DE60213736T2

DE60213736T2 - Stahl mit verbesserter Ermüdungsfestigkeit und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE60213736T2
Application number: DE60213736T
Authority: DE
Inventors: c/o Sumitomo Metal Industries Noboru Osaka-shi Konda; Sumitomo Metal Industries Kazuki Osaka-shi Fujiwara; Sumitomo Metal Industries Hiroshi Osaka-shi Katsumoto; c/o Sumitomo Metal Industries Ichirou Osaka-shi Seta
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-11-14
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2022-11-13
Also published as: CN1165633C; KR100545599B1; EP1312690B1; KR20030040150A; CN1418978A; DE60213736D1; EP1312690A1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Stahlmaterial, das eine verbesserte Beständigkeit gegenüber einem Ermüdungsrisswachstum hat und geeignet ist bei Anwendungen verwendet zu werden, bei denen ein Stahlmaterial erwartungsgemäß wiederholten Belastungen ausgesetzt wird, wie z.B. Boote und Schiffe, marine Strukturen, Brücken, Gebäude, Tanks und industrielle oder Baugerätschaften, und sie betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung des Stahlmaterials.
Stand der Technik
Bei Stahlmaterialien, die für Boote und Schiffe, marine Strukturen, Brücken, Gebäude, Tanks und industrielle oder Baugerätschaften verwendet werden, ist es notwendig, auf die Ermüdungseigenschaften zu achten, um deren Sicherheit zu gewährleisten, da sie oft wiederholten Belastungen ausgesetzt werden. Es ist bekannt, dass der Ermüdungsanriss eines Stahlmaterials stark durch die Umgebungsbedingungen beeinflusst wird und dass, wenn ein Stahlmaterial wiederholten Belastungen in einer korrodierenden Umgebung wie Meerwasser ausgesetzt wird, seine Festigkeit abnimmt.
Der Ermüdungsprozess eines Stahlmaterials sollte unter Einteilung desselben in zwei Schritte betrachtet werden, d.h. die Erzeugung eines Risses in einem Bereich, wo die Spannungskonzentration erfolgt, und das anschließende Wachstum des Risses, die in ihrer Art voneinander verschieden sind. Bei gebräuchlichen Maschinenteilen wird die Erzeugung eines makroskopischen Risses als die Arbeitsgrenze angesehen, so dass sie fast nie so entworfen werden, dass ein Risswachstum akzeptiert wird. Bei einer Struktur mit einer hohen Redundanz führt die Erzeugung eines Ermüdungsanrisses jedoch nicht bald zu einem Bruch der Struktur. Selbst wenn durch eine Routineinspektion ein Ermüdungsanriss in einer Struktur gefunden wird, bevor der endgültige Bruch erfolgt, kann daher die Verwendung der Struktur trotz des Ermüdungsanrisses in dem Fall in zweckmäßiger Weise fortgesetzt werden, dass der angerissene Anteil repariert wird oder der Riss während der Betriebsdauer der Struktur nicht zu einer Länge anwächst, die ausreichend ist, um einen endgültigen Bruch zu verursachen.
Da in einer geschweißten Struktur viele Schweißnahtgründe vorliegen, die zu spannungskonzentrierten Bereichen werden, ist es vom technischen Standpunkt aus gesehen nahezu unmöglich und vom wirtschaftlichen Gesichtspunkt aus gesehen auch nicht empfehlenswert, die Erzeugung von Ermüdungsanrissen vollständig zu verhindern. Daher ist es wichtig, das Risswachstum so weit als möglich zu verzögern, um so die Dauerhaltbarkeit (restliche Lebensdauer) von einem Zustand, in dem Risse existieren, stark auszudehnen.
Im Hinblick auf eine Technik, die das Ermüdungsrisswachstum verzögern soll und die Dauerhaltbarkeit eines Stahlmaterials erhöhen soll, offenbart JP P05-185441A ein Verfahren, in dem Mikrorisse an der Spitze eines Ermüdungsanrisses gebildet werden. Die Wirksamkeit dieses Verfahrens ist jedoch auf einen Riss beschränkt, in dem der Bereich des Spannungsintensitätsfaktors ΔK (die Differenz zwischen dem maximalen und minimalen Spannungsintensitätsfaktor) gering ist, d.h. der Fall, in dem kein langer Riss vorliegt und der Spannungsgrad gering ist. Es wird angenommen, dass dieses Verfahren für einen Riss mit einem mittleren Grad des ΔK-Bereichs weniger wirksam ist, der von einer Schweißnaht herstammt und eine beträchtliche Länge hat.
JP P04-337026A schlägt ein Verfahren zur Herstellung einer sehr festen heißgewalzten Stahlplatte vor, die eine verbesserte Dauerfestigkeit und Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit hat, in dem die Phosphor- und Kupfer-Gehalte so gesteuert werden, dass der Stahl duale Phasen aus Ferrit mit einer Korngröße von 5–25 μm und eine zweite Phase hat, die 10–30 Vol.-% ausmacht. In dieser Patentanmeldung gibt die Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit den Schwellen-Spannungsintensitätsfaktor (ΔK_th) für das Ermüdungsrisswachstum an. Somit hat die vorgeschlagene Technik den Effekt, den Schwellen-Spannungsintensitätsfaktor zu erhöhen, der die untere Grenze zur Verursachung des Wachstums eines Ermüdungsanrisses darstellt, sie ist aber zur Verzögerung des Ermüdungsrisswachstums unwirksam.
Das japanische Patent Nr. 2,692,134 offenbart eine Stahlplatte mit einem hemmenden Effekt des Ermüdungsrisswachstums, die eine eine harte Phase bildende Matrix und eine in der Matrix dispergierte weiche Phase umfasst, wobei der Härteunterschied zwischen den zwei Phasen wenigstens 150 in Form der Vickershärte ausmacht. In diesem Patent werden jedoch nicht die mechanischen Eigenschaften des Stahls offenbart. Darüber hinaus ist diese Technik nur in Situationen anwendbar, in denen die harte Phase und die weiche Phase der Struktur klar voneinander unterscheidbar sind. Da die Struktur fein sein sollte, um die Festigkeit und Zähigkeit des Stahls zu verbessern, sind die harte Phase und die weiche Phase im Allgemeinen nicht immer in einem solchen Maße klar voneinander zu unterscheiden, dass der Härteunterschied gemessen werden kann.
JP P2001-41868A offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Ermüdungsrisswachstumsrate eines Stahlmaterials, das wenigstens 20% Bainit enthält, auf der Basis der Menge an Erweichung (zyklischer Erweichungsparameter), die bestimmt wird, wenn Stahl wiederholten Belastungen unter einer gesteuerten Dehnung mit einem Spannungsverhältnis von –4 bis –0,25 und einer alternierenden Wellenform ausgesetzt wird. Gemäß diesem Verfahren kann, sofern eine Masterkurve gebildet wurde, die die Korrelation zwischen der Menge an zyklischer Erweichung und der Ermüdungsrisswachstumsrate anzeigt, die Ermüdungsrisswachstumsrate schnell und effizient aus der Menge der zyklischen Erweichung bestimmt werden.
WO 98/38345 offenbart einen Stahl hoher Zugfestigkeit mit einer ausgezeichneten Zähigkeit über seiner gesamten Dicke, ausgezeichneten Eigenschaften an den Schweißverbindungen und einer Zugfestigkeit (TS) von wenigstens etwa 900 MPa (13,0 ksi) und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stahls. Stähle gemäß dieser Erfindung haben vorzugsweise die folgende Zusammensetzung in Gew.-%: Kohlenstoff (C): 0,02% bis 0,1%; Silicium (Si): nicht mehr als 0,6%; Mangan (Mn): 0,2% bis 2,5%; Nickel (Ni): 0,2% bis 1,2%; Niob (Nb): 0,01% bis 0,1%; Titan (Ti): 0,005% bis 0,03%; Aluminium (Al): nicht mehr als 0,1%; Stickstoff (N): 0,001% bis 0,006%; Kupfer (Cu): 0% bis 0,6%; Chrom (Cr): 0% bis 0,8%; Molybdän (Mo): 0% bis 0,6%; Vanadium (V): 0% bis 0,1%; Bor (B): 0% bis 0,0025% und Calcium (Ca): 0% bis 0,006%. Der Wert von Vs, definiert durch Vs = C + (Mn/5) + 5P – (Ni/10) – (Mo/15) + (Cu/10) ist 0,15 bis 0,42. P und S sind unter den Verunreinigungen in einer Menge von nicht mehr als 0,015% bzw. nicht mehr als 0,003% enthalten. Die Carbidgröße in dem Stahl ist nicht größer als 5 μm in der Längsrichtung.
Dieses Verfahren ist jedoch nur ein Bewertungsverfahren und keine Maßnahme, die einen ausgezeichneten Stahl bereitstellen kann, bei dem eine Bewertung durch dieses Verfahren Iohnenswert ist. Es wird nicht offenbart, ob der darin beschriebene Stahl eine angemessene Festigkeit, Zähigkeit und Schweißbarkeit als Baustahl aufweist.
Es ist bekannt, dass unter Bedingungen, bei denen eine zyklische Dehnung auferlegt wird, ein Stahl mit einer gehärteten Struktur weicher wird (d.h. eine zyklische Erweichung aufweist), während ein getemperter Stahl härter wird. Da bei Stahlmaterialien, die eine zyklische Erweichung aufzeigen, die Art der Ermüdungseigenschaften nicht geklärt ist, verfügen sie über kein etabliertes Unterscheidungsmerkmal der industriellen Konstruktion. Als Ergebnis werden solche Stahlmaterialien nicht bei solchen Anwendungen verwendet, die ihre Ermüdungseigenschaften ausnutzen.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Baustahlmaterial bereitzustellen, das die Durchführung einer Materialkonstruktion unter Verwendung der Ermüdungseigenschaften als quantitativem Parameter ermöglicht, insbesondere bei einem Stahlmaterial, das eine zyklische Erweichung aufweist, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stahlmaterials bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Stahlmaterial bereit, das eine verbesserte Beständigkeit gegenüber einem Ermüdungsrisswachstum hat, und ein Herstellungsverfahren für dasselbe auf der Basis von Untersuchungen der Ermüdungseigenschaften von Stahlmaterialien, einschließlich des Erweichungsverhaltens, unter Bedingungen, bei denen eine zyklische Dehnung auferlegt wird. Das Stahlmaterial hat auch eine Festigkeit, Zähigkeit und Schweißbarkeit, die für einen Baustahl optimal sind, welcher für Boote und Schiffe, marine Strukturen, Brücken, Gebäude, Tanks und industrielle oder Baugerätschaften verwendet werden soll.

