下限应力扩大系数有效果，但并不是对迟缓疲劳龟裂扩展速度有效的技术。
在日本特许第2692134号中，公开了由构成硬质部的基质与分散于基质中的软质部形成且此两部分硬度差为维氏硬度150以上，并具有抑制疲劳龟裂扩展效果的钢板。但该特许中没有示出钢的机械特性。另外，该技术只能适用于能明确区分硬质部与软质部组织的情况。一般为了提高强度与韧性需要进行组织细微化，所以并不一定能明确区分硬质部与软质部组织，且能测定其硬度差。
在特开平2001-41868号中，公开了对20％以上为贝氏体组织的钢材，根据用-4～-0.25应力比、交变脉冲波形施加控制应变的重复负荷时的软化量(重复软化参数)来评价疲劳龟裂扩展速度的方法。按照该方法，如果预先作出重复软化量与疲劳龟裂扩展速度的相关基本曲线，就可以从重复软化量迅速并有效地评价出疲劳龟裂扩展速度。
但这只是一种评价方法，并不能提供符合此评价的优良钢。而且，也没有说明作为结构钢是否具有充分的强度、韧性和焊接性。
众所周知，受到重复应变的条件下，相对于退火材所发生的固化，含固化组织的钢材会发生软化(即，表示“重复软化”)。像这样能重复软化的钢材，因其耐疲劳特性的本质还没有被解释清楚，所以也没有确立工业上的设计基准。其结果，这种材料一直未被使用于发挥其耐疲劳特性的领域。
发明内容
本发明的目的是提供对于能重复软化的材料可以进行定量表示其耐疲劳特性的材料设计的结构钢及其制造方法。
根据本发明，以对包括在重复应变条件下的软化行为在内的钢材的耐疲劳特性的研究为基础，提供了抗疲劳龟裂扩展性优良的钢材及其制造方法。该钢材兼备了适用于船舶、海洋结构物、桥梁、建筑物、油罐等的结构钢所需的最佳的强度·韧性及焊接性。
本发明中的抗疲劳龟裂扩展性优良的钢材，在施加最大拉伸·压缩应变为±0.012、重复速度为0.5Hz、达到最大应变前的频率为12的渐增·渐减重复负荷15次时，以第1次的最大应变时的应力σ1与第15次的最大应变时的σ15之比σ15/σ1来表示的重复软化参数在0.65以上、0.95以下。
该钢材最好具有以下组成：
含有C：0.02～0.20％(质量％，以下同)、Si：0.60％以下、Mn：0.50～2.0％、Al：0.003～0.10％，根据情况也可以再含有选自下述(A)～(D)的1种或2种以上的元素，且用下式表示的碳当量Ceq值为0.28～0.65％。Ceq(％)＝C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14
(A)Cu：1.5％以下、Ni：1.5％以下、Cr：1.20％以下、Mo：1.0％
以下、及V：0.10％以下中的一种或两种以上，
(B)Nb：0.10％以下及Ti：0.10％以下的一种或两种，
(C)B：0.0003～0.0020％、以及
(D)Ca：0.0005～0.010％。
本发明的抗疲劳龟裂扩展性优良的钢材，可用下述的任何一种方法来制造。
(a)进行1次以上的将经热加工的具有上述组成的钢材，再加热到Ac1点以上，然后以5℃/s以上的冷却速度冷却到550℃以下的热处理的方法，
(b)将经热加工的具有上述组成的钢材，从(Ar3点-100)℃以上、(Ar3点+150)℃以下的温度域，以5℃/s以上的冷却速度冷却到550℃以下的方法，
(c)进行1次以上的将经热加工的具有上述组成的钢材，从(Ar3点-100)℃以上、(Ar3点+150)℃以下的温度域，以5℃/s以上的冷却速度冷却到550℃以下后，再加热到Ac1点以上，然后以5℃/s以上的冷却速度冷却到550℃以下的热处理的方法。
以上各种方法都可在最后进行加热到Ac1点以下温度后回火的热处理。
附图说明
图1为表示渐增·渐减应变波形的图。
图2为表示重复软化参数与疲劳龟裂扩展速度的关系的图表。
图3为表示根据有限元法分析求得的疲劳龟裂顶端上的应变量的图表。
具体实施方式
下面将详细说明本发明。在以下说明中如没有特别注明，％指质量％。
本发明有关于施加重复应变条件下的钢材软化程度的评价，所以本发明作为对象的钢材具有受到重复应变时发生软化的组织(即固化组织)。
具有固化组织的钢材由重复应变发生软化，此时显示出重复应变参数σ15/σ1与通常使用的应力扩大系数范围(ΔK)＝20MPa·m0.5范围内的疲劳龟裂扩展速度(da/dN)相关，从而判定出可用于疲劳龟裂扩展速度的评价。
如果重复软化参数降到0.65以下，则龟裂扩展速度会变迟缓，但钢材的韧性和焊接性也会劣化，作为结构钢的用途将受到显著的限制。另一方面，若重复软化参数升到0.95以上，则不仅龟裂扩展速度会变快，也会引起强度的削减。所以重复软化参数设定为0.65以上、0.95以下。重复软化参数优选在0.70以上，0.90以下。
下面说明本发明中所采用的重复软化参数σ15/σ1。
为了求重复软化参数而负荷于钢材的应变波形，是用于评价钢材的重复软化量，所以选用拉伸与压缩交替作用的交变脉冲波形。设此波形为渐增·渐减波形、重复速度为0.5Hz、应变渐增后的应变范围为0.024(最大拉伸·压缩应变＝±0.012)。所谓0.5Hz的重复速度是考虑对内部发热的抑制而设定的。0.024的应变范围是根据通常使用的应力扩大系数范围(ΔK)为20MPa·m0.5而设定的。还设定在应变渐增过程中12波时达到最大应变，而在应变渐减过程中12波时应变量成零。将该渐增·渐减过程为一组，以下用称作“方块”的单位来表示。
