JP2009047462A - 変形シャルピー衝撃試験片および厚鋼板の脆性破壊伝播停止特性の品質管理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】厚鋼板の脆性破壊伝播停止特性を簡易に評価することのできる、変形シャルピー衝撃試験片および厚鋼板の脆性破壊伝播停止特性の品質管理方法を提供する。
【解決手段】厚鋼板の脆性破壊伝播停止性能Ｋｃａ値を評価するに際し、厚さ１０ｍｍ、幅１５ｍｍ〜２５ｍｍ、長さ５５ｍｍの変形シャルピー衝撃試験片、好ましくはシェブロンノッチ変形シャルピー衝撃試験片を用いて、シャルピー衝撃試験を行い、７０Jエネルギー遷移温度ｖＴ_{ＣＮ７０Ｊ}（℃）が、次式（１）で計算されるｖＴ_{ＣＮ７０Ｊ}（℃）以下である場合に、脆性破壊伝播停止試験で求められる脆性破壊伝播停止性能Ｋｃａ値がＴ_０℃で３９００（N／ｍｍ^１．５）以上であると判定することを特徴とする。

【選択図】なし

Description

本発明は、船舶、低温タンク、発電用水圧鉄管などの大型構造物に用いられる、脆性破壊伝播停止特性に優れた厚鋼板の品質管理方法に好適な、変形シャルピー衝撃試験片および厚鋼板の脆性破壊伝播停止特性の品質管理方法に関するものである。

脆性破壊は鉄鋼材料等の構造材料において、時として大規模な塑性変形を伴わず、材料の降伏強度以下の低応力で発生し、１０００ｍ／ｓ程度の高速で長距離伝播して構造物が一瞬の内に破壊するため、安全上きわめて重要な現象である。

この脆性破壊の発生を防止するための手法としては、非特許文献１に規定されるＣＴＯＤ（Crack-Tip
Opening Displacement)試験等の評価試験を用いた非特許文献２等の防止法が提案され、各種規格に取り入れられ、脆性破壊の発生防止が可能になってきている。

一方、脆性破壊は、一瞬の内に高速伝播するため、特に大規模構造物では、万が一脆性破壊が発生した場合でも、き裂の伝播防止することが出来れば、安全性を格段に上げることが可能になる。実際に、ＬＮＧ（Liquified Natural
Gas）やＬＰＧ（Liquified Petrolium Gas）等の低温タンクに用いられる低温用鋼や、水圧鉄管用鋼材、造船用鋼材等では、非特許文献３に規定される脆性破壊伝播停止試験のような大型破壊試験で測定される脆性破壊伝播停止特性Ｋｃａ値、に対する要求値が規定されている。

これらの試験は、試験実施のための工期、コストが大きく、一般に品質管理のための試験としては適当ではない。そこで、代表的な簡易評価試験であるシャルピー衝撃試験法と脆性破壊伝播停止特性を用いた相関式が非特許文献４〜６にあるように提案され、シャルピー衝撃試験を規定して脆性き裂伝播停止特性を期待することが従来行われてきた。

さらに、脆性き裂伝播停止特性は板厚依存性があるため、非特許文献４または５では板厚依存性についても考慮されている。

また、非特許文献４にあるプレスノッチシャルピー衝撃試験法、ＡＳＴＭ（American
Standard of Testing and Materials）規格Ｅ−２０８に規定されている落重試験法や、非特許文献３にあるような切欠き付き曲げ試験法（ＴＫＢ試験法）等による評価も検討されてきた。
日本溶接協会ＷＥＳ１１０８規格 日本溶接協会ＷＥＳ２８０５規格 日本溶接協会規格「ＷＥＳ鋼種認定試験方法」（1995） 日本溶接協会ＷＥＳ３００３規格「低温用圧延鋼板判定基準」（1995） 日本鉄鋼協会「データシートシリーズ４」（1982） 井上他「ＴＫＢ試験による脆性き裂の伝播停止阻止性能評価」溶接学会全国大会講演概要 第42集 p.238（1988）