Somit bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Baustahlmaterial, wobei der Stahl die folgende Zusammensetzung in Massen-% hat:

C: 0,02–0,20%;	Si: höchstens 0,60%;
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%; und	Rest: Fe und zufällige Verunreinigungen;

und einen Wert des Kohlenstoffäquivalents Ceq, das durch die folgende Formel dargestellt wird, von 0,28 bis 0,65 aufweist: Ceq(%) = C + Si/24 + Mn/6 + Ni/40 + Cr/5 + Mo/4 + V/14;und das Stahlmaterial einen zyklischen Erweichungsparameter von wenigstens 0,65 und höchstens 0,95 hat, wobei der zyklische Erweichungsparameter durch das Verhältnis (σ₁₅/σ₁) der Spannung bei der maximalen Dehnung im ersten Zyklus (σ₁) zu derjenigen im 15. Zyklus (σ₁₅) dargestellt wird, die gemessen werden, wenn wellenförmig zunehmende und abnehmende zyklische Belastungen 15mal mit einer maximalen Zug- und Druckdehnung von ±0,012 und einer Frequenz von 0,5 Hz angewendet werden und die Zahl der Zyklen bis zur maximalen Dehnung 12 beträgt.

Ein Stahlmaterial mit einer verbesserten Beständigkeit gegenüber einem Ermüdungsrisswachstum gemäß der vorliegenden Erfindung hat einen zyklischen Erweichungsparameter von wenigstens 0,65 und höchstens 0,95, wobei der zyklische Erweichungsparameter durch das Verhältnis (σ₁₅/σ₁) der Spannung bei der maximalen Dehnung im ersten Zyklus (σ₁) zu derjenigen im 15. Zyklus (σ₁₅) dargestellt wird, die gemessen werden, wenn wellenförmig zunehmende und abnehmende zyklische Belastungen 15mal mit einer maximalen Zug- und Druckdehnung von ±0,012 und einer Frequenz von 0,5 Hz angewendet werden und die Zahl der Zyklen bis zur maximalen Dehnung 12 beträgt.
Das Stahlmaterial hat vorzugsweise eine Zusammensetzung in Massen-%, umfassend C: 0,01–0,20%, Si: höchstens 0,60%, Mn: 0,50–2,0%, Al: 0,003 bis 0,10% und gegebenenfalls ein oder mehrere Elemente, die ausgewählt sind aus (A) einem oder mehreren Cu: höchstens 1,5%, Ni: höchstens 1,5%, Cr: höchstens 1,20%, Mo: höchstens 1,0% und V: höchstens 0,10%, (B) einem oder zwei von Nb: höchstens 0,10% und Ti: höchstens 0,10%, (C) B: 0,003%–0,0020% und (D) Ca: 0,0005–0,010%, und das einen Wert des Kohlenstoffäquivalents Ceq, das durch die folgende Formel dargestellt wird, von 0,28 bis 0,65 aufweist: Ceq(%) = C + Si/24 + Mn/6 + Ni/40 + Cr/5 + Mo/4 + V/14
Das Stahlmaterial mit verbesserter Beständigkeit gegenüber einem Ermüdungsrisswachstum gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch eines der folgenden Verfahren hergestellt werden:

(a) ein Verfahren, umfassend das Unterziehen eines heißgewalzten Stahlmaterials der oben beschriebenen Zusammensetzung einer zwei- oder mehrmaligen Wärmebehandlung, wobei die Wärmebehandlung das erneute Erhitzen auf eine Temperatur über dem A_c1-Punkt, gefolgt von einem Abkühlen auf 550°C oder darunter mit einer Abkühlrate von wenigstens 5°C/s umfasst;
(b) ein Verfahren, umfassend das Abkühlen eines heißgewalzten Stahlmaterials der oben beschriebenen Zusammensetzung von einem Temperaturbereich von wenigstens (Ar₃-Punkt – 100)°C und höchstens (Ar₃-Punkt + 150)°C auf 550°C oder darunter mit einer Abkühlrate von wenigstens 5°C/s; und
(c) ein Verfahren, umfassend das Abkühlen eines heißgewalzten Stahlmaterials der oben beschriebenen Zusammensetzung von einem Temperaturbereich von wenigstens (Ar₃-Punkt – 100)°C und höchstens (Ar₃-Punkt + 150)°C auf 550°C oder darunter mit einer Abkühlrate von wenigstens 5°C/s und das anschließende Unterziehen desselben einer ein- oder mehrmaligen Wärmebehandlung, wobei die Wärmebehandlung das erneute Erhitzen auf eine Temperatur über dem A_c1-Punkt, gefolgt von einem Abkühlen auf 550°C oder darunter mit einer Abkühlrate von wenigstens 5°C/s umfasst.