图1表示以时间(sec)为横轴，应变量为纵轴时的应变波形。图示的只是第1、第2方块，但方块数共有15个，即相同的渐增·渐减波形重复15次。15次的次数是考虑由重复应变所发生的软化效果到15次时大致饱和而设定的。
以与第1方块的最大应变对应的应力为σ1，与第15方块的最大应变对应的应力为σ15，将σ15/σ1值定义为重复软化参数。
图2时表示如此定义的重复软化参数与疲劳龟裂扩展速度之间关系的图表，如前所述，此类因子间存在一定的关系。
此作用过程可认为如下：
若给钢材施加拉伸·压缩正负交变的重复负荷，则疲劳龟裂顶端发生位错的反转运动，会引起位错的移动和消毁，所以会软化。由软化导致疲劳龟裂顶端的应变缓和，疲劳龟裂扩展的驱动力减小。
用有限元法来分析了此疲劳龟裂顶端的应变缓和现象。预想一个重复软化材为疲劳龟裂周围被软化部覆盖的单元分割，负荷着龟裂顶端的应力扩大系数范围为20MPa·m0.5的负载的模型。
图3示出了对均质材与重复软化材的疲劳龟裂顶端的应变作比较的结果。可确认重复软化材的疲劳龟裂顶端的应变比均质材的应变要小。由此认为对重复软化材来讲，作用于龟裂顶端的应变被缓和，正是有助于对疲劳龟裂扩展的抑制。
在本发明中，对于大气中的疲劳试验，以应力扩大系数范围为20MPa·m0.5的钢材的疲劳龟裂扩展速度(da/dN)在4.0×10-5mm/周期以下为目标。
关于最佳的技术方案，本发明的钢材具有上述组成。下面说明其理由。C：0.02～0.20％
碳(C)是确保结构材强度的有效元素。若其含量不足0.02％则很难得到提高强度的效果。另一方面，若C含量超过0.20％，会降低焊接性，难以进行焊接施工，作为结构钢的使用领域受明显的限制。若要确保高强度的同时也确保焊接性，C含量最好在0.04～0.15％。
Si：0.60％以下
硅(Si)具有脱氧作用。但其含量若超过0.60％，则韧性会劣化。Si含量最好在0.05～0.5％。
Mn：0.50～2.0％
锰(Mn)是确保强度的有效元素。若锰含量不足0.50％则其效果不够充分。另一方面，若锰含量超过2.0％则韧性会劣化。锰含量最好在0.70～1.8％。
Al：0.003～0.10％
铝(Al)具有脱氧作用。若Al含量不足0.003％则效果不够充分，因钢中的氧化物增加其韧性会劣化。另一方面，Al含量超过0.10％韧性也会下降。Al含量最好在0.010～0.050％。
本发明中的钢材中除了上述成分元素外，还可以再含有所定量的由下述群中选出的至少1种元素。
(A)Cu、Ni、Cr、Mo、及V中的至少一种，
(B)Nb和/或Ti，
(C)B，
(D)Ca。
Cu：1.5％以下
铜(Cu)是确保强度及改善耐腐性的有效元素。但Cu含量超过1.5％则引起韧性的劣化。添加时Cu含量最好在0.10～1.0％。
Ni：1.5％以下
镍(Ni)是确保强度并改善韧性的有效元素。但如果Ni含有量超过1.5％，不仅其效果会达到饱和，也会导致成本的上升。添加时Ni含量最好在0.05～1.3％。
Cr：1.2％以下
铬(Cr)与Cu相同，是确保强度、改善耐腐性的有效元素。但Cr含量超过1.2％会引起韧性的劣化。添加时Cr含量最好在0.10～1.0％。
Mo：1.0％以下
钼(Mo)是提高淬火性，改善强度的有效元素。但Mo含量超过1.0％则不但引起韧性劣化，也会导致成本上升。添加时Mo含量最好在0.050～0.80％。
V：0.10％以下
钒(V)有提高强度的作用，作为结构钢为了确保高强度含V也可以。但含V超过0.10％，则引起韧性的劣化。添加时V含量最好在0.010～0.080％。
Nb：0.10％以下
铌(Nb)是确保韧性的有效元素。但Nb含量超过0.10％，反而韧性会降低。添加时Nb含量最好在0.020～0.050％。
Ti：0.10％以下
钛(Ti)与Nb相同，是确保韧性的有效元素。但含Ti超过0.10％，反而韧性会降低。添加时Ti含量最好在0.010～0.050％。
B：0.00030～0.020％
硼(B)是提高淬火性，控制铁素体量的有效元素。但其含量若不足0.00030％则效果不够充分。另一方面，若B含量超过0.0020％，则会引起韧性的劣化。添加时B含量最好在0.00080～0.0015％。
Ca：0.00050～0.010％
钙(Ca)是使非金属夹杂物球状化，并改善韧性的有效元素。但含量不足0.00050％，其效果不够充分。另一方面，Ca含量超过0.010％，会大量生成CaO、CaS等夹杂物，会使韧性劣化。添加时Ca含量最好在0.0010～0.0050％。
碳当量(Ceq)：0.28～0.65％
Ceq＝C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14。
用上式所表示的碳当量Ceq值是评价钢材的淬火性和焊接性的指标，一般被广泛采用。但Ceq只是作为想得到具有所需的机械特性及焊接性的钢材时的指标而被使用，没发现调查与抗疲劳龟裂扩展性之间关系的研究。
为了抑制疲劳龟裂扩展，并满足作为结构钢的一般强度特性：拉伸强度TS为500N/mm2以上，0℃下的摆锤式冲击吸收能值vE0为27J以上等条件，必须使组织进行细微化(而不是粗大化)。本发明人发现对具有微细组织的钢来讲，Ceq值不仅有关于机械特性和焊接性，也与疲劳龟裂扩展速度有关。
即，若Ceq不足0.28％，不仅强度会削减，重复软化量也会变小，所以疲劳龟裂扩展速度不会充分变小。另一方面，若Ceq超过0.65％，虽然疲劳龟裂扩展得到了抑制，但会引起焊接性的劣化，焊接施工变得很困难，其用途也受到明显的限制。所以将Ceq范围定在0.28～0.65％。Ceq范围最好在0.30～0.63％。