しかしながら、シャルピー衝撃試験は脆性破壊の発生特性の影響を強く受けるため、脆性破壊の伝播停止特性との相関は大きなバラツキを含んでおり、精度上大きな問題があった。また、プレスノッチシャルピー衝撃試験法のように、脆性破壊の発生を容易にし、脆性破壊の伝播停止特性を評価しようとした手法も提案されたが、発生特性の影響が大きく残り、十分な精度は得られなかった。

一方、落重試験法、ＴＫＢ試験法等の試験法は、簡易評価法に分類されるもの、試験片形状や試験片加工コストが大きく、一方で精度上の問題もあり、出荷試験として実施するには不十分であった。

そこで、本発明は、上記課題を有利に解決して、厚鋼板の脆性破壊伝播停止特性を簡易に評価することのできる、変形シャルピー衝撃試験片および厚鋼板の脆性破壊伝播停止特性の品質管理方法を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、出荷試験等に使用可能な簡易評価法の条件として、広く普及した既存の試験機で評価可能であること、試験片の製作コストがシャルピー衝撃試験片の数倍程度以内であることを前提にして検討した。

脆性破壊伝播停止特性を精度良く評価するためには、脆性き裂の発生を容易にする必要がある。そこで、脆性き裂の発生を容易にするために、シャルピー衝撃試験片の切欠き比を大きくした変形シャルピー衝撃試験片を着想した。しかし、シャルピー衝撃試験片に単純に上記の改良を加えると、切欠き位置での断面積が小さくなり、脆性破壊伝播停止特性の評価に適さないため、標準シャルピー衝撃試験片の切欠き位置の断面積と一致させる形状で、かつ既存のシャルピー衝撃試験機で試験可能な形状とすることが好ましいことを見出した。
本発明は、以上のような検討の結果初めて成されたものであり、その要旨は以下のとおりである。
（１） ＪＩＳ Ｚ ２２４２に規定されるシャルピー衝撃試験に用いられる試験片であって、シャルピー衝撃試験機に取付けられた状態において、前面の長さ方向の中央に所定形状の切欠き部を有し、長さが５５±０．６ｍｍで、高さが１０±０．０５ｍｍであり、少なくとも切欠き部の両側部分は、幅が１５〜２５ｍｍであることを特徴とする、変形シャルピー衝撃試験片。
（２） 長さ方向の両端から８〜２０ｍｍまでの部分は、幅が１０±０．０５ｍｍであることを特徴とする、上記（１）に記載の変形シャルピー衝撃試験片。
（３） 前記切欠き部が、高さ方向の中央で浅く上下端で深い山形形状のシェブロンノッチであることを特徴とする、上記（１）または（２）に記載の変形シャルピー衝撃試験片。（４） 前記切欠き部の位置での残存断面積が８０ｍｍ^２であることを特徴とする、請求項（１）〜（３）のいずれかに記載の変形シャルピー衝撃試験片。
（５） 上記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の変形シャルピー衝撃試験片を用い、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に規定されるシャルピー衝撃試験に準拠して、厚鋼板の脆性破壊伝播停止特性（アレスト特性）を評価することを特徴とする、厚鋼板の脆性破壊伝播停止特性の品質管理方法。
（６） 上記（３）に記載のシェブロンノッチを有する変形シャルピー衝撃試験片の７０Jエネルギー遷移温度ｖＴ_{ＣＮ７０Ｊ}（℃）が、次式（１）で計算されるｖＴ_{ＣＮ７０Ｊ}（℃）以下である場合に、日本溶接協会規格「ＷＥＳ鋼種認定試験方法」（１９９５）に規定される脆性破壊伝播停止試験で求められる脆性破壊伝播停止性能Ｋｃａ値がＴ_０℃で３９００（N／ｍｍ^１．５）以上であると判定することを特徴とする、請求項５に記載の厚鋼板の脆性破壊伝播停止特性の品質管理方法。

