JP2009115493A

JP2009115493A - 鋼板のアレスト特性評価方法およびアレスト特性評価用鋼板

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Publication number: JP2009115493A
Application number: JP2007286115A
Authority: JP
Inventors: Tomoya Kawabata; 友弥川畑; Satoshi Kubo; 諭久保; Takaaki Kiyosue; 孝昭清末; Masafumi Matsuura; 雅文松浦; Keiichi Okamoto; 恵一岡本; Koji Dojo; 康二道場; Hideki Hiramatsu; 秀基平松; Hirokazu Matsuda; 博和松田
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-11-02
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2027-11-02
Also published as: JP5060246B2

Abstract

【課題】鋼材の厚さ方向のアレスト特性を正確に評価する方法を提供する。
【課題手段】評価対象鋼板の表面および裏面に脆化板および下部板を接合したものを試験片として、鋼板の厚さ方向についてのアレスト特性を評価する方法であって、脆化板が、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２２％、Ｓｉ：０．０３〜０．５％、Ｍｎ：０．４〜２％、Ｐ：０．００４〜０．０５％、Ｓ：０．００２〜０．０２０％、Ａｌ：０．００２〜０．０５％およびＮ：０．０１％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、下記（１）式で表されるＣｅｑが０．３５〜０．５０であり、かつＹＳが３５０〜５５０ＭＰａ、ＴＳが４５０〜７００ＭＰａ、ｖＴｒｓが１０〜３０℃を満たし、評価対象鋼板の厚さ方向がき裂進展方向に一致するように配置され、高密度エネルギー溶接、拡散接合または摩擦攪拌接合により接合されたものであることを特徴とする鋼板のアレスト特性評価方法。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０
＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４・・・・（１）
ただし、（１）式中の元素記号は、鋼中の元素記号の含有量（質量％）を意味する。
【選択図】なし

Description

本発明は、船舶用鋼板その他の鋼板の厚さ方向（鋼板表面に垂直な方向）についてのアレスト特性を評価する方法およびその評価方法に用いる鋼板に関する。なお、アレスト特性とは、脆性き裂が発生した際に構造物全体の崩壊を阻止するために、き裂伝ぱを停止させる特性を意味する。

近年、各種の鋼構造物の規模が大型化するのに伴って、その素材としての各種の鋼板への高性能化の要求は益々高まっている。特に、国際商取引の活発化により商業用船舶の大型化が進んでおり、船体構造用として板厚５０ｍｍを超える厚肉鋼板が使用されることもある。このような厚肉鋼板では、使用時の力学的な拘束力も大きくなることから、肉厚中心部における良好な特性が求められるが、板厚中心部付近の特性を向上させることは、熱処理の面でも、加工の面でも、困難である。

このような事情から、船体構造用鋼板についての破壊安全性に関する議論が活発化している。例えば、大型コンテナ船においては、最も応力の高くなるハッチサイドコーミング継手の頂部から脆性き裂が発生することが想定される。このため、ハッチサイドコーミングに直交な方向にアッパーデッキを設け、脆性き裂の伝播をアッパーデッキで停止させ、船体の大規模崩壊を阻止することとしている。

鋼板の脆性き裂伝播停止性能を評価する方法としては、二重引張試験、ＥＳＳＯ試験といった温度勾配型試験が知られている。これらの試験では、温度勾配を持たせた試験片に一様な引張応力を付与して、試験片の低温側を強制的に開口し、脆性き裂を発生させて、その脆性き裂の停止位置を確認し、評価するものである。これらの試験は、材料の温度が低い部分では靭性が低いため、脆性き裂が伝播するが、材料の温度が上昇するにつれて靭性が向上し、靭性およびき裂進展の駆動力のバランスしたところで脆性き裂が停止することをその測定原理としている。

しかし、温度勾配型試験は、試験後に初めて脆性き裂停止位置が決定するという問題があり、このような問題を解消した試験方法として、例えば、非特許文献１に開示される混成型試験がある。混成型試験は、脆性き裂の伝播領域に靭性の低い鋼板（以下、「脆化板」という。）を用い、これを評価対象の鋼板に接合したものを試験片とし、脆化板中を安定して脆性き裂を伝播させた後、評価対象鋼板に突入させ、評価対象鋼板への伝播の有無を評価する試験である。