下面对本发明中的钢材制造方法进行说明。
根据连续铸造法准备具有上述钢组成的钢片，并进行热轧。通过控制所得热轧钢板的热轧后的冷却速度和/或进行热处理，可得到重复软化参数被调整到0.65以上0.95以下的钢材。
热轧本身并没有特别的限制，用惯用条件进行即可。本发明中的钢材，一般是热轧钢板的形态，但根据用途可以采取型钢、棒材、管材等其他形式。而且，代替热轧进行其他热处理也可以。
热轧后，如下所述，进行Ac1点以上的再加热与急速冷却的热处理，或将热轧后的冷却改为急速冷却，或两者都进行，则可得到含有固化组织且重复软化参数为0.65～0.95的钢材。其后进行后述的回火也可以。
热处理(热轧后的再加热与急速冷却)：
使热轧后的钢材的再加热温度达到Ac1点以上。若再加热温度不足Ac1点，不能引起奥氏体变形，所以不能得到具有所希望的重复软化参数的钢材，会引起疲劳龟裂扩展特性的下降。再加热温度最好在(Ac1点+100～300)℃的温度范围内。
将再加热后的冷却速度定为5℃/s以上。若冷却速度不足5℃/s，则冷却会变慢，会引起疲劳龟裂扩展速度的增加、强度和韧性的削减。再加热后的冷却速度最好在10℃/s以上。冷却速度没有特定的上限，但也依赖于钢材的大小(钢板时是厚度)。例如板厚为10mm以下，则可使冷却速度大于50℃/s。
将停止急速冷却的温度定为550℃以下。若冷却停止温度升到550℃以上，则会引起疲劳龟裂扩展速度的增加，即重复软化特性的降低。冷却停止温度最好在450℃以下。
进行上述再加热和急速冷却的热处理根据需要可进行2次以上。为了保持由此生成的固化组织，在热处理后除了后述的回火，不再进行热处理。
热轧后的急速冷却：
热轧后，只要使钢材从(Ar3点-100)℃以上，(Ar3点+150)℃以下温度急速冷却，就可得到重复软化参数为0.65～0.95的钢材。
与上述再加热后冷却的理由相同，在该热轧后的急速冷却中，将冷却速度定为5℃/s以上，冷却停止温度为550℃以下。
急速冷却的开始温度若低于(Ar3点-100)℃，则会引起重复软化特性的降低与强度的削减。另一方面，若该冷却温度高于(Ar3点+150)℃，奥氏体粒径会粗大化，会引起韧性的劣化。冷却开始温度最好在(Ar3点-50)℃以上，(Ar3点+100)℃以下。
在热轧后进行上述急速冷却之后，也可以重复1次以上的进行所述Ac1点以上再加热与急速冷却的热处理。
回火：
对如上所述的热轧后和/或再加热之后急速冷却的钢材，最后也可以进行回火。尤其是，当上述处理中的冷却速度较大(如50℃以上)时，由于回火的韧性提高度大，所以最好是进行回火。回火温度为Ac1点以下。若回火温度超过Ac1点，会发生奥氏体变形，引起重复软化特性的降低与强度和韧性的削减。回火温度最好是550℃以下。
本发明的钢材具有0.65～0.95范围的重复软化参数，但本领域技术人员仅从以上说明就能理解到，重复软化参数可由热处理和冷却条件和/或Ceq来调整。
根据本发明，由于可以定量评价钢材的耐疲劳特性，因此可以利用该评价进行材料设计，另外利用它提供抗疲劳龟裂扩展性优良的钢材也变为可能。此外，该钢材在含氯或氯化物离子的水环境下也可显示出优良的性能。从而适用于船舶、海洋结构物、桥梁、建筑物、油罐、产业用·建筑用机械等各种结构物。
实施例
实施例1
将具有表1所示化学组成及Ceq的钢，用常用法在试验炉中进行熔炼。表1也示出各钢的Ar3点与Ac1点的值。
以各种钢采用通常的热锻作成150mm厚的钢片。把该钢片加热到1150℃进行热轧，作成具有表1所示板厚的钢板。
对该钢板进行了下述处理。
对于板厚在10mm以下的钢1、2及13，将热轧后的钢板再加热到(Ac1点+200)℃，然后以60℃/s的冷却速度冷却到室温的处理进行一次后，400℃下进行回火。
对于钢3～12及钢14～28，热轧后从(Ar3点+50)℃，板厚15mm时以30℃/s，板厚25mm时以20℃/s，板厚40mm时以10℃/s，板厚50mm时以5～8℃/s范围的冷却速度分别冷却到450℃。没有进行回火处理。
从这些钢片挑取能评价板厚中心部位的合适的试验片，供重复软化试验、疲劳龟裂扩展试验、拉伸试验及摆锤式冲击试验使用。
重复软化试验采用从板厚中心部位采取的长度方向与压延方向一致的，直径为6～8mm，平行部分长度为15mm的圆棒试验片，在室温大气中，用完全交变脉冲波形来进行。在此试验片平行部位安装计量长度为12.5mm的延伸仪，以该延伸仪为传感器，对试验片施加控制应变的轴向力负荷。使用的试验机是电动液压式闭循环型疲劳试验机，应变波形是渐增·渐减类型的增量分步(incremental step)波形。重复速度为0.5Hz，应变范围为0.024，应变渐增过程中12波时达到最大应变，应变渐减过程中12波时应变归为零(参考图1)。
如前所述，将此渐增·渐减过程的一组称为“方块”，与第1方块的最大应变对应的应力为σ1，与第15方块的最大应变对应的应力为σ15进行测定，并将σ15/σ1值作为重复软化参数来求出。
疲劳龟裂扩展试验中，采用龟裂扩展方向垂直于轧制方向的CT(compact)试验片，以25Hz的重复速度，在应力比(最小应力/最大应力)为0.1的负荷条件下，在室温大气中，以ASTM规格(E647)为基准进行。