本発明によれば、脆性破壊伝播停止特性Ｋｃａ値を保証する際、非特許文献３に規定される脆性破壊伝播停止試験のような大型試験によることなく、簡易で精度良い判定が可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる変形シャルピー衝撃試験片１の平面図（ａ）と切欠き部１０の位置での断面図（ｂ）である。図２は、本発明の第２の実施の形態にかかる変形シャルピー衝撃試験片２の平面図（ａ）と切欠き部２０の位置での断面図（ｂ）である。これら変形シャルピー衝撃試験片１、２は、切欠き部１０、２０を前方に向けた状態でシャルピー衝撃試験機に取付けられる。そして、切欠き部１０、２０が形成された前面１１、２１と反対の側面（背面１２、２２）をハンマーで打撃して破断させることにより、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に規定されるシャルピー衝撃試験が行われる。なお、本発明では、説明のため、前面１１、２１と背面１２、２２の厚さ方向を幅方向（図１、２における上下方向）、前面１１、２１および背面１２、２２に平行な方向を長さ方向（図１、２における左右方向）、これら幅方向および高さ方向に垂直な方向を高さ方向（図１、２における紙面垂直方向）と定義する。

このようなＪＩＳ Ｚ ２２４２に規定されるシャルピー衝撃試験に用いられる通常のシャルピー衝撃試験片は、ＪＩＳ Ｚ ２２０２に規定されるように、長さ５５ｍｍ±０．６ｍｍで１辺が１０ｍｍ±０．０５ｍｍの長さ方向全体に亘って一様な正方形断面を有する角柱形状であり、前面には、長さ方向の中央にＶノッチ形状またはＵノッチ形状の切欠き部が形成されている。これに対して、本発明にかかる変形シャルピー衝撃試験片１、２は、切欠き部１０、２０の両側部分の幅が１５〜２５ｍｍとなっている点が特徴である。即ち、切欠き部１０、２０の両側部分の幅を１０＋Ｘｍｍとすれば、切欠き部１０、２０の両側では、所定の長さの部分においてＸ＝５〜１５ｍｍの範囲で一定になっている。また、長さ方向の両端から８〜２０ｍｍまでの部分（Ｙ）は、幅が１０±０．０５ｍｍで一定になっている。このため、本発明にかかる変形シャルピー衝撃試験片１、２は、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に規定されるシャルピー衝撃試験に取付けて、通常のシャルピー衝撃試験片と同様にシャルピー衝撃試験を実施することができる。

長さ方向の両端から８〜２０ｍｍまでの部分（Ｙ）と、前面１１、２１は、切欠き部１０、２０の両側部分（幅が１５〜２５ｍｍとなっている部分）の間が斜面１３、２３になっている。この斜面１３、２３の長さ方向に対する角度Ａは、２０°以上である。

図１に示す本発明の第１の実施の形態にかかる変形シャルピー衝撃試験片１にあっては、切欠き部１０が、高さ方向の中央で浅く上下端で深い山形形状のシェブロンノッチである。切欠き部１０の底面に現れる山形形状の頂部の角度Ｂは６０〜１５０°である。

図２に示す本発明の第２の実施の形態にかかる変形シャルピー衝撃試験片２にあっては、切欠き部１０の幅が実質的に一定（ＪＩＳ Ｚ ２２０２に規定される通常のシャルピー衝撃試験片と同様に８±０．０５ｍｍ）になっている。

これら変形シャルピー衝撃試験片１、２にあっては、切欠き部１０、２０の位置での残存断面積（リガメント面積）が約８０ｍｍ^２である。切欠き部１０、２０は、Ｖノッチ形状またはＵノッチ形状であり、切欠き部１０、２０の幅（長さ方向の間隔）は５ｍｍ以下であり、切欠き部１０、２０の底部（先端）の曲率半径は１ｍｍ以下である。