In jedem der oben beschriebenen Verfahren kann eine abschließende Wärmebehandlung durch Tempern unter Erhitzen auf eine Temperatur unterhalb des Ar₁-Punkts durchgeführt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, das eine wellenförmig zu- und abnehmende Dehnung zeigt;
2 ist eine graphische Darstellung, die den zyklischen Erweichungsparameter und die Ermüdungsrisswachstumsrate zeigt; und
3 ist eine graphische Darstellung, die die Menge an Dehnung an der Spitze eines Ermüdungsanrisses zeigt, welche durch die finite Elementmethode bestimmt wird.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird nun im Detail beschrieben. In der folgenden Beschreibung sind alle Prozentgehalte Massen-%, falls nichts Anderweitiges angegeben ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Bewertung eines Stahlmaterials unter Bezugnahme auf den Erweichungsgrad unter den Bedingungen, dass eine zyklische Dehnung auferlegt wird, so dass ein Stahlmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung eine Struktur aufweist, die weicher wird, wenn sie einer zyklischen Dehnung unterzogen wird (d.h. eine gehärtete Struktur).
Ein Stahlmaterial mit einer gehärteten Struktur wird beim Aussetzen an eine zyklische Dehnung weicher, um einen zyklischen Erweichungsparameter σ₁₅/σ₁ zu ergeben. Es zeigte sich, dass der Wert des zyklischen Erweichungsparameters σ₁₅/σ₁ eine Korrelation zur Ermüdungsrisswachstumsrate (da/dN) in einem üblicherweise verwendeten Dehnungsintensitätsfaktorbereich (ΔK) von 20 MPa·m^0,5 hat und somit zur Bewertung der Ermüdungsrisswachstumsrate verwendet werden kann.
Wenn ein Stahlmaterial einen zyklischen Erweichungsparameter von weniger als 0,65 aufweist, hat es eine geringe Risswachstumsrate, seine Zähigkeit und Schweißbarkeit sind aber verschlechtert und seine Verwendung als Baustahl ist signifikant eingeschränkt. Wenn es andererseits einen zyklischen Erweichungsparameter von über 0,95 aufweist, wird nicht nur die Risswachstumsrate hoch, sondern auch die Festigkeit nimmt ab. Somit beträgt der zyklische Erweichungsparameter wenigstens 0,65 und höchstens 0,95. Vorzugsweise beträgt er wenigstens 0,70 und höchstens 0,90.
Der hierin verwendete zyklische Erweichungsparameter σ₁₅/σ₁ wird beschrieben.
Die Wellenform der Dehnung, die einem Stahlmaterial auferlegt wird, um den zyklischen Erweichungsparameter zu bestimmen, ist eine alternierende Wellenform, in der die Zug- und Druckbelastungen abwechselnd angelegt werden, um die Menge an zyklischer Erweichung des Stahlmaterials zu bewerten. Die Wellenform ist eine zu- und abnehmende Wellenform mit einer Frequenz von 0,5 Hz und einem Dehnungsbereich von 0,024 während der Dehnungszunahme (eine maximale Zug- und Druckdehnung von ±0,012). Die Frequenz von 0,5 Hz wurde im Hinblick auf das Unterdrücken eines inneren Wärmeaufbaus ausgewählt. Der Dehnungsbereich von 0,024 wurde ausgewählt, weil der üblicherweise verwendete Dehnungsintensitätsfaktorbereich (ΔK) 20 MPa·m^0,5 ist. Im zunehmenden Schritt erreicht die Dehnung einen maximalen Wert in 12 Zyklen, und im abnehmenden Schritt kehrt sie in 12 Zyklen auf Null zurück. Eine Kombination eines einzigen zunehmenden Schrittes und eines einzigen abnehmenden Schrittes macht eine Reihe aus, die nachstehend als ein "Block" bezeichnet wird.
1 zeigt ein Diagramm der Dehnungs-Wellenform, in dem die Abszisse die Zeit (s) darstellt, und die Ordinate die Menge an Dehnung darstellt. Nur der erste Block und der zweite Block sind in der Figur aufgeführt, die Anzahl der Blöcke ist aber 15, oder die zu- und abnehmende wellenförmige Dehnung wird 15mal wiederholt. 15 Wiederholungen für den Block wurden ausgewählt, da man annimmt, dass der durch die zyklische Dehnung erreichte Erweichungseffekt durch 15 Blöcke fast eine Sättigung erreicht.
Das Verhältnis σ₁₅/σ₁ ist als zyklischer Erweichungsparameter definiert, wobei σ₁ die Spannung ist, welche der maximalen Dehnung in dem ersten Block entspricht, und σ₁₅ die Spannung ist, welche der maximalen Dehnung in dem 15. Block entspricht.
2 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem oben definierten zyklischen Erweichungsparameter und der Ermüdungsrisswachstumsrate zeigt. Wie oben beschrieben wurde, kann eine gewisse Korrelation zwischen diesen Parametern beobachtet werden.
Der Mechanismus derselben ist wie folgt.
Das Anlegen einer zyklischen Belastung mit abwechselnden Zug- und Druckkräften oder positiven und negativen Kräften an ein Stahlmaterial verursacht eine Inversionsbewegung von Verlagerungen an der Spitze eines Ermüdungsanrisses, und die Verlagerungen bewegen sich oder verschwinden, um eine Erweichung des Materials zu bewirken. Die Erweichung entspannt die Dehnung an der Spitze des Ermüdungsanrisses, wodurch eine Abnahme der Triebkraft des Ermüdungsrisswachstums erfolgt.
Das Dehnungsentspannungsphänomen an der Spitze des Ermüdungsanrisses wurde durch die finite Elementmethode analysiert. Die mechanischen Eigenschaften des Stahls, der einer zyklischen Erweichung unterzogen wurde (zyklisch erweichtes Material), wurden in Analyseelemente unterteilt, um eine erweichte Zone um einen Ermüdungsanriss herum zu beschreiben, und es wurde ein Modell angenommen, an das eine Belastung auf derartige Weise angelegt wird, dass der Spannungsintensitätsfaktor an der Rissspitze oder -vorderseite 20 MPa·m^0,15 ist.
3 zeigt das Ergebnis der Analyse in Form der Dehnung an der Spitze eines Ermüdungsanrisses eines homogenen Stahlmaterials, verglichen mit derjenigen eines zyklisch erweichten Materials. Es wurde bestätigt, dass die Dehnung eines zyklisch erweichten Materials an der Spitze eines Ermüdungsanrisses geringer ist als diejenige eines homogenen Materials. Somit wird angenommen, dass in einem zyklisch erweichten Stahlmaterial die Entspannung der Dehnung, die der Rissspitze auferlegt wird, zum Unterdrücken des Ermüdungsrisswachstums beiträgt.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein Stahlmaterial eine Ermüdungsrisswachstumsrate (da/dN) von höchstens 4,0 × 10^–5 mm/Zyklus bei einem Dehnungsintensitätsfaktorbereich von 20 MPa·m^0,5 in einem Ermüdungstest an der Luft hat.
In einer bevorzugten Ausführungsform hat ein Stahlmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung die wie oben beschriebene chemische Zusammensetzung aus den folgenden Gründen.
Kohlenstoff: 0,02–0,20%.
Kohlenstoff (C) ist ein Element, das wirksam ist, um einem Baustahl Festigkeit zu verleihen. Bei einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,02% ist es schwierig, den verstärkenden Effekt zu erreichen. Andererseits reduziert ein Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,20% die Schweißbarkeit eines Stahls und erschwert die Verarbeitbarkeit des Stahls durch Schweißen, wodurch sein Arbeitsbereich als Baustahl eingeschränkt wird. Zum Erreichen einer hohen Festigkeit mit guter Schweißbarkeit liegt der Kohlenstoffgehalt vorzugsweise in dem Bereich von 0,04 bis 0,15%.
Silicium: höchstens 0,60%
Silicium (Si) hat einen deoxidierenden Effekt. Ein Si-Gehalt von mehr als 0,60% verschlechtert jedoch die Zähigkeit eines Stahls. Vorzugsweise beträgt der Si-Gehalt 0,05–0,5%.
Mangan: 0,50–2,0%
Mangan (Mn) ist auch ein Element, das den Effekt hat, dem Stahl Festigkeit zu verleihen. Bei einem Mn-Gehalt von weniger als 0,50% ist seine Wirkung ungenügend. Ein Mn-Gehalt von mehr als 2,0% verschlechtert die Zähigkeit eines Stahls. Vorzugsweise beträgt der Mn-Gehalt 0,70–1,8%.
Aluminium: 0,003–0,10%
Aluminium (Al) hat einen deoxidierenden Effekt. Bei einem Al-Gehalt von weniger als 0,003% ist seine Wirkung ungenügend. Ein Al-Gehalt von mehr als 0,10% verschlechtert die Zähigkeit eines Stahls. Vorzugsweise beträgt der Al-Gehalt 0,010–0,050%.
Das Stahlmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich zu den oben beschriebenen Elementen zudem wenigstens ein Element enthalten, das aus den folgenden Gruppen ausgewählt ist.