疲劳龟裂扩展速度是以龟裂顶端的应力扩大系数范围ΔK为20MPa·m0.5的扩展速度来求得。根据以往材料的疲劳龟裂扩展速度为5～6×10-5mm/周期，将目标疲劳龟裂扩展速度定为4.0×10-5mm/周期以下。
拉伸试验是采用使长度方向垂直于轧制方向从板厚中心部位采取的JIS Z2201(1998)所记载的4号试验片来进行的。
摆锤式冲击试验是采用使长度方向相同于轧制方向从板厚中心部位采取的JIS Z2202(1998)所记载的V缺口冲击试验片来进行的。各试验温度下各试验3次，求出脆性-延展性的断面转变温度(vTrs)。
上述各试验结果示于表2。表中拉伸试验与摆锤式冲击试验的标记○、△、×的含义如下。拉伸试验中，拉伸强度为500Mpa以上时标○，500Mpa以下时标△。
摆锤式冲击试验中，脆性-延展性的断面转变温度(vTrs)为-20℃以下时标○，超过-20℃且低于0℃时标△，超过0℃时标×。若材料的vTrs为-20℃以下，则0℃下的吸收能平均值在150J以上，-20℃下的吸收能平均在100J以上。
表1                                                                                                                                                                                                               (其余：Fe)
    钢No     C(％)     Si(％)     Mn(％)   Cu(％)     Ni(％)     Cr(％)   Mo(％)     V(％)   Nb(％)     Ti(％)     Al(％)     B(％)     Ca(％)     Ceq(％)     板厚(mm)     Ar3(℃)     Ar1(℃)
    1     0.09     0.23     1.10   -     -     -   -     -   -     -     0.027     -     -     0.283     8     794     694
    2     0.10     0.30     1.30   -     -     -   -     -   -     -     0.031     -     -     0.329     10     776     691
    3     0.09     0.22     1.46   -     -     -   -     -   0.014     0.018     0.025     -     -     0.343     15     768     688
    4     0.06     0.44     1.51   -     -     0.16   -     -   0.025     0.018     0.024     -     -     0.362     25     774     688
    5     0.06     0.45     1.50   -     -     0.16   0.15     -   0.026     0.012     0.031     -     -     0.398     50     772     687
    6     0.08     0.30     1.54   -     -     -   0.14     0.057   0.034     0.017     0.024     -     -     0.388     40     762     685
    7     0.06     0.18     1.38   0.26     0.27     0.12   0.29     0.039   0.039     0.018     0.025     -     -     0.404     40     747     682
    8     0.05     0.11     1.47   0.32     0.29     -   -     -   0.011     -     0.025     0.0010     -     0.307     25     761     681
    9     0.07     0.13     1.62   0.28     0.21     -   -     0.045   0.031     0.015     0.021     -     0.0024     0.354     25     748     681
    10     0.05     0.05     1.55   -     -     0.92   0.58     -   -     0.013     0.025     0.0011     -     0.641     50     725     691
    11     0.12     0.12     0.95   -     -     0.73   0.25     0.041   -     0.019     0.022     0.0009     -     0.495     50     781     704