脆性き裂アレスト特性の評価には、脆性き裂の発生特性の影響を排除することが非常に重要である。そのため、容易に発生させるための脆化処理が用いられることがあるが、その脆化の程度も鋼材により変化する上、コストが大きく簡易評価に向かないものも多い。既存のプレスノッチシャルピー試験のようにコストが小さくてすむ方法は、実施例でも述べるように脆化が不十分である。上記の通り構成された変形シャルピー試験片１，２では、切欠き比を大きくした上、標準試験と等しいノッチ底断面積を確保することにより、脆性破壊発生特性の影響を排除した。

一方、上記の変形を外形形状が矩形のままで行うと、既存試験装置での試験が出来ず、試験機の改造が必要になるため、既存試験機で試験可能なように、試験片の切欠部の両側のみ幅を広くし、試験片両端では標準シャルピー試験片と等しい断面形状とした。

以上のように構成された変形シャルピー衝撃試験片１、２を、切欠き部１０、２０を前方に向けた状態でシャルピー衝撃試験機に取付ける。そして、切欠き部１０、２０が形成された前面１１、２１と反対の側面（背面１２、２２）をハンマーで打撃して破断させることにより、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に規定されるシャルピー衝撃試験を行う。こうして、破断に要した吸収エネルギー、衝撃値、破面率、遷移温度を測定し、厚鋼板の脆性破壊伝播停止特性（アレスト特性）Ｋｃａ値を評価することができる。

特に図１に示したように切欠き部１０が山形形状のシェブロンノッチである変形シャルピー衝撃試験片１を用いた場合、シャルピー衝撃試験を行った結果、変形シャルピー衝撃試験片１の７０Jエネルギー遷移温度ｖＴ_{ＣＮ７０Ｊ}（℃）が、次式（１）で計算されるｖＴ_{ＣＮ７０Ｊ}（℃）以下である場合に、日本溶接協会規格「ＷＥＳ鋼種認定試験方法」（１９９５）に規定される脆性破壊伝播停止試験で求められる脆性破壊伝播停止性能Ｋｃａ値がＴ_０℃で３９００（N／ｍｍ^１．５）以上であると判定することができる。

表１に示す日本海事協会規格「鋼船規則Ｋ編」に準じた鋼材を用いて、本発明の検討を行った。

表１の鋼Ａ〜Ｇから図１のシェブロンノッチ変形シャルピー衝撃試験片、図２のディープノッチ変形シャルピー衝撃試験片を採取して、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に準拠したシャルピー衝撃試験機による試験を実施した。また、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に準拠した標準シャルピー衝撃試験、プレスノッチシャルピー衝撃試験も実施して比較した。遷移曲線を図３〜図６に比較する。

プレスノッチシャルピー衝撃試験は、エネルギーおよび破面率の温度依存性が急峻である。特に破面率の遷移をみると、脆性破面率0%から80%まで20℃の間で変化しており、また同じ温度で0%と80%が混在している。これは、脆性き裂が発生した場合は高い破面率なり、発生特性の影響を大きく受けている、すなわち、脆性き裂が発生するか否かが遷移の支配因子になっていることを示している。

一方、標準シャルピー衝撃試験と、本発明の２種の変形シャルピー衝撃試験では、遷移がなだらかになっている。標準シャルピー衝撃試験の場合は、脆性き裂発生までの変形量が温度により徐々に変化するのが原因であり、本発明の変形シャルピー衝撃試験では、脆性破壊伝播抵抗の支配因子の一つであるシアリップおよびき裂停止後の塑性変形が温度とともに徐々に変化することによっている。すなわち、脆性き裂発生特性の影響を排除し、アレスト特性のみを評価可能な試験となっていると考えられる。

