JP2003277879A - 疲労強度に優れた溶接構造用複層鋼材及び溶接鋼構造物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 浸炭により表層に内層よりもマルテンサイト
変態開始温度の低い成分の鋼材を配置して表層に圧縮残
留応力を発生させることにより、疲労強度を向上した鋼
材を安定して得ること。 【解決手段】 表層が浸炭層からなる複層鋼材であっ
て、表層のマルテンサイト変態開始温度Ｍｓｓ（℃）お
よび表層を除く内層のマルテンサイト変態終了温度Ｍｆ
ｉ（℃）が、５０℃≦Ｍｓｓ≦３５０℃、Ｍｓｓ≦Ｍｆ
ｉ−１００℃を満足することを特徴とする疲労強度に優
れた溶接構造用複層鋼材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は自動車、建設機械、
船舶、海洋構造物、橋梁、建築物、貯槽、ペンストック
等に利用される疲労特性の優れた溶接構造用鋼材、及び
それを用いた溶接鋼構造物にかかわるものであり、更に
詳しくは、溶接の際の冷却過程において内層を先にマル
テンサイト変態させ、変態膨張が終了したのち表裏層の
マルテンサイト変態を開始させて、変態膨張による圧縮
残留応力を誘起させることにより溶接部の疲労強度を向
上させた溶接構造用複層鋼板、及びそれを用いた溶接鋼
構造物に関するものである。

【０００２】ここで変態膨張とは、図１に示すように鋼
材が溶接などにより加熱されたときの冷却過程でオース
テナイト組織からマルテンサイト組織に変態し、その際
体積が膨張する現象である。

【０００３】

【従来の技術】一般に構造用鋼板母材の疲労強度は母材
強度の増加につれて増加するが、溶接された継手の疲労
強度（以下、継手疲労強度という）は、母材強度を上昇
させても向上しないことが通説となっていた。従って、
高張力鋼の継手疲労強度は低強度鋼のそれとほぼ同じで
あり、疲労破壊が問題となる鋼構造物では、高張力鋼を
用いても設計強度を上げることが出来なかった。このよ
うな状況に対し、表層と内層に特性を分けた鋼材の検討
が進められ、例えば特開平８−２４６１０２号公報では
疲労強度向上の観点から表裏面からそれぞれ１ｍｍ以上
の表裏層の化学組成としてＮｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｗを１種又
は２種以上含有し、０．５≦６Ｎｂ＋３Ｖ＋６Ｔｉ＋２
Ｗ≦６．０を満たす複層高張力鋼を提案している。

【０００４】また、特開平８−２８３８９８号公報で
は、表裏面に耐食性を高めるＰとＣｕを含有し、内層に
はＰを少なくして溶接性と疲労特性を高めた複層鋼板、
及びその製造方法を提案している。

【０００５】加えて、表裏層を浸炭させる方法として
は、特開平１−３１２０２７号公報において、浸炭によ
り表層部のマルテンサイト変態開始温度を内層部より低
くし、恒温処理により内層のみをマルテンサイト変態さ
せた後に冷却して表層をマルテンサイト変態させて表層
に圧縮残留応力を発生させる方法を提案している。

【０００６】また、特開平７−３３２４号公報におい
て、浸炭後除冷してその後表面のみ焼き入れることによ
り表面に圧縮残留応力を導入する方法、特開平９−３１
０１６５号公報において、表層を浸炭及び／又は窒化す
ることにより表面を硬化する方法、特開平４−３０１０
３２号公報において、浸炭硬化層の濃度及び深さ、平均
オーステナイト量を規定してショットピーニング処理後
サブゼロ処理する方法が提案されている。

【０００７】また、高張力鋼の溶接部疲労強度向上を目
的として、溶接材料及び溶接金属のマルテンサイト変態
開始温度を規定する方法が、特開２００１−２４６４９
５号公報に開示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】これら従来技術のう
ち、まず特開平８−２４６１０２号公報ではＮｂ、Ｖ、
Ｔｉ、Ｗの元素を６Ｎｂ＋３Ｖ＋６Ｔｉ＋２Ｗ≧０．５
となるように１ｍｍ以上の表層にこれらの元素を添加し
た鋼材であり、表層にＣを浸炭させた本発明の鋼材とは
異なる。