    12     0.14     0.17     1.08   -     -     0.63   0.34     0.035   0.016     0.022     0.035     0.0010     -     0.541     50     758     700
    13     0.05     0.12     1.02   -     -     -   -     -   -     -     0.032     -     -     0.225     10     814     695
    14     0.11     0.42     1.53   -     -     0.92   0.55     -   -     0.022     0.035     0.0011     -     0.704     50     710     693
    15     0.01     0.43     1.55   -     -     -   -     -   -     -     0.035     -     -     0.286     25     789     685
    16     0.25     0.45     1.22   -     -     -   -     -   -     -     0.027     -     -     0.472     25     741     695
    17     0.10     0.72     1.23   -     -     -   -     -   -     -     0.027     -     -     0.335     25     787     692
    18     0.14     0.35     0.40   23     0.23     0.13   0.35     -   -     -     0.033     -     -     0.341     25     793     701
    19     0.11     0.43     2.13   -     -     -   -     -   -     -     0.035     -     -     0.483     25     711     676
    20     0.07     0.51     1.47   -     -     -   -     -   -     -     0.115     -     -     0.336     25     777     687
    21     0.09     0.22     1.45   -     -     -   -     -   0.120     0.018     0.025     -     -     0.341     25     772     688
    22     0.08     0.42     1.38   -     -     -   -     -   0.025     0.110     0.032     -     -     0.328     25     781     689
    23     0.11     0.44     0.83   -     -     1.25   -     -   0.025     0.018     0.024     -     -     0.517     25     797     714
    24     0.10     0.45     0.75   -     -     0.16   1.10     -   0.026     0.012     0.031     -     -     0.551     25     735     692
    25     0.05     0.22     0.65   1.60     0.83     -   -     -   0.011     -     0.025     0.0010     -     0.188     25     771     686
    26     0.10     0.30     0.91   -     -     -   0.15     0.112   0.034     0.017     0.024     -     -     0.310     25     800     696
    27     0.07     0.21     1.12   0.32     0.29     -   -     -   0.011     -     0.025     0.0025     -     0.273     25     782     688
    28     0.07     0.13     1.42   0.23     0.21     -   -     0.058   0.028     0.012     0.023     -     0.011     0.321     25     765     684