(A) wenigstens eines von Cu, Ni, Cr, Mo und V,
(B) Nb und/oder Ti,
(C) B und
(D) Ca.

Kupfer: höchstens 1,5%
Kupfer (Cu) ist ein Element, das zur Verbesserung der Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit eines Stahls wirksam ist, ein Kupfer-Gehalt von mehr als 1,5% verursacht jedoch, dass der Stahl eine geringere Zähigkeit aufweist. Ein bevorzugter Gehalt an Kupfer, falls es zugefügt wird, beträgt 0,10–1,0%.
Nickel: höchstens 1,5%
Nickel (Ni) ist ein Element, das zur Verbesserung der Festigkeit und Zähigkeit eines Stahls wirksam ist. Wenn Ni jedoch in einer Menge von mehr als 1,5% zugegeben wird, werden diese Wirkungen nicht nur nicht mehr verbessert, sondern auch die Kosten nehmen zu. Ein bevorzugter Gehalt an Ni, falls es zugegeben wird, ist 0,050 bis 1,3%.
Chrom: höchstens 1,2%
Wie Cu ist Chrom (Cr) ein Element, das zur Verbesserung der Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit eines Stahls wirksam ist. Ein Cr-Gehalt von mehr als 1,5% verursacht jedoch, dass der Stahl eine verschlechterte Zähigkeit aufweist. Ein bevorzugter Gehalt an Cr, falls es zugegeben wird, ist 0,10 bis 1,0%.
Molybdän: höchstens 1,0%
Molybdän (Mo) ist ein Element, das zur Verbesserung der Härtbarkeit und Festigkeit eines Stahls wirksam ist. Wenn der Mo-Gehalt jedoch größer als 1,0% ist, verschlechtert sich nicht nur die Zähigkeit, sondern auch die Kosten nehmen zu. Ein bevorzugter Gehalt an Mo, falls es zugegeben wird, ist 0,050–0,80%.
Vanadium: höchstens 0,10%
Vanadium (V) hat den Effekt, die Festigkeit eines Stahls zu erhöhen und kann zugegeben werden, um eine hohe Festigkeit als Baustahl zu gewährleisten. Eine Zugabe an V in einer größeren Menge als 1,0% verschlechtert jedoch die Zähigkeit des Stahls. Ein bevorzugter Gehalt an V, falls es zugegeben wird, ist 0,010 bis 0,080%.
Niob: höchstens 0,10%
Niob (Nb) ist ein Element, das zur Verbesserung der Zähigkeit eines Stahls wirksam ist. Die Zugabe von Nb in einer größeren Menge als 0,10% ergibt jedoch im Gegenteil eine Abnahme der Zähigkeit. Ein bevorzugter Gehalt an Nb, falls es zugegeben wird, ist 0,020 bis 0,050%.
Titan: höchstens 0,10%
Wie Nb ist Titan (Ti) auch ein Element, das zur Verbesserung der Zähigkeit eines Stahls wirksam ist. Die Zugabe von Ti in einer Menge von mehr als 0,10% ergibt jedoch eine Abnahme der Zähigkeit. Ein bevorzugter Gehalt an Ti, falls es zugegeben wird, ist 0,010 bis 0,050%.
Bor: 0,00030–0,020%
Bor (B) ist ein Element, das zur Verbesserung der Härtbarkeit eines Stahls und zur Steuerung des Ferritgehalts desselben wirksam ist. Diese Effekte werden bei einem B-Gehalt von weniger als 0,00030% nicht in ausreichendem Maße aufgezeigt. Andererseits verursacht ein B-Gehalt von mehr als 0,020% eine Verschlechterung der Zähigkeit des Stahls. Ein bevorzugter Gehalt an B, falls es zugegeben wird, ist 0,00080–0,0015%.
Calcium: 0,00050–0,010%
Calcium (Ca) ist ein Element, das den Effekt hat, nichtmetallische Einschlüsse weichzuglühen und die Zähigkeit eines Stahls zu verbessern. Ein solcher Effekt wird bei einem Ca-Gehalt von weniger als 0,00050% nicht erreicht. Wenn der Ca-Gehalt größer als 0,010% ist, wird eine große Menge an Einschlüssen, wie CaO und CaS, gebildet, was zu einer Verschlechterung der Zähigkeit führt. Ein bevorzugter Gehalt an Ca, falls es zugegeben wird, ist 0,0010–0,0050%.
Kohlenstoffäquivalent (Ceq): 0,28–0,65%