【０００９】更に、特開平８−２８３８９８号公報では
Ｃｕの添加による疲労強度向上効果を狙った上に、Ｐに
よる耐食性向上効果を表裏層に持たせているのに対し、
本発明の鋼材は表層にＣを浸炭させた鋼材のため異なる
発明である。なお、特開平８−２８３８９３号公報の鋼
材はＣｕ添加は凝固割れ防止の観点からＮｉも相当量添
加する必要があること、更に鋳造段階から２種の化学組
成を持つ溶鋼を準備して複層構造になるように鋳造する
方法であることから高コスト化は避けられない。

【００１０】表裏層を浸炭させる方法である特開平１−
３１２０２７号公報は、浸炭により表層のマルテンサイ
ト変態開始温度を内層より１９０℃下げた鋼材につい
て、図２（ａ）に示すように表層と内層は温度を同じ
（均一温度）にして、かつ、内層のみがマルテンサイト
変態する温度（表面がマルテンサイト変態する温度より
高温）に保持する恒温処理により、最初に内層をマルテ
ンサイト変態させてその後冷却することにより、表層を
マルテンサイト変態させる方法を開示しているのに対
し、本発明は、少なくと表層のマルテンサイト変態開始
温度Ｍｓｓ点を内層のマルテンサイト変態終了温度Ｍｆ
ｉ点よりも１００℃以上下げ、更に、表層のマルテンサ
イト変態開始温度Ｍｓｓ点を内層のマルテンサイト変態
開始温度Ｍｓｉよりも２００℃以上下げた鋼材であるた
め、特開平１−３１２０２７号公報とは異なる鋼材であ
る。また、本発明の特徴となる溶接部の変態現象を述べ
ると本発明の鋼板は、図２（ｂ）に示すように、表層と
内層においてそれぞれ温度分布（等温線）をもち連続的
に冷却されている溶接熱影響部を対象として、内層で最
後にマルテンサイト変態を終了する位置、すなわち溶接
金属近傍の熱影響部（領域Ａ）が変態を終了した後に、
表層で最初にマルテンサイト変態を開始する位置、すな
わち溶接金属に遠い（領域Ｂ）位置でマルテンサイト変
態を開始するように、表層のマルテンサイト変態開始温
度を浸炭により下げた鋼材であり、特開平１−３１２０
２７号公報とはマルテンサイト変態温度を制御する思
想、用途も異なる発明である。

【００１１】特開平７−３３２４号公報は、浸炭により
表面の炭素濃度を増大させたのち、高周波焼き入れ等に
より表面のみを焼き入れてマルテンサイト変態させる方
法を提案しているが、特に内層の成分は限定せず表層の
炭素濃度のみを増加させているのに対し、本発明は内層
のマルテンサイト変態終了温度Ｍｆｉ点を考慮し、表層
のマルテンサイト変態開始温度Ｍｓｓ点をこのＭｆｉ点
より１００℃以上下げた鋼材であり、特開平７−３３２
４号公報では考慮されていない特性である疲労強度を向
上させている点で異なる発明である。その他、特開平７
−３３２４号公報ではＨｖ＝５５０で規定する浸炭深さ
が１．２〜３．０ｍｍと相当深いのに対し本発明は浸炭
深さを０．１〜１．０ｍｍに限定している点でも異なる
鋼材である。

【００１２】また、特開平９−３１０１６５号公報、及
び特開平４−３０１０３２号公報は、いずれも鋼板は表
層のマルテンサイト変態開始温度、及び内層のマルテン
サイト変態終了温度、並びにこれらの関係についての規
定が全くない点で本発明の鋼材とは異なる。