表2
钢No     重复软化参数σ15/σ1   疲劳龟裂扩展速度(×10-5mm/周期) 拉伸试验 摆锤式冲击试验
    1     0.935   3.84     ○     ○
    2     0.927   3.77     ○     ○
    3     0.889   3.16     ○     ○
    4     0.863   2.87     ○     ○
    5     0.820   1.92     ○     ○
    6     0.845   2.38     ○     ○
    7     0.811   1.72     ○     ○
    8     0.931   3.88     ○     ○
    9     0.881   2.99     ○     ○
    10     0.657   0.42     ○     ○
    11     0.738   1.12     ○     ○
    12     0.712   0.83     ○     ○
    13     0.869   3.64     △     ○
    14     0.624   0.21     ○     △
    15     0.980   4.95     △     ○
    16     0.788   1.34     ○     △
    17     0.921   3.54     ○     △
    18     1.092   5.95     △     ○
    19     0.776   1.68     ○     △
    20     0.882   3.25     ○     △
    21     0.886   3.22     ○     △
    22     0.925   3.57     ○     ×
    23     0.775   1.58     ○     △
    24     0.764   1.60     ○     △
    25     1.120   6.32     ○     ×
    26     0.930   3.78     ○     △
    27     1.052   5.67     ○     △
    28     0.934   3.76     ○     △
如表2所示，钢15、18、25、27的重复软化参数超出了本发明的规定范围，大气中的疲劳龟裂扩展速度较大；钢14的重复软化参数过小，因此冲击特性不太好。钢13、16、17、19～24、26及28的重复软化参数及疲劳龟裂扩展速度均良好，但钢的强度或冲击特性稍差。
实施例2
采用重复软化参数、疲劳龟裂扩展速度、拉伸强度、vTrs均达目标的实施例1的钢4(Ac1点：688℃，Ar3点：774℃)，调查了制造条件的影响。
将板厚150mm的钢块加热到1150℃，热轧成板厚25mm的钢板。按表3所示条件进行热轧后的冷却和/或热轧结束后的热处理(再加热与冷却)。采用从所得钢板挑取的各试验片，进行与实施例1相同的试验。表4示出重复软化参数、疲劳龟裂扩展速度、拉伸强度、摆锤式冲击试验(vTrs)的结果。
表3
记号 制造条件
A 再加热到900℃，然后以20℃/s的冷却速度冷却至室温。
B 再加热到900℃，然后以20℃/s的冷却速度冷却至室温之后，回火至500℃。
C 再加热到900℃，然后以20℃/s的冷却速度冷却至室温之后，再加热到750℃，然后以15℃/s的冷却速度冷却至室温。
D 再加热到900℃，然后以20℃/s的冷却速度冷却至室温之后，再加热到780℃，然后以20℃/s的冷却速度冷却至室温之后，回火至450℃。
E 经热轧后，从830℃以20℃/s的冷却速度冷却至500℃。
F 经热轧后，从800℃以25℃/s的冷却速度冷却至450℃，之后回火至400℃。
G 经热轧后，从750℃以30℃/s的冷却速度冷却至室温。
H 经热轧后，从800℃以30℃/s的冷却速度冷却至室温，再加热到750℃，然后以25℃/s的冷却速度冷却至室温。
I 再加热到650℃，然后以20℃/s的冷却速度冷却至室温。
J 再加热到900℃，然后以3℃/s的冷却速度冷却至室温，之后回火至450℃。
K 再加热到900℃，然后以20℃/s的冷却速度冷却至室温，之后再加热到660℃，然后以15℃/s的冷却速度冷却至室温。
L 再加热到900℃，然后以20℃/s的冷却速度冷却至室温，之后再加热到780℃，然后以3℃/s的冷却速度冷却至室温，之后回火至400℃。
M 经热轧后，从830℃以20℃/s的冷却速度冷却至600℃。
N 经热轧后，从800℃以25℃/s的冷却速度冷却至450℃，之后回火至700℃。
O 经热轧后，从650℃以30℃/s的冷却速度冷却至室温。
P 经热轧后，从750℃以30℃/s的冷却速度冷却至室温，之后再加热到650℃，然后以25℃/s的冷却速度冷却至室温。
表4
    制造条件   重复软化参数σ15/σ1     疲劳龟裂扩展速度(×10-5mm/周期)     拉伸试验   摆锤式冲击试验
    A   0.852     2.42     ○   ○
    B   0.911     3.21     ○   ○