Ceq(%) = C + Si/24 + Mn/6 + Ni/40 + Cr/5 + Mo/4 + V/14

Das Kohlenstoffäquivalent Ceq, das die obige Formel aufweist, ist ein Index zur Bewertung der Härtungsfähigkeit und Schweißbarkeit eines Stahlmaterials und wird weit verbreitet verwendet.
Ceq wird jedoch nur als Index verwendet, um ein Stahlmaterial mit erwünschten mechanischen Eigenschaften und Schweißbarkeit zu erhalten, und es wurde keine Forschungsarbeit gefunden, in der Ceq in Beziehung zur Beständigkeit gegenüber einem Ermüdungsrisswachstum untersucht wird.
Um das Ermüdungsrisswachstum zu unterdrücken und den Festigkeitseigenschaften zu genügen, die im Allgemeinen für einen Baustahl erwünscht sind, d.h. eine Zugfestigkeit TS von wenigstens 500 N/mm² und ein absorbierter Energiewert nach Charpy bei 0°C, vE₀, von wenigstens 27 J, sollte ein Stahlmaterial eine feine (nicht vergröberte) Mikrostruktur haben. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben gefunden, dass bei einem Stahl mit einer feinen Mikrostruktur der Ceq-Wert nicht nur eine Beziehung zu den mechanischen Eigenschaften und der Schweißbarkeit des Stahls aufweist, sondern auch zur Ermüdungsrisswachstumsrate desselben.
D.h. bei einem Stahl mit einem Ceq-Wert von weniger als 0,28% ist nicht nur die Festigkeit desselben gering, sondern auch das Ermüdungsrisswachstum wird aufgrund des geringen Grades der zyklischen Erweichung nicht ausreichend unterdrückt. Andererseits wird bei einem Stahl mit einem Ceq-Wert von größer als 0,65%, obwohl das Ermüdungsrisswachstum des Stahls unterdrückt wird, die Schweißbarkeit desselben verschlechtert, und es ist schwierig, das Stahlmaterial durch Schweißen zu bearbeiten, was zu einer starken Einschränkung seiner Verwendung führt.
Anschließend wird ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Eine Stahlmasse der oben beschriebenen Zusammensetzung, die z.B. durch kontinuierliches Gießen hergestellt wurde, wird heißgewalzt. Die sich ergebende heißgewalzte Stahlplatte wird dann unter einer geregelten Abkühlrate gekühlt und/oder einer Wärmebehandlung unterzogen, um ein Stahlmaterial mit einem zyklischen Erweichungsparameter zu erhalten, der auf wenigstens 0,65 und höchstens auf 0,95 eingestellt ist.
Das Heißwalzverfahren ist nicht entscheidend und kann auf konventionelle Weise durchgeführt werden. Ein Stahlmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung liegt im Allgemeinen in Form einer heißgewalzten Platte vor, es kann jedoch in einer anderen Form vorliegen, wie Formstahl, Stab, Rohr oder dergleichen, und zwar in Abhängigkeit von der Verwendung desselben. Somit kann das Heißwalzverfahren durch ein anderes heißarbeitendes Verfahren ersetzt werden.
Nach dem Heißwalzen wird eine Wärmebehandlung durchgeführt, indem erneut auf eine Temperatur über dem A_c1-Punkt erhitzt wird, anschließend schnell abgekühlt wird, oder die heißgewalzte Stahlplatte schnell abgekühlt wird, oder eine Kombination derselben verwendet wird, wie oben beschrieben wurde, wodurch sich die Bildung eines Stahlmaterials mit einer gehärteten Struktur ergibt, in dem der zyklische Erweichungsparameter zwischen 0,65 und 0,95 liegt. Danach kann das Stahlmaterial weiterhin einem nachstehend beschriebenen Tempern unterzogen werden.
Wärmebehandlung (erneutes Erhitzen und schnelles Abkühlen):
Die Temperatur, bei der das heißgewalzte Stahlmaterial erneut erhitzt wird, liegt über dem A_c1-Punkt des Stahls. Wenn die Temperatur des erneuten Erhitzens niedriger ist als der A_c1-Punkt, erfolgt keine Austenit-Umwandlung, so dass ein Stahlmaterial mit dem erwünschten zyklischen Erweichungsparameter nicht erhalten werden kann und das Stahlmaterial verschlechterte Ermüdungsrisswachstumseigenschaften aufweist. Ein bevorzugter Temperaturbereich zum erneuten Erhitzen liegt zwischen 100°C und 300°C über dem A_c1-Punkt.
Nach dem erneuten Erhitzen wird ein schnelles Abkühlen mit einer Kühlrate von wenigstens 5°C/s durchgeführt. Wenn die Kühlrate kleiner als 5°C/s ist, ist die Abkühlung so langsam, dass das sich ergebende Stahlmaterial eine erhöhte Ermüdungsrisswachstumsrate und eine reduzierte Festigkeit und Zähigkeit hat. Die Kühlrate nach dem erneuten Erhitzen ist vorzugsweise wenigstens 10°C/s. Obwohl es keine spezielle obere Grenze für die Kühlrate gibt, hängt sie von der Größe des Stahlmaterials (der Dicke, wenn es eine Stahlplatte ist) ab. Z.B. ist es möglich, für eine Stahlplatte mit einer Dicke von 10 mm oder weniger eine Kühlrate von 50°C/s oder darüber zu erreichen.
Die Temperatur, bei der das schnelle Abkühlen gestoppt wird, ist 550°C oder weniger. Wenn das Abkühlen bei einer Temperatur von über 550°C gestoppt wird, hat das Stahlmaterial eine erhöhte Ermüdungsrisswachstumsrate und somit schlechtere zyklische Erweichungseigenschaften. Eine bevorzugte Temperatur, bei der das schnelle Abkühlen gestoppt wird, ist 450°C oder weniger.
Die oben beschriebene Wärmebehandlung durch erneutes Erhitzen und anschließendes schnelles Abkühlen kann nötigenfalls zweimal oder mehrere Male durchgeführt werden. Um die so gebildete gehärtete Struktur nach der Wärme behandlung beizubehalten, wird das Stahlmaterial keiner zusätzlichen Wärmebehandlung unterzogen, außer dem nachstehend erwähnten Tempern.
Schnelles Abkühlen nach dem Heißwalzen:
Ein Stahlmaterial mit einem zyklischen Erweichungsparameter von 0,65–0,95 kann allein durch schnelles Abkühlen des heißgewalzten Stahlmaterials von einem Temperaturbereich von (Ar₃-Punkt – 100)°C auf (Ar₃-Punkt + 150)°C hergestellt werden.
Die Kühlrate kurz nach dem Heißwalzen ist wenigstens 5°C/s, und die Temperatur, bei der das schnelle Abkühlen gestoppt wird, ist 550°C oder weniger, und zwar wegen der gleichen Gründe, die oben für das Abkühlen nach dem erneuten Erhitzen beschrieben wurden.
Wenn die Temperatur, bei der das schnelle Abkühlen begonnen wird, niedriger ist als (Ar₃-Punkt – 100)°C, verschlechtern sich die zyklischen Erweichungseigenschaften und die Festigkeit. Wenn sie andererseits höher als (Ar₃-Punkt + 150)°C ist, vergröbern sich die Austenitkörnchen in dem Stahl, wodurch sich die Zähigkeit verschlechtert. Eine bevorzugte Temperatur, bei der das schnelle Abkühlen gestartet wird, liegt im Bereich von (Ar₃-Punkt – 50)°C bis (Ar₃-Punkt + 100)°C.
Nachdem die heißgewalzte Stahlplatte auf die oben beschriebene Weise schnell abgekühlt wurde, kann die oben erwähnte Wärmebehandlung durch erneutes Erhitzen und anschließendes schnelles Abkühlen einmal oder mehrere Male durchgeführt werden.
Tempern:
Das Stahlmaterial, welches nach dem Heißwalzen schnell abgekühlt wurde und/oder auf die oben beschriebene Weise erneut erhitzt wurde, kann schließlich einem Tempern unterzogen werden. Insbesondere wenn das schnelle Abkühlen mit einer höheren Kühlrate (z.B. 50°C oder höher) durchgeführt wird, wird es bevorzugt, das Tempern durchzuführen, da eine signifikante Verbesserung der Zähigkeit durch das Tempern erreicht werden kann. Die Temperungstemperatur liegt unterhalb des A_c1-Punkts des Stahls. Wenn sie höher als der A_c1-Punkt ist, verursacht das Tempern eine Austenit-Umwandlung, wodurch sich die zyklischen Erweichungseigenschaften verschlechtern und die Festigkeit und Zähigkeit abnehmen. Die Temperungstemperatur ist vorzugsweise 550°C oder weniger.
Ein Stahlmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung hat einen zyklischen Erweichungsparameter im Bereich von 0,65 bis 0,95. Es sollte dem Fachmann aus der vorhergehenden Beschreibung klar sein, dass der zyklische Erweichungsparameter durch die Bedingungen der Wärmebehandlung und des Abkühlens und/oder des Ceq eingestellt werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Ermüdungseigenschaften eines Stahlmaterials quantitativ zu bewerten und somit eine Materialkonstruktion unter Verwendung der Bewertung durchzuführen. Es wird auch möglich, ein Stahlmaterial mit einer verbesserten Beständigkeit gegenüber einem Ermüdungsrisswachstum durch die Verwendung der Materialkonstruktion bereitzustellen. Das Stahlmaterial weist selbst in einer Umgebung, die Chlor oder Chloridionen enthält, ausgezeichnete Eigenschaften auf. Daher ist es zur Verwendung in verschiedenen Strukturen, einschließlich Booten und Schiffen, marinen Strukturen, Brücken, Gebäuden, Tanks und industriellen oder Baugerätschaften, geeignet.
Beispiele
(Beispiel 1)
Stähle, die jeweils eine Zusammensetzung und einen Ceq-Wert haben, die in der Tabelle 1 aufgeführt sind, wurden durch Schmelzen in einem Testofen auf herkömmliche Weise hergestellt. Die Tabelle 1 gibt auch die Werte der Ar₃- und Ac₁-Punkte jedes Stahls an.
Jeder Stahl wurde in Form einer Platte einer Dicke von 150 mm durch normales Heißschmieden hergestellt. Die Platte wurde auf 1150°C erhitzt und heißgewalzt, um eine Stahlplatte mit einer in der Tabelle 1 aufgeführten Dicke zu erzeugen.
Die Stahlbleche wurden den folgenden Arbeitsweisen unterzogen.
Bei den Stählen 1, 2 und 13, die eine Dicke von 10 mm oder weniger hatten, wurde jede heißgewalzte Stahlplatte einer Wärmebehandlung unterzogen, indem man einmal erneut auf 200°C über den A_c1-Punkt erhitzte, anschließend mit einer Kühlrate von 60°C/s auf Raumtemperatur kühlte und schließlich ein Tempern bei 400°C durchführte.
Bei den Stählen 3–12 und 14–28 wurde jede Stahlplatte unmittelbar nach dem Heißwalzen ausgehend von einer Temperatur, die 50°C über ihrem Ar₃-Punkt lag, auf 450°C abgekühlt. Die Kühlrate war 30°C/s bei einer Plattendicke von 15 mm, 20°C/s bei einer Plattendicke von 25 mm, 10°C/s bei einer Plattendicke von 40 mm oder 5–8°C/s bei einer Plattendicke von 50 mm. Ein Tempern wurde nicht durchgeführt.
Geeignete Teststücke oder Proben wurden aus diesen Stahlplatten entnommen, um einen mittleren Anteil entlang der Dicke jeder Platte zu bewerten, und sie wurden für einen zyklischen Erweichungstest, einen Ermüdungsrisswachstumstest, einen Zugfestigkeitstest und einen Charpy-Schlagzähigkeitstest verwendet.
Der zyklische Erweichungstest wurde an der Luft bei Raumtemperatur mit einer rein alternierenden Dehnungs-Wellenform unter Verwendung eines Teststabs eines Durchmessers von 6–8 mm und einer parallelen Länge von 15 mm durchgeführt, der aus dem mittleren Teil der Stahlplatte in ihrer Dickenrichtung auf solche Weise entnommen wurde, dass die Längsrichtung des Teststabs mit der Walzrichtung übereinstimmte. Ein Dehnungsmessgerät mit einer Messlänge von 12,5 mm wurde an der parallelen Zone des Teststabs befestigt und eine axiale Kraft wurde an den Teststab angelegt, während die Dehnung unter Verwendung des Dehnungsmessgeräts als Sensor gesteuert wurde. Die verwendete Testmaschine war eine elektrisch-hydraulische Ermüdungstestmaschine mit geschlossenem Kreislauf, und die Dehnungs-Wellenform war eine schrittweise zunehmende Wellenform vom zu- und abnehmenden Typ. Die Wellenform hatte eine Frequenz von 0,5 Hz und einen Dehnungsbereich von 0,024, und die Dehnung erreichte die maximale Dehnung in 12 Zyklen während eines zunehmenden Dehnungsschrittes und kehrte in 12 Zyklen in einem abnehmenden Dehnungsschritt auf Null zurück (siehe 1).
Wie oben beschrieben wurde, wird eine Reihe eines solchen zu- und abnehmenden Schrittes als "Block" bezeichnet. Die Spannung, die der maximalen Dehnung in dem ersten Block entspricht, wurde gemessen und als σ₁ genommen, während diejenige, die der maximalen Dehnung in dem 15. Block entspricht, gemessen und als σ₁₅ genommen wurde, und das Verhältnis σ₁₅/σ₁ wurde als zyklischer Erweichungsparameter bestimmt.
In dem Ermüdungsrisswachstumstest wurde eine CT (Kompakt)-Probe auf solche Weise entnommen, dass die Risswachstumsrichtung senkrecht zur Walzrichtung der Platte vorlag. Der Test wurde an der Luft bei Raumtemperatur unter den Belastungsbedingungen einer Frequenz von 25 Hz und einem Spannungsverhältnis (minimale Spannung/maximale Spannung) von 0,1 gemäß den ASTM Spezifikationen (E647) durchgeführt.
Die Ermüdungsrisswachstumsrate wurde als die Wachstumsrate an dem Punkt bestimmt, an dem der Spannungsintensitätsfaktorbereich ΔK an der Rissspitze 20 MPa·m^0,5 betrug. Im Hinblick auf die Ermüdungsrisswachstumsrate von konventionellen Materialien, die im Bereich von 5–6 × 10^–5 mm/Zyklus liegt, wurde die anvisierte Ermüdungsrisswachstumsrate auf 4,0 × 10^–5 mm/Zyklus oder weniger eingestellt.
Der Zugversuch wurde mit einem Nr. 4 Teststück durchgeführt, das in JIS Z2201 (1998) spezifiziert ist und aus einem mittleren Teil der Stahlplatte in ihrer Dickenrichtung auf solche Weise entnommen wurde, dass die Längsrichtung des Teststücks senkrecht zur Walzrichtung der Platte vorlag.
Der Charpy-Schlagzähigkeitstest wurde mit einem in JIS Z2202 (1998) spezifizierten Spitzkerbschlagzähigkeits-Teststück durchgeführt, das aus einem mittleren Teil der Stahlplatte in ihrer Dickenrichtung auf solche Weise entnommen wurde, dass die Längsrichtung des Teststücks mit der Walzrichtung der Platte übereinstimmte. Der Test wurde dreimal bei jeder Testtemperatur wiederholt, und die Risshaltetemperatur (vTrs) wurde bestimmt.
Die Ergebnisse dieser Tests sind in der Tabelle 2 aufgeführt. In der Tabelle geben die Zeichen "o", "Δ" und "X" in dem Zugversuch und in dem Charpy-Schlagzähigkeitstest folgendes an.
In dem Zugversuch gibt das Zeichen "o" an, dass die Zugfestigkeit 500 MPa oder höher ist, und das Zeichen "Δ" gibt an, dass sie niedriger als 500 MPa ist.
In dem Charpy-Schlagzähigkeitstest gibt das Zeichen "o" an, dass die Risshaltetemperatur (vTrs) –20°C oder niedriger ist, das Zeichen "Δ" gibt an, dass sie höher als –20°C und bis zu 0°C ist, und das Zeichen "X" gibt an, dass sie höher als 0°C ist. Wenn der Wert von vTrs eines Materials –20°C oder niedriger ist, beträgt die absorbierte Energie durchschnittlich wenigstens 150 J bei 0°C und wenigstens 100 J bei –20°C.