【００１３】また更に、特開２００１−２４６４９５号
公報は、溶接材料及び溶接金属のマルテンサイト変態開
始温度を規定することにより、溶接金属に圧縮残留応力
を発生させて疲労強度を向上させる技術であり、具体的
にはＣｒ及びＮｉを３．０％以上含む溶接金属あるいは
両方の元素を６．０％以上含む溶接材料である点で、浸
炭により表面のマルテンサイト変態開始温度、及び内層
のマルテンサイト変態終了温度を規定した本発明とは根
本的に異なる。

【００１４】本発明の目的は、高価な元素の添加や複雑
な製造工程を経ることなく継手疲労強度を向上させる鋼
板、およびそれを用いて継手疲労強度を向上させた溶接
鋼構造物を安定して得ようとするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の要旨とするところは以下の通りである。

【００１６】（１） 表層が浸炭層からなる複層鋼材で
あって、表層のマルテンサイト変態開始温度Ｍｓｓ
（℃）及び表層を除く内層のマルテンサイト変態終了温
度Ｍｆｉ（℃）が、５０℃≦Ｍｓｓ≦３５０℃、Ｍｓｓ
≦Ｍｆｉ−１００℃を満足することを特徴とする疲労強
度に優れた溶接構造用複層鋼材。

【００１７】（２） 表層が浸炭層からなる複層鋼材で
あって、表層のマルテンサイト変態開始温度Ｍｓｓ
（℃）及び表層を除く内層のマルテンサイト変態開始温
度Ｍｓｉ（℃）が、５０℃≦Ｍｓｓ≦３５０℃、Ｍｓｓ
≦Ｍｓｉ−２００℃を満足することを特徴とする疲労強
度に優れた溶接構造用複層鋼材。

【００１８】（３） 表層及び内層が何れも、質量％
で、０．０１％≦Ｓｉ≦２．０％、０．０５％≦Ｍｎ≦
３．０％、Ｓ≦０．０５％、０．００１％≦Ａｌ≦０．
１％を含有し、表裏層は０．３％≦Ｃ≦０．８％、内層
は０．００３％≦Ｃ≦０．３％を含有し、残部は鉄及び
不可避的不純物からなり、更に表層及び内層の組成が、
質量％で（１）式及び（２）式を満たすことを特徴とす
る上記（１）又は（２）項記載の溶接構造用複層鋼材。 ５０≦７１９−７９５Ｃ［表層]−３５．５５Ｓｉ［内層］−１３．２５Ｍｎ ［内層］−２３．７Ｃｒ［内層］−２６．５Ｎｉ［内層］−２３．７Ｍｏ［内層 ］−１１．８５Ｎｂ［内層］≦３５０ ・ ・ ・（１） Ｃ［表層]≧Ｃ［内層]＋０．２５ ・ ・ ・（２）

【００１９】（４） 表層の厚さが０．１〜１．０ｍｍ
であることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１
項に記載の疲労強度に優れた溶接構造用複層鋼材。

【００２０】（５） 表層、内層のいずれか一方又は双
方が、更に質量％で、０．０２％≦Ｐ≦０．２％、０．
１％≦Ｃｕ≦２．０％、０．１％≦Ｎｉ≦５．０％、
０．１％≦Ｃｒ≦５．０％、０．１％≦Ｍｏ≦４．０
％、０．００５％≦Ｎｂ≦１．０％、０．００５％≦Ｖ
≦２．０％、０．００５％≦Ｔｉ≦１．０％、０．００
０１％≦Ｂ≦０．０１％の１種又は２種以上を含有する
ことを特徴とする上記（３）又は（４）項記載の疲労強
度に優れた溶接構造用複層鋼材。

【００２１】（６） 上記（１）〜（５）項の何れか１
項に記載の鋼材を少なくとも１箇所用いることを特徴と
する疲労強度に優れた溶接鋼構造物。

【００２２】（７） 上記（１）〜（５）項の何れか１
項に記載の鋼材と、成分及び／又は板厚の異なる鋼材と
を予めつなぎ合わせた鋼材を少なくとも１箇所用いるこ
とを特徴とする疲労強度に優れた溶接鋼構造物。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下に本発明を詳細に説明する。