非特許文献２には、実際の船体を模擬した十字継手を用いた脆性破壊試験を実施した旨記載されている。

町田ら、長大き裂に対する９％Ｎｉ鋼板の脆性破壊伝ぱ停止特性について、日本造船学会論文集１５０、１９８１年１２月、（社）日本造船学会、５１１〜５１７頁（社）日本造船研究協会、第１９３研究部会新製造法による５０キロ級高張力鋼の有効利用に関する研究報告書、１９８３年３月

ハッチサイドコーミングを貫通伝播したき裂は、アッパーデッキの表面から裏面に抜ける方向、即ち、厚さ方向に伝播するから、アッパーデッキの着目すべき伝播停止性能は、板厚方向のアレスト特性である。しかし、前掲の温度勾配型試験および混成型試験では、通常、いずれもＬ方向あるいはＣ方向にき裂が進展するように試験片が作製されるので、そのままでは、船体構造用鋼板のアレスト特性を十分に評価できるとは言い難い。

表面方向の靭性を評価する方法としては、表面ノッチシャルピー試験があるが、簡便な試験方法であるために、脆性き裂停止性能を直接的に評価する方法ではない。そこで、本発明者らは、前掲の混成型試験を基礎として、評価材料の板厚方向のアレスト特性を評価する方法を検討した。

非特許文献１に記載されるように、混成型試験は、もっぱら９％ＮｉなどのＬＮＧタンク用鋼に対して適用されてきており、脆化板としてＨＴ７０を使用した例が示されている。しかし、脆化板にＨＴ７０を用いた例ではき裂は直進せず、途中で分岐している。これは試験温度である−１６２℃における脆化板の靭性が低すぎるため、き裂進展の駆動力がき裂生成の表面エネルギーを大きく上回ったことに起因する現象である。一方で、脆化板の靭性が良すぎると、脆化板途中でき裂が停止する場合もあり、き裂を直進伝播させることは技術的にハードルが高い課題であると言える。非特許文献１に記載されるようなＬＮＧタンク用鋼の場合には、９％Ｎｉ鋼を脆化させた材料を用いることでこの課題を一応解決しているが、船体構造用の４９０ＭＰａ級高張力鋼を対象とした脆化板については開示されていない。

また、非特許文献２に記載の試験方法は、溶接の入熱によっては広い範囲で残留応力が分布するため、鋼板の表面方向の伝播停止性能のみを評価するには適さない。

本発明は、高張力鋼の厚さ方向の脆性き裂伝播停止性能を確実に評価することができる鋼板のアレスト特性評価方法およびその評価方法に用いる鋼板を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の課題を解決するべく鋭意研究を行い、下記の知見を得た。

（１）脆化板について
船体構造用高張力鋼の評価に際し、脆化板として靭性レベルの近い鋼板を使用しても、脆化板中を安定して脆性き裂を伝播させることは難しい。これは、試験片に負荷する応力が高すぎると、脆性き裂が評価対象鋼板を貫通し、一方、負荷応力が低すぎると、脆化板中で脆性き裂が停止し、評価対象鋼板中で脆性き裂が停止する条件を求めるのが困難だからである。サイドグルーブを設けて脆化板中の応力を高めて、安定したき裂伝播を図ることも考えられたが、脆化板中で停止するか、屈曲してしまう例が多かった。

脆化板として未再結晶域圧延量の大きいＴＭＣＰ鋼を用いると、脆化板中で集合組織によるき裂の屈曲が著しくなり、評価対象鋼板にき裂が到達しないか、冷却槽の外にき裂が伝播し、目標温度での試験が困難となる。

以上のことから、脆化板には、靭性レベルが十分に低く、かつ集合組織が発達していないものが適している。本発明者らは、このような知見に基づき、まず、脆化板用鋼板として、目標強度である４９０ＭＰａを発揮させるために適切な焼き入れ性を有した化学成分のコントロールが必要であることから、炭素等量をコントロールすることとした。また、素材の靭性レベルを下げるには、Ｃをある程度添加するなど、適切な化学成分設計が最も重要であり、顕著な集合組織を回避するため、圧延を比較的高い温度で行い、靭性を一定に抑える必要であることを見出した。