Tabelle 2
Wie aus der Tabelle 2 ersichtlich ist, hatten die Stähle Nr. 15, 18, 25 und 27 einen zyklischen Erweichungsparameter, der außerhalb des in der vorliegenden Erfindung definierten Bereichs lag, und sie hatten eine hohe Ermüdungsrisswachstumsrate an der Luft. Der Stahl Nr. 14 hatte einen äußerst geringen zyklischen Erweichungsparameter und somit schlechte Schlagzähigkeitseigenschaften. Die Stähle Nr. 13, 16, 17, 19–24, 26 und 28 hatten einen guten zyklischen Erweichungsparameter und auch eine gute Ermüdungsrisswachstumsrate, aber ihre Festigkeits- oder Schlagzähigkeitseigenschaften waren etwas niedrig.
(Beispiel 2)
Unter Verwendung von Stahl Nr. 4 im Beispiel 1 (Ac₁-Punkt: 688°C, Ar₃-Punkt: 774°C), in dem der zyklische Erweichungsparameter, die Ermüdungsrisswachstumsrate, die Zugfestigkeit und vTrs alle ihre entsprechenden Zielwerte erreichten, wurden die Auswirkungen der Herstellungsbedingungen geprüft.
Eine 150 mm dicke Stahlplatte wurde auf 1150°C erhitzt und heißgewalzt, um eine 25 mm dicke Stahlplatte herzustellen. Der Kühlschritt nach dem Heißwalzen und/oder die Wärmebehandlung (erneutes Erhitzen und Abkühlen) nach der Vervollständigung des Heißwalzens wurden unter den in der Tabelle 3 aufgeführten Bedingungen durchgeführt. Die gleichen wie im Beispiel 1 beschriebenen Tests wurden unter Verwendung der entsprechenden Teststücke für diese Tests durchgeführt, die aus den sich ergebenden Stahlplatten entnommen wurden. Tabelle 4 zeigt den zyklischen Erweichungsparameter, die Ermüdungsrisswachstumsrate, die Zugfestigkeit und das Ergebnis des Charpy-Schlagzähigkeitstests (vTrs).
Tabelle 3
Tabelle 4
Wie aus der Tabelle 4 ersichtlich ist, hatten die Stahlplatten A bis H, bei denen die Herstellungsbedingungen in den in der vorliegenden Erfindung definierten Bereich fielen, einen zyklischen Erweichungsparameter, der im richtigen Bereich von 0,65 bis 0,95 lag, und eine Ermüdungsrisswachstumsrate, die unterhalb des maximalen Zielwerts von 4,0 × 10^–5 mm/Zyklus lag. Ihre Zugfestigkeits- und Schlagzähigkeitseigenschaften waren auch gut.
Demgegenüber hatten die Stahlplatten I bis P, bei denen die Herstellungsbedingungen außerhalb des in der vorliegenden Erfindung definierten Bereichs lagen, einen zyklischen Erweichungsparameter von größer als 0,95, und ihre Ermüdungsrisswachstumsrate erreichte nicht den Zielwert. Zusätzlich dazu wiesen bei ihnen, außer bei der Stahlplatte M, weder die Zugfestigkeit noch die Schlagzähigkeit einen angemessenen Wert auf.
(Beispiel 3)
Ein Korrosionsermüdungsrisswachstumstest und eine Korrosionsermüdung wurden mit neun Stahlplatten in der Tabelle 2 durchgeführt, d.h. die Stähle Nr. 3, 4, 5, 7, 12, 15, 18, 25 und 27.
Der Korrosionsermüdungsrisswachstumstest wurde in Meerwasser bei Raumtemperatur durchgeführt. Die in diesem Test verwendeten Teststücke waren CT-Probekörper der gleichen wie im Beispiel 1 beschriebenen Form. Der Unterschied gegenüber dem Ermüdungsrisswachstumstest an der Luft bestand darin, dass die Zyklusrate 0,17 Hz war, um dem Zyklus von Wellen im Meer vergleichbar zu sein. Das Spannungsverhältnis wurde auf 0,1 eingestellt, das mit demjenigen in dem Ermüdungsrisswachstumstest an der Luft identisch war.
Der Korrosionsermüdungstest wurde in fünf Umgebungen durchgeführt: Meerwasser von Raumtemperatur, Meerwasser von 60°C, eine wässrige gesättigte Chlorlösung von Raumtemperatur, eine 1%ige Salzlösung (wässrige Natriumchlorid-Lösung) und eine 3%ige Salzlösung von Raumtemperatur. Das hierin verwendete Meerwasser bedeutet künstliches Meerwasser, das in den ASTM-Spezifikationen vorgeschrieben ist. Raumtemperatur gibt an, dass der Test ohne Temperaturkontrolle durchgeführt wurde, während 60°C angibt, dass die Temperatur so gesteuert wurde, dass sie mittels eines Thermostaten beibehalten wurde. Die zwei Salzumgebungen wurden hergestellt, um die Auswirkung von nur Natriumchlorid auf die Korrosionsdauerfestigkeit aufzuzeigen, und die 3%ige Salzlösungsumgebung entspricht einer Meerwasserumgebung, die etwa 3,5% Natriumchlorid enthält.
Bei der Meerwasserumgebung von Raumtemperatur, die als Standardtestumgebung für einen Korrosionsermüdungstest ausgewählt wurde, wurde der Test auch unter unterschiedlichen Belastungsarten oder mit einem Teststück, das eine anders ausgearbeitete Testoberfläche aufweist, durchgeführt, um die Auswirkungen dieser Parameter zu bestimmen.
Wie die Korrosionsermüdungsrisswachstumsrate hängt die Korrosionsermüdungsfestigkeit auch stark von der Zyklusrate ab, und je niedriger die Zyklusrate ist, desto signifikanter nimmt die Korrosionsermüdungsfestigkeit ab. Daher war die Zyklusrate von wiederholten Belastungen in dem Korrosionsermüdungstest die gleiche Rate von 0,17 Hz in allen Testversuchen, damit sie an den Zyklus der Wellenbelastungen im Meer angepasst ist. Das Spannungsverhältnis wurde auf 0,1 eingestellt, was den Standardwert darstellt, der am häufigsten in einem Ermüdungstest verwendet wird.
Die in dem Korrosionsermüdungstest verwendeten Belastungsmodi waren die drei Modi Axialkraft, Biegung und Torsion, wobei die Axialkraft-Belastung der Standardbelastungsmodus war.
Ein Plattenteststück wurde im Axialkraftbelastungsmodus und dem Biegebelastungsmodus des Korrosionsermüdungstests verwendet. Die Breite des Teststücks war 80 mm an den Griffanteilen und 25 mm in dem Testanteil, wobei die Breite in einer Kurve von R100 von den Griffteilen zu dem Testteil fließend abnimmt. Die Dicke des Teststücks betrug 12 mm in den Griffteilen und 6 mm in dem Testteil, wobei die Dicke in einer Kurve von R40 von den Griffteilen zu dem Testteil fließend abnimmt.
Die in dem Torsionsbelastungsmodus verwendeten Teststücke lagen in Form eines axial symmetrischen runden Stabs vor, der einen Durchmesser von 12 mm an den Griffteilen und von 6 mm an dem Testteil hatte.
Die Testoberfläche wurde durch spanabhebende Formgebung, Plasmaschneiden oder Laserschneiden bearbeitet, wobei die spanabhebende Formgebung Standard ist.
Bei der Bewertung der Korrosionsdauerfestigkeit durch Verursachung eines Ermüdungsanrisses auf einer spanabhebend bearbeiteten Oberfläche wurde die abschließende spanabhebende Formgebung einer Testoberfläche so durchgeführt, dass die maximale Höhe der Oberflächenrauigkeit zwischen 1,6 μm und 6,3 μm entlang einer Länge von 8 mm betrug.
Im Falle der Bewertung der Korrosionsdauerfestigkeit, die von einer plasmageschnittenen Oberfläche herstammt, wurde die Plasmaschneidetechnik angewendet, wenn die flache Oberfläche eines Teststücks ausgeschnitten war. Um zu gewährleisten, dass ein Ermüdungsanriss von der plasmageschnittenen Oberfläche stammte, wurden die Ecken im Querschnitt des Teststücks mit einer Kurve von R1 mit einem kleinen Schleifgerät abgerundet. Das Plasmaschneiden wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
Bedingungen des Plasmaschneidens:

elektrischer Strom: 240 A, Spannung: 110 V, Schneidegeschwindigkeit: 1000 mm/min, Elektroden: Wolfram-Elektroden, Gas: H₂-N₂-Ar-Mischgas

Bei der Bewertung der Korrosionsdauerfestigkeit auf einer lasergeschnittenen Oberfläche wurde die ausgeschnittene Oberfläche durch Laserschneiden unter den folgenden Bedingungen hergestellt. Um zu gewährleisten, das der Ermüdungsanriss von der ausgeschnittenen Oberfläche stammte, wurde auch in diesem Fall das gleiche Abrunden wie bei der plasmageschnittenen Oberfläche verwendet.
Bedingungen für das Laserschneiden:

CO₂-Laser, Ausgangsleistung: 40 kW (kontinuierlich), Position: lateral, Schneidegeschwindigkeit: 2,5 m/min, Brennweite: 381 mm (parabolisches Kondensieren), Defokussierungsmenge: +8 mm.

In dem Korrosionsermüdungstest wurden für jeden Testversuch, d.h. jede Kombination eines Stahls und einer Testbedingung, 6 bis 8 Teststücke getestet, um eine S-N-Kurve (Dauerfestigkeitsdiagramm) herzustellen, auf der die Korrosionsdauerfestigkeit als Dauerfestigkeit Δσ (Spannungsbereich: maximale Spannung minus minimale Spannung) bei einer endlichen Lebensdauer von 1 × 10⁶ Zyklen beim Ermüdungsbruch bestimmt wurde.
Die Ergebnisse des Tests des Korrosionsermüdungsrisswachstums und des Tests der Korrosionsermüdung sind in den Tabellen 5 bzw. 6 aufgeführt. Zum Vergleich sind die Werte des zyklischen Erweichungsparameters und der Ermüdungsrisswachstumsrate an der Luft in der Tabelle 2 auch in der Tabelle 5 eingeschlossen. Tabelle 5

* Außerhalb des hierin definierten Bereichs

Wie aus der Tabelle 5 ersichtlich ist, war – obwohl die Wachstumsrate der Korrosionsermüdungsrisse (Ermüdungsrisswachstumsrate in Meerwasser) für alle Stahlmaterialien höher war als die Ermüdungsrisswachstumsrate an der Luft – der Beschleunigungsgrad der Wachstumsrate der Korrosionsermüdungsrisse in Bezug zur Ermüdungsrisswachstumsrate an der Luft (d.h. Umgebungsbeschleunigung der Ermüdungsrisswachstumsrate) fast konstant und hing kaum vom Stahltyp ab. Somit wurde bestätigt, dass die Wachstumsrate der Korrosionsermüdungsrisse eines Stahls unterdrückt werden kann, indem man seine Ermüdungsrisswachstumsrate an der Luft unterdrückt.
Aus den Ergebnissen des Korrosionsermüdungstests in Tabelle 6 ist ersichtlich, dass die Axialkraft-Ermüdungsrissfestigkeit, die von der spanabhebend (maschinell) bearbeiteten Oberfläche stammt, in Meerwasser bei Raumtemperatur mehr als 400 MPa betrug und somit für die Stähle Nr. 3, 4, 5 und 7 gemäß der vorliegenden Erfindung ausgezeichnet war, dieselbe aber für die Stähle Nr. 15, 18, 25 und 27, die Vergleichsbeispiele mit einem zyklischen Erweichungsparameter von größer als 0,95 waren, so gering wie 310 MPa war. Beim Vergleich solcher Stähle, die die vollständigen Daten aufweisen (Nr. 3 und 25), war die Korrosionsdauerfestigkeit des Stahls gemäß der vorliegenden Erfindung (Nr. 3) derjenigen des Vergleichsstahls (Nr. 25) in allen Testumgebungen, allen Testoberflächen und in allen Belastungsmodi deutlich überlegen.
Nach der Beobachtung der Bruchoberfläche und ihrer Nachbarschaft jedes Teststücks nach dem Korrosionsermüdungstest ergaben sich keine offensichtlichen Unterschiede in der Form und Größe von Korrosionsnarben zwischen den Stählen gemäß der Erfindung und den Vergleichsstählen. Beim Messen der Mikrohärte in der Nähe der Unterseite einer Korrosionsnarbe hatten alle Stähle gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch eine geringere Mikrohärte als die Vergleichsstähle. Es wird angenommen, dass ein Stahl gemäß der vorliegenden Erfindung aufgrund seiner zyklischen Erweichungseigenschaften eine reduzierte Härte hat, was die Bildung von Ermüdungsanrissen in einer korrodierenden Umgebung positiv beeinflusst.

Claims

Baustahlmaterial, wobei der Stahl die folgende Zusammensetzung in Massen-% hat: C: 0,02–0,20%; Si: höchstens 0,60%; 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%; und Rest: Fe und zufällige Verunreinigungen; und einen Wert des Kohlenstoffäquivalents Ceq, das durch die folgende Formel dargestellt wird, von 0,28 bis 0,65 aufweist: Ceq(%) = C + Si/24 + Mn/6 + Ni/40 + Cr/5 + Mo/4 + V/14;und das Stahlmaterial einen zyklischen Erweichungsparameter von wenigstens 0,65 und höchstens 0,95 hat, wobei der zyklische Erweichungsparameter durch das Verhältnis (σ₁₅/σ₁) der Spannung bei der maximalen Dehnung im ersten Zyklus (σ₁) zu derjenigen im 15. Zyklus (σ₁₅) dargestellt wird, die gemessen werden, wenn sinusförmig zunehmende und abnehmende zyklische Belastungen 15mal mit einer maximalen Zug- und Druckdehnung von ±0,012 und einer Frequenz von 0,5 Hz angewendet werden und die Zahl der Zyklen bis zur maximalen Dehnung 12 beträgt.
Stahlmaterial gemäß Anspruch 1, wobei der Stahl 0,0003–0,0020% B oder 0,0005–0,010% Ca oder beides enthält.
Verfahren zur Herstellung eines Baustahlmaterials, umfassend das ein- oder mehrmalige Durchführen einer Wärmebehandlung mit einem heißgewalzten Stahlmaterial mit einer Zusammensetzung, wie sie in Anspruch 1 bis 2 dargelegt ist, wobei die Wärmebehandlung das erneute Erhitzen auf eine Temperatur über dem Ac₁-Punkt und anschließendes Abkühlen auf 550°C oder darunter mit einer Abkühlgeschwindigkeit von wenigstens 5°C/s umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Baustahlmaterials, umfassend das Abkühlen eines heißgewalzten Stahlmaterials mit einer Zusammensetzung, wie sie in Anspruch 1 bis 2 dargelegt ist, von einem Temperaturbereich von wenigstens (Ar₃-Punkt – 100)°C und höchstens (Ar₃-Punkt + 150)°C auf 550°C oder darunter mit einer Abkühlgeschwindigkeit von wenigstens 5°C/s.
Verfahren zur Herstellung eines Baustahlmaterials, umfassend das Abkühlen eines heißgewalzten Stahlmaterials mit einer Zusammensetzung, wie sie in Anspruch 1 bis 2 dargelegt ist, von einem Temperaturbereich von wenigstens (Ar₃-Punkt – 100)°C und höchstens (Ar₃-Punkt + 150)°C auf 550°C oder darunter mit einer Abkühlgeschwindigkeit von wenigstens 5°C/s und das anschließende ein- oder mehrmalige Durchführen einer Wärmebehandlung mit dem Material, wobei die Wärmebehandlung das erneute Erhitzen auf eine Temperatur über dem Ac₁-Punkt und anschließendes Abkühlen auf 550°C oder darunter mit einer Abkühlgeschwindigkeit von wenigstens 5°C/s umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, das weiterhin am Ende das Durchführen einer Temperung mit einer Erhitzungstemperatur unterhalb des Ac₁-Punkts umfasst.