【００２４】溶接鋼構造物に疲労荷重が負荷されると、
主に溶接止端から微小な亀裂が発生し、やがて伝播して
亀裂が成長して破壊に至る。このような溶接部の疲労破
壊の主因は、止端の応力集中、及び溶接による引張残留
応力であると言われている。この引張残留応力は、溶接
時の加熱・冷却過程で塑性変形を受けた部分に生じ、溶
接金属のみならず数百℃に加熱された溶接熱影響部にも
発生し、疲労強度を低下させる。溶接の冷却過程では化
学成分にもよるが通常、５００〜７００℃でマルテンサ
イト変態を生じ、一度体積膨張するが、変態が終了する
と再び収縮を開始し、室温に冷却されるまでの収縮ひず
みに相当する応力が引張残留応力となる。この溶接時の
残留応力が引張ではなく、逆に圧縮応力になるような鋼
材であれば、疲労強度を向上させることが可能となる。
圧縮残留応力は疲労亀裂が発生する前段では金属組織内
での転位の集積さらには疲労亀裂の発生を遅らせ、ま
た、疲労亀裂が発生して伝播する途中では、疲労亀裂に
閉口現象を誘起させることにより、疲労強度を向上させ
る。なお、亀裂閉口現象とは、図３（ａ）〜（ｄ）に示
すように、疲労荷重が上限荷重Ａから下限荷重Ｃに変化
する途中で亀裂先端が閉じ始める現象であり（図３
（ｃ）参照）、本発明の鋼材の場合、圧縮残留応力によ
り強制的に亀裂の上下面を下限荷重Ｃに達する途中で接
触を開始させることにより生じるものである。

【００２５】本発明者らは、鋼材の組成、分布と溶接止
端の溶接残留応力について検討を重ねた結果、止端近
傍、すなわち表層のマルテンサイト変態開始温度を５０
〜３５０℃にし、かつ表層のマルテンサイト変態開始温
度を内層のマルテンサイト変態終了温度よりも１００℃
以上低くした鋼材が、溶接された際に疲労強度を向上さ
せる効果の大きいことを見出した。すなわち、表層のマ
ルテンサイト変態開始温度をＭｓｓ（℃）、内層のマル
テンサイト変態終了温度をＭｆｉ（℃）とするとき、５
０℃≦Ｍｓｓ≦３５０℃、Ｍｓｓ≦Ｍｆｉ−１００℃の
鋼材は継手疲労強度が高い。更に、内層のマルテンサイ
ト変態開始温度をＭｓｉ（℃）とするとき、５０℃≦Ｍ
ｓｓ≦３５０℃、Ｍｓｓ≦Ｍｓｉ−２００℃の場合にも
同様に継手疲労強度が高いことを見出した。