    C   0.831     1.98     ○   ○
    D   0.912     3.05     ○   ○
    E   0.875     2.61     ○   ○
    F   0.891     2.97     ○   ○
    G   0.860     2.85     ○   ○
    H   0.855     2.47     ○   ○
    I   1.105     6.24     △   ×
    J   1.011     5.03     △   △
    K   0.976     4.98     ○   ×
    L   0.987     5.01     △   ×
    M   0.979     4.95     ○   ○
    N   0.981     4.96     △   ×
    O   0.993     5.02     △   ○
    P   0.984     4.88     ○   ×
从表4中可知，制造条件在本发明规定范围内的A～H钢板，重复软化参数在0.65～0.95的合适范围内，且疲劳龟裂扩展速度在目标4.0×10-5mm/周期以下。另外拉伸强度与抗冲击特性均良好。
与此相反，制造条件不属于本发明规定范围的I～P钢板，其重复软化参数超出0.95，疲劳龟裂扩展速度没有达到目标值。另外，除了M，拉伸强度与冲击强度中至少有一个不是十分理想。
(实施例3)
对表2所示的3、4、5、7、12、15、18、25、27九个钢，进行腐蚀疲劳龟裂扩展试验及腐蚀疲劳试验。
腐蚀疲劳龟裂扩展试验在室温海水中进行。此试验采用与实施例1所记载的形状相同的CT试验片。与大气中的疲劳龟裂扩展试验不同的是，配合海洋中的波浪周期，将重复速度设为0.17Hz。应力比与大气中的疲劳龟裂扩展试验相同，设为0.1。
分别在室温海水、60℃海水、室温氯饱和水溶液、室温1％食盐水、室温3％食盐水五种环境中进行腐蚀疲劳试验。在这里海水指的是示于ASTM规格的人工海水。另外，室温指的是没有特别进行温度控制而进行试验，60℃指的是用恒温器来控制保持此温度。两种食盐水环境是为了明确氯化钠单体对腐蚀疲劳强度的影响而准备的，3％食盐水环境对应于约含3.5％氯化钠的海水环境。
在选为腐蚀疲劳试验中的标准试验环境的室温海水中，也进行改变负荷方式或试验面加工条件的试验，并调查这些因素的影响。
腐蚀疲劳强度与腐蚀疲劳龟裂扩展速度一样，对重复速度的依赖性极强，重复速度越低，腐蚀疲劳强度的下降也越明显。因此，腐蚀疲劳试验中负荷重复速度配合海洋环境的波浪负荷周期，在所有试验环境中一律取为0.17Hz。应力比取在疲劳试验中最广泛采用的标准值0.1。
腐蚀疲劳试验的负荷方式有，轴向力、弯曲力、扭力三个方式，其中轴向力负荷为标准的负荷方式。
使用轴向力及扭力负荷方式的腐蚀疲劳试验片是，抓部宽80mm，试验部宽25mm的板状，从抓部到试验部的减幅是以R100的曲线平缓连接的。另外，抓部板厚12mm，试验部板厚6mm，从抓部到试验部的减厚是以40R的曲线平缓连接的。
使用扭力负荷方式的腐蚀疲劳试验片是，抓部径12mm，试验部径6mm的轴对称圆棒形状。
试验面加工条件有机械加工、等离子体切割及激光切割三种，其中机械加工为标准。
使机械加工面发生疲劳龟裂后评价腐蚀疲劳强度时，试验面的最终加工是按长8mm、表面粗糙度最大高度为1.6～6.3μm来进行的。
评价以等离子切割面为起点的腐蚀疲劳强度时，利用等离子体切割法切出试验片的平面形状。此时，为了使等离子切割面确实发生疲劳龟裂，预先用小型研磨机对试验部断面的拐角(comer)部形成R1的倒角。等离子体切割是按以下述条件进行。
等离子体切割条件：
电流：240A，电压：110V，切割速度：1000mm/min，电极：钨电极，气体：H2-N2-Ar混合气体。
评价激光切割部的腐蚀疲劳强度时，用下述条件进行激光切割准备切割面。此时也为了使切割面确实发生疲劳龟裂，采用与等离子体切割面相同的倒角方法。
激光切割条件：
CO2激光，输出功率：40kW(连续)，姿势：水平，切割速度：2.5m/min，焦距：381mm(抛物面聚光)，散焦量：+8mm。
腐蚀疲劳试验中，对一个试验条件，即对某一钢板与试验条件的组合，提供6～8个试验片来制作S-N曲线(疲劳强度曲线)，由此曲线来求出作为腐蚀疲劳强度的与至疲劳破坏的重复点数1×106次相对应的时间强度Δσ(应力范围：最大应力-最小应力)。
腐蚀疲劳龟裂扩展试验的结果示于表5，腐蚀疲劳试验的结果示于表6。为了便于参考，将表2的重复软化参数及大气中的疲劳龟裂扩展速度值也一并记于表5中。
表5
    钢No.     重复软化参数σ15/σ1     疲劳龟裂扩展速度(×10-5mm/周期)   随环境变化的疲劳龟裂扩展速度的加速度 备注
    大气中     海水中
    3     0.889     3.16     17.38   5.5 本发明
    4     0.863     2.87     17.79   6.2 本发明
    5     0.820     1.92     9.22   4.8 本发明
    7     0.811     1.72     9.98   5.8 本发明