本発明のディープノッチ変形シャルピー試験片とシェブロンノッチ変形シャルピー試験片の結果を比較すると、シェブロンノッチ変形シャルピー試験片の方が遷移曲線がなめらかで繊維温度が高く、脆性破壊発生特性の影響をより排除していることがわかる。このことから、シェブロンノッチ変形シャルピー試験片のほうがより精度の高いアレスト特性の評価が可能であると思われる。

板厚７０ｍｍの鋼材Ｂ−Ｇについて、シェブロンノッチ変形シャルピー衝撃試験と脆性破壊伝播停止性能Ｋｃａ値が３９００Ｎ/ｍｍ^１．５となる温度ＴＫｃａ４００とを比較して図７に示す。シャブロンノッチ変形シャルピー衝撃試験結果は、アレスト特性と非常に良い相関を示すことが確認される。本相関から、板厚７０ｍｍに対し、Ｔ_０℃でＫｃａ＝３９００Ｎ／mm^１．５とするためのシェブロンノッチ変形シャルピー衝撃試験の７０Ｊ遷移温度ｖＴ_{ＣＮ７０Ｊ}は次式（２）を満足すればよい。

さらに、ばらつきを考慮すれば、次式（１）を満足することにより、Ｋｃａ≧３９００Ｎ/ｍｍ^１．５を満足できる。

本発明は、金属材料の衝撃試験に適用できる。

シェブロンノッチ変形シャルピー衝撃試験片の平面図である。 ディープノッチ変形シャルピー衝撃試験片の平面図である。 鋼Aの標準シャルピー衝撃試験結果である。 鋼Aのプレスノッチシャルピー衝撃試験結果である。 鋼Aのディープノッチ変形シャルピー衝撃試験結果である。 鋼Aのシェブロンノッチ変形シャルピー衝撃試験結果である。 シェブロンノッチ変形シャルピー衝撃試験とＫｃａとの関係である。

符号の説明

１、２ 変形シャルピー衝撃試験片
１０、２０ 切欠き部
１１、２１ 前面
１２、２２ 背面
１３、２３ 斜面

Claims (6)

1. ＪＩＳ Ｚ ２２４２に規定されるシャルピー衝撃試験に用いられる試験片であって、シャルピー衝撃試験機に取付けられた状態において、前面の長さ方向の中央に所定形状の切欠き部を有し、長さが５５±０．６ｍｍで、高さが１０±０．０５ｍｍであり、少なくとも切欠き部の両側部分は、幅が１５〜２５ｍｍであることを特徴とする、変形シャルピー衝撃試験片。
2. 長さ方向の両端から８〜２０ｍｍまでの部分は、幅が１０±０．０５ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載の変形シャルピー衝撃試験片。
3. 前記切欠き部が、高さ方向の中央で浅く上下端で深い山形形状のシェブロンノッチであることを特徴とする、請求項１または２に記載の変形シャルピー衝撃試験片。
4. 前記切欠き部の位置での残存断面積が８０ｍｍ^２であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の変形シャルピー衝撃試験片。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の変形シャルピー衝撃試験片を用い、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に規定されるシャルピー衝撃試験に準拠して、厚鋼板の脆性破壊伝播停止特性（アレスト特性）を評価することを特徴とする、厚鋼板の脆性破壊伝播停止特性の品質管理方法。
6. 請求項３に記載のシェブロンノッチを有する変形シャルピー衝撃試験片の７０Jエネルギー遷移温度ｖＴ_{ＣＮ７０Ｊ}（℃）が、次式（１）で計算されるｖＴ_{ＣＮ７０Ｊ}（℃）以下である場合に、日本溶接協会規格「ＷＥＳ鋼種認定試験方法」（１９９５）に規定される脆性破壊伝播停止試験で求められる脆性破壊伝播停止性能Ｋｃａ値がＴ_０℃で３９００（N／ｍｍ^１．５）以上であると判定することを特徴とする、請求項５に記載の厚鋼板の脆性破壊伝播停止特性の品質管理方法。
   

   

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