【００２６】本発明の鋼材が高い継手疲労強度を有する
のは以下の理由による。

【００２７】本発明の鋼材は、表層のマルテンサイト変
態開始温度を通常より低くし、室温付近でマルテンサイ
ト変態が終了するようにしているため、溶接された場
合、冷却がほぼ終了する室温付近で変態膨張が終了し、
それ以後はほとんど収縮しないことから、溶接止端は圧
縮残留応力が発生する。特開平７−３３２４号公報に記
載されているように、浸炭処理を行い、表層のみを焼き
入れて変態膨張させることでも表面に圧縮残留応力を発
生させることは可能であるが、この場合内層には変態は
生じず、内層は単に表層の変態を押さえるのみで、図４
（ａ）に示すように表層に大きな圧縮残留応力を与える
ほどの拘束力は得られない。本発明の鋼材は更に内層の
マルテンサイト変態が完全に終了したのち、表層でマル
テンサイト変態が開始するように成分調整されているた
め、表層が変態膨張しているときに内層が収縮してお
り、内層は表層を積極的に拘束しているため図４（ｂ）
のように表層には大きな圧縮応力が残留して、継手疲労
強度が向上する。表層及び内層のＭｓ点及び内層のＭｆ
点は、含有元素が全部オーステナイト中に固溶すると思
われる１１００℃以上に加熱した後、水冷により焼き入
れたときの温度と伸びの関係を焼入膨張計等により図５
に示すように測定し、マルテンサイト変態により膨張が
始まる温度をＭｓ点、膨張が終了する温度をＭｆ点と定
義した。なお、表層は試験片の採取が困難な場合には、
分光分析もしくは電子線マイクロアナリシスにより炭素
の濃度を測定した後、浸炭前の鋼材に対して同じ炭素濃
度が十分な深さまで均一に得られるように浸炭処理を行
った材料を製作し、Ｍｓ点を求める試験片を採取するこ
とにより図５と同じ方法で求める。なお、上記以外に、
熱分析をオシログラフなどで行い、Ｍｓ点での発熱反応
による冷却曲線の折点により求める方法、さらには顕微
鏡によりＭｓ点を求める方法（熱処理の基礎（Ｉ）、日
本熱処理技術協会編、日刊工業新聞社１９７０年発行、
ｐ．１１１）でも良い。

【００２８】また、上記機構を発現するための添加元素
は本発明の場合、表層のＣ、及び内層のＣ、Ｓｉ、Ｍ
ｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂの含有量を、 ５０≦７１９−７９５Ｃ［表層]−３５．５５Ｓｉ［内層］−１３．２５Ｍｎ ［内層］−２３．７Ｃｒ［内層］−２６．５Ｎｉ［内層］−２３．７Ｍｏ［内層 ］−１１．８５Ｎｂ［内層］≦３５０ ・ ・ ・（１） Ｃ［表層]≧Ｃ［内層]＋０．２５ ・ ・ ・（２） を満足するように調整されることが望ましい。（１）式
は多数の成分系からなる実験を行い、重回帰分析により
求めたものである。また、（２）式は表層のマルテンサ
イト変態開始温度が内層より２００℃以上低くなるため
の表層及び内層のＣ量の関係を（１）式により求めたも
のである。

【００２９】次に、表層の厚さ限定理由を述べる。

【００３０】マルテンサイト変態開始温度の低い表層
は、浸炭層を配置することにより得ることが出来、その
厚さは表面から０．１〜１．０ｍｍまでの深さとするこ
とが望ましい。疲労強度を大きく向上させるためには、
疲労亀裂発生以前のみならず発生後の過程についても圧
縮残留応力が作用することが必要であり、そのために
は、疲労亀裂が伝播する過程で、圧縮残留応力が疲労亀
裂の閉口現象を誘起する機構を使うことが有効であり、
この亀裂閉口現象が顕著に現われるのは、亀裂長さが短
い場合である。亀裂閉口現象が顕著に生じる応力拡大係
数範囲は、一般に３Ｍｐａ√ｍ〜１０Ｍｐａ√ｍの間で
あり、応力拡大係数範囲が３Ｍｐａ√ｍから１０Ｍｐａ
√ｍまで伝播する期間は、亀裂長さが約１０倍になる期
間に相当するが、このことは初期亀裂として認識できる
亀裂長さを大きめにとって０．１ｍｍとした場合でも高
々１ｍｍの長さまでに亀裂閉口現象が顕著であることを
示している。１ｍｍ超の範囲に圧縮残留応力が生じてい
れば、加算的に疲労強度向上に寄与するが、浸炭層を配
置する効率を考えると特に圧縮残留応力の範囲が１．０
ｍｍ以下の場合にはその効果が著しいことから表層の厚
さの上限を１．０ｍｍとした。表層の厚さの下限につい
ては、金属組織の結晶粒内を横断するすべり帯が“亀
裂”と認識され、更に、初期亀裂と亀裂先端の塑性域を
足した長さをカバーする範囲まで圧縮残留応力が発生し
ていれば、亀裂が閉口して疲労亀裂伝播を遅らせること
を知見し、その長さ（表裏面から板厚方向への厚さ）は
少なくとも０．１ｍｍは必要であることから、表層の厚
さ下限を０．１ｍｍとした。