（２）脆化板および評価対象鋼板の接合について
通常のアーク溶接による接合では、残留応力による影響が大きいため、正しい評価ができない。そこで、接合には残留応力が小さい接合方法が好ましいと考えた。特に、電子ビーム溶接、レーザ溶接などの高密度エネルギー溶接を用いて脆化板および評価対象鋼板を溶接したところ、溶接金属部には確実に脆性き裂が伝播し、かつ残留応力の影響も小さいことが判明した。

本発明は、上記の知見に基づきなされたものであり、下記の（Ａ１）〜（Ａ３）に示す鋼板のアレスト特性評価方法および下記（Ｂ）に示すアレスト特性評価用鋼板を要旨とする。

（Ａ１）評価対象鋼板の表面および裏面に脆化板および下部板を接合したものを試験片として、鋼板の厚さ方向についてのアレスト特性を評価する方法であって、脆化板が、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２２％、Ｓｉ：０．０３〜０．５％、Ｍｎ：０．４〜２％、Ｐ：０．００４〜０．０５％、Ｓ：０．００２〜０．０２０％、Ａｌ：０．００２〜０．０５％およびＮ：０．０１％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、下記（１）式で表されるＣｅｑが０．３５〜０．５０であり、かつＹＳが３５０〜５５０ＭＰａ、ＴＳが４５０〜７００ＭＰａ、ｖＴｒｓが１０〜３０℃を満たし、評価対象鋼板の板さ方向がき裂進展方向に一致するように配置され、高密度エネルギー溶接により接合されたものであることを特徴とする鋼板のアレスト特性評価方法。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０
＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４・・・・（１）
ただし、（１）式中の元素記号は、鋼中の元素記号の含有量（質量％）を意味する。

（Ａ２）評価対象鋼板の表面および裏面に脆化板および下部板を接合したものを試験片として、鋼板の厚さ方向についてのアレスト特性を評価する方法であって、脆化板が、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２２％、Ｓｉ：０．０３〜０．５％、Ｍｎ：０．４〜２％、Ｐ：０．００４〜０．０５％、Ｓ：０．００２〜０．０２０％、Ａｌ：０．００２〜０．０５％およびＮ：０．０１％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、下記（１）式で表されるＣｅｑが０．３５〜０．５０であり、かつＹＳが３５０〜５５０ＭＰａ、ＴＳが４５０〜７００ＭＰａ、ｖＴｒｓが１０〜３０℃を満たし、評価対象鋼板の厚さ方向がき裂進展方向に一致するように配置され、拡散接合により接合されたものであることを特徴とする鋼板のアレスト特性評価方法。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０
＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４・・・・（１）
ただし、（１）式中の元素記号は、鋼中の元素記号の含有量（質量％）を意味する。

（Ａ３）評価対象鋼板の表面および裏面に脆化板および下部板を接合したものを試験片として、鋼板の厚さ方向についてのアレスト特性を評価する方法であって、脆化板が、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２２％、Ｓｉ：０．０３〜０．５％、Ｍｎ：０．４〜２％、Ｐ：０．００４〜０．０５％、Ｓ：０．００２〜０．０２０％、Ａｌ：０．００２〜０．０５％およびＮ：０．０１％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、下記（１）式で表されるＣｅｑが０．３５〜０．５０であり、かつＹＳが３５０〜５５０ＭＰａ、ＴＳが４５０〜７００ＭＰａ、ｖＴｒｓが１０〜３０℃を満たし、評価対象鋼板の厚さ方向がき裂進展方向に一致するように配置され、摩擦攪拌接合により接合されたものであることを特徴とする鋼板のアレスト特性評価方法。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０
＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４・・・・（１）
ただし、（１）式中の元素記号は、鋼中の元素記号の含有量（質量％）を意味する。

これらのとき、脆化板は、さらに、質量％で、Ｃｕ：２％以下、Ｎｉ：１％以下、Ｃｒ：１％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｂ：０．００５％以下、Ｃａ：０．００４％以下、Ｍｇ：０．００２％以下、ＲＥＭ：０．００２％以下を含有してもよい。

（Ｂ）質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２２％、Ｓｉ：０．０３〜０．５％、Ｍｎ：０．４〜２％、Ｐ：０．００４〜０．０５％、Ｓ：０．００２〜０．０２０％、Ａｌ：０．