    12     0.712     0.83     4.23   5.1 本发明
    15     0.980*     4.95     24.26   4.9 比较例
    18     1.092*     5.95     36.30   6.1 比较例
    25     1.120*     6.32     34.76   5.5 比较例
    27     1.052*     5.67     33.45   5.9 比较例
*表示超出本发明范围。
表6
    试验环境   海水中   海水中   海水中   海水中   海水中 海水中 氯饱和 1％食盐水 3％食盐水
    试验温度   室温   室温   室温   60℃   室温 室温 室温 室温 室温
    试验面   机械加工   机械加工   机械加工   机械加工   等离子体切割 激光切割 机械加工 机械加工 机械加工
    负荷方式   轴向力   弯曲力   扭力   轴向力   轴向力 轴向力 轴向力 轴向力 轴向力
 钢No.     3   450   630   360   440   430 410 400 460 450
    4   420   -   -   410   410 410 410 440 420
    5   410   -   -   -   400 400 410 - -
    7   420   -   -   -   400 410 - - -
    12   430   -   -   -   420 430 - - -
    15*   290   -   -   -   250 - - - -
    18*   290   -   -   -   240 - - - -
    25*   270   380   220   260   220 210 230 280 270
    27*   300   -   -   -   240 220 - - -
带*标记的是超出本发明范围的钢。                                                                                   (单位：MPa)
从表5可知，所有钢材的腐蚀疲劳龟裂的扩展速度(在海水中的疲劳龟裂扩展速度)快于大气中的疲劳龟裂扩展速度，而对应此大气中扩展速度的腐蚀疲劳龟裂扩展速度的加速程度(即随环境变化的疲劳龟裂扩展速度的加速程度)，几乎没有对钢种的依赖性，大体上保持着一定值。因此可以确认通过抑制钢材在大气中的疲劳龟裂扩展，也可以抑制其腐蚀疲劳龟裂的扩展。
由表6所示的腐蚀疲劳试验结果可知，在本发明例钢3、4、5、7中，以室温海水中的机械加工面为起点的轴向力腐蚀疲劳强度较好，呈400Mpa以上，与此相反，在重复软化参数超过0.95的比较例钢15、18、25、27中都呈310Mpa以下，属于较低。另外，用数据齐全的例(钢3、25)来比较，在任何试验环境、任何试验面、任何负荷方式下，本发明例的钢(3)的腐蚀疲劳强度明显好于比较例的钢(25)。
观察腐蚀疲劳试验后的试验片的断面及其附近，发现本发明例与比较例在腐蚀坑的形状及尺寸上没有明显的差别。但测定腐蚀坑底附近的微小硬度，发现本发明例的钢材的硬度均低于比较例的钢材。本发明的钢材随重复特性其硬度会降低，这对腐蚀环境中的疲劳龟裂的发生起着有利的作用。

Claims (5)

1.一种结构钢，其特征在于，将最大拉伸·压缩应变为±0.012、重复速度为0.5Hz、达到最大应变的波数为12的渐增·渐减重复负荷施加15次时，用第一次的最大应变时的应力σ1与第15次的最大应变时的应力σ15之比σ15/σ1来表示的重复软化参数在0.65以上，0.95以下，并且该结构钢具有下述的质量百分比组成：
C：0.02～0.20％，    Si：0.60％以下，
Mn：0.50～2.0％，    Al：0.003～0.10％，
Cu：0～1.5％，       Ni：0～1.5％，
Cr：0～1.20％，      Mo：0～1.0％，
V：0～0.10％，       Nb：0～0.10％，
Ti：0～0.10％，      B：0～0.0020％，
Ca：0～0.010％，      其余部分：Fe及不可避免的杂质，且用下式表示的碳当量Ceq值为0.28～0.65％，Ceq(％)＝C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14。
2.根据权利要求1所述的结构钢，其特征在于：含有B：0.0003～0.0020％及Ca：0.0005～0.010％的一种或两种。
3.一种权利要求1所述的结构钢的制造方法，其特征在于，进行一次以上下述的热处理：将所述组成的经热加工的钢材，再加热到Ac1点以上或者不再加热而从(Ar3点-100)℃以上、(Ar3点+150)℃以下温度域，以5℃/s以上的冷却速度冷却到550℃以下。
4.根据权利要求3所述的结构钢的制造方法，其特征在于，在所述冷却之后，进行一次以上下述热处理：再加热到Ac1点以上，然后以5℃/s以上的冷却速度冷却到550℃以下。
5.根据权利要求3或4所述的结构钢的制造方法，其特征在于，最后在Ac1点以下温度进行回火。
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