【００３１】表層と内層は以下のように区分する。すな
わち、表層の厚さはＪＩＳ Ｇ０５５７「鋼の浸炭硬化
層深さ測定方法」に記載の硬さ試験による測定法、もし
くはマクロ組織試験による測定法よって求められる表裏
面片側の全硬化層深さの平均値と定義し、表層以外を内
層と定義する。

【００３２】なお、本発明は鋼材の溶接する側に浸炭さ
れた層があれば良く、必ずしも表裏面に浸炭層が必要な
訳ではなく、片側のみが浸炭された鋼材でも構わない。

【００３３】次に本発明の鋼材における各成分の限定理
由を述べる。

【００３４】内層のＣは多くなると溶接性を損なうため
少なくすることが望ましく、０．３０％以下である必要
があるが、鋼材全体の強度確保のためには、０．００３
％以上は必要である。一方、表層のＣはマルテンサイト
変態開始温度を３５０℃以下にするには０．３％は必要
であるが、０．８％超では室温でも変態しなくなるので
０．３〜０．８％とする。なお、表層のＣは、浸炭によ
り表層内部でも連続的に変化しているため、表層の厚さ
中央部でのＣ濃度と定義する。

【００３５】以下は、表層、内層共通の限定である。

【００３６】Ｓｉは強度を確保するのに有用であり、
０．０１％以上は必要であるが、２．０％超を添加する
と溶接性を損なうので含有量は２．０％以下とする。

【００３７】Ｍｎは安価に強度を上げる元素として有用
であり、強度確保のため０．０５％以上は必要であるが
３．０％超を添加すると溶接性を損なうので含有量は
０．０５〜３．０％とする。

【００３８】Ｓは製鋼工程で不可避的に鋼材に含まれる
が、多すぎると溶接性及び靭性を損なうので０．０５％
以下とする。

【００３９】Ａｌは脱酸のため０．００１％以上必要で
あるが、０．１％超を添加すると鋼中の介在物が多くな
りすぎ、靭性を低下させるため０．１％を上限とする。

【００４０】Ｐ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、
Ｔｉ、Ｂはいずれも継手疲労特性を向上させる成分であ
り、溶接金属に影響してかかる疲労強度を向上させてい
ると考えられる。この点でこれらの成分は同効成分であ
り、本発明ではこれらの成分を１種又は２種以上含有さ
せることが好ましい。しかし、過剰の添加はいずれも溶
接金属の材質を劣化させるので、Ｐは０．０２％以上
０．２％以下、Ｃｕは０．１％以上２．０％以下、Ｎｉ
は０．１％以上５．０％以下、Ｃｒは０．１％以上５．
０％以下、Ｍｏは０．１％以上４．０％以下、ＮｂとＴ
ｉはそれぞれ０．００５％以上１．０％以下、Ｖは０．
００５％以上２．０％以下、Ｂは０．０００１％以上
０．０１％以下とする。なお、Ｐは通常の製鋼工程にお
いて、０．０２％未満は不可避的に鋼材に含まれる元素
であるので、従来の溶接鋼構造物よりも疲労強度を向上
させるためには０．０２％以上の添加することが好まし
い。

【００４１】なお、本発明におけるＮは、疲労強度に及
ぼす影響は小さいので、その成分範囲は特に限定するも
のではない。

【００４２】本発明では特に鋼材の形状を規定していな
いが、薄鋼板、厚鋼板など鋼板に限らず、鋼管、形鋼、
棒鋼などでも実施することが可能である。

【００４３】上述した本発明を応用することにより、溶
接部の疲労強度を向上させる手段として、表層のマルテ
ンサイト変態開始温度Ｍｓｓ点（℃）、内層のマルテン
サイト変態終了温度Ｍｆｉ点（℃）が、５０℃≦Ｍｓｓ
≦３５０℃、Ｍｓｓ≦Ｍｆｉ−１００℃となるように表
層を浸炭させる方法、及び、内層がマルテンサイト変態
を終了した後、表層がマルテンサイト変態を開始するよ
うに浸炭処理された鋼材を溶接する方法も考えられる。
その際の浸炭の方法は特に規定するものではなく、木炭
等を用いた固体浸炭法、ＣＯ、Ｈ₂、Ｎ₂にＣＨ₄などを
添加したガス浸炭法、シアン化塩とシアン酸塩の混合浴
などを用いる液体浸炭法のいずれでも構わない。また溶
接方法としては、被覆アーク溶接、ガスシールドアーク
溶接、ＴＩＧ溶接、サブマージアーク溶接のみならず、
スポット溶接、プロジェクション溶接などの抵抗溶接、
電子ビーム溶接、レーザー溶接、超音波溶接等にも適用
可能である。

【００４４】更に、本発明の鋼材を構造物の一部又は全
部に用いることにより、疲労強度を高めた溶接鋼構造物
を作成することが可能である。すなわち、付加物を溶接
するなど疲労破壊の起点となる部分には本発明の複層鋼
材を用い、その他の部分には、必ずしも疲労強度の高く
ない高張力鋼材を用いることにより、鋼構造物全体の質
量を低減することが可能であり、具体的には、例えば本
発明の鋼材と他の高張力鋼材をレーザー溶接などの接合
方法で予めつなぎ合わせていわゆるテーラードブランク
材としておき、成形加工などが施されたのち本発明の鋼
材の部分に付加物を溶接することにより、全体として軽
量でかつ高疲労強度を有する溶接構造物を得ることが可
能である。

【００４５】

【実施例】表１に示す化学組成を持つ板厚２ｍｍの薄鋼
板を加熱して表裏層に浸炭処理を行った。表１中には鋼
材の化学組成、機械的性質、熱サイクル試験に基づく表
裏層のマルテンサイト変態開始温度、内層のマルテンサ
イト変態開始温度及び変態終了温度、板厚、（１）式の
値、浸炭温度及び保持時間、硬さ試験より求めた表裏層
の厚さ（平均厚さ）、（１）式及び（２）式適合の有
無、並びに疲労強度を示す。表裏層のマルテンサイト変
態開始温度は、浸炭前の鋼材から採取した熱サイクル試
験片について、試験片全体が浸炭後測定された表裏層の
Ｃ濃度と同じ濃度になるように浸炭雰囲気を調節して浸
炭を行って製作した試験片を用いて測定した。

【００４６】これらの鋼材に対してＴＩＧ溶接用材料を
用いて重ね隅肉溶接継手を図６に示す寸法で製作し、両
振り（応力比―１）での疲労試験における２００万回疲
労強度を求め表１の最右欄に応力範囲で示した。

【００４７】Ｎｏ．１４〜１７の従来継手に比べて、本
発明継手Ｎｏ．１〜１３は全て疲労強度が向上してお
り、最も疲労強度の低いＮｏ．１継手でも２０％以上の
疲労強度向上が認められる。

【００４８】

【表１】

【００４９】

【表２】

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の鋼材及び
溶接構造物（溶接継手）は、鋼材表裏層のマルテンサイ
ト変態開始温度を低くし、溶接された側の表層が変態膨
張時に内層を熱収縮状態にさせることにより、表層の溶
接残留応力を圧縮応力にする機構に基づいているため、
その原理は溶接方法、継手形式などによらず広範囲にわ
たり適用可能である。従って疲労破壊が問題となる溶接
鋼構造物での使用に際し、設計面で特別な配慮を必要と
せず高い疲労強度を安定して得ることが可能であり、工
業的な価値が極めて高い発明であるといえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】変態膨張の説明図である。

【図２】（ａ）従来技術と（ｂ）本発明における変態温
度制御の違いの説明図である。

【図３】（ａ）亀裂閉口現象の説明図である。 （ｂ）上限荷重Ａにおいて亀裂が開口している状態を示
す図である。 （ｃ）上限荷重Ａから下限荷重Ｃに変化する途中の荷重
Ｂで亀裂先端が閉じ始める現象を示す図である。 （ｄ）下限荷重Ｃにおいて亀裂が閉口している状態を示
す図である。

【図４】 内層の熱収縮のない状態（ａ）及びある状態
（ｂ）における圧縮残留応力の大きさの違いの説明図で
ある。

【図５】Ｍｓ点及びＭｆ点の説明図である。

【図６】本発明の実施例における重ね隅肉継手の試験片
形状、寸法の説明図である。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表層が浸炭層からなる複層鋼材であっ
   て、表層のマルテンサイト変態開始温度Ｍｓｓ（℃）及
   び表層を除く内層のマルテンサイト変態終了温度Ｍｆｉ
   （℃）が、５０℃≦Ｍｓｓ≦３５０℃、Ｍｓｓ≦Ｍｆｉ
   −１００℃を満足することを特徴とする疲労強度に優れ
   た溶接構造用複層鋼材。
2. 【請求項２】 表層が浸炭層からなる複層鋼材であっ
   て、表層のマルテンサイト変態開始温度Ｍｓｓ（℃）及
   び表層を除く内層のマルテンサイト変態開始温度Ｍｓｉ
   （℃）が、５０℃≦Ｍｓｓ≦３５０℃、Ｍｓｓ≦Ｍｓｉ
   −２００℃を満足することを特徴とする疲労強度に優れ
   た溶接構造用複層鋼材。
3. 【請求項３】 表層及び内層が何れも、質量％で、０．
   ０１％≦Ｓｉ≦２．０％、０．０５％≦Ｍｎ≦３．０
   ％、Ｓ≦０．０５％、０．００１％≦Ａｌ≦０．１％を
   含有し、表裏層は０．３％≦Ｃ≦０．８％、内層は０．
   ００３％≦Ｃ≦０．３％を含有し、残部は鉄及び不可避
   的不純物からなり、更に表層及び内層の組成が、質量％
   で（１）式及び（２）式を満たすことを特徴とする請求
   項１又は２記載の溶接構造用複層鋼材。 ５０≦７１９−７９５Ｃ［表層]−３５．５５Ｓｉ［内層］−１３．２５Ｍｎ ［内層］−２３．７Ｃｒ［内層］−２６．５Ｎｉ［内層］−２３．７Ｍｏ［内層 ］−１１．８５Ｎｂ［内層］≦３５０ ・ ・ ・（１） Ｃ［表層]≧Ｃ［内層]＋０．２５ ・ ・ ・（２）
4. 【請求項４】 表層の厚さが０．１〜１．０ｍｍである
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の疲
   労強度に優れた溶接構造用複層鋼材。
5. 【請求項５】 表層、内層のいずれか一方又は双方が、
   更に質量％で、０．０２％≦Ｐ≦０．２％、０．１％≦
   Ｃｕ≦２．０％、０．１％≦Ｎｉ≦５．０％、０．１％
   ≦Ｃｒ≦５．０％、０．１％≦Ｍｏ≦４．０％、０．０
   ０５％≦Ｎｂ≦１．０％、０．００５％≦Ｖ≦２．０
   ％、０．００５％≦Ｔｉ≦１．０％、０．０００１％≦
   Ｂ≦０．０１％の１種又は２種以上を含有することを特
   徴とする請求項３又は４記載の疲労強度に優れた溶接構
   造用複層鋼材。
6. 【請求項６】 請求項１〜５の何れか１項に記載の鋼材
   を少なくとも１箇所用いることを特徴とする疲労強度に
   優れた溶接鋼構造物。
7. 【請求項７】 請求項１〜５の何れか１項に記載の鋼材
   と、成分及び／又は板厚の異なる鋼材とを予めつなぎ合
   わせた鋼材を少なくとも１箇所用いることを特徴とする
   疲労強度に優れた溶接鋼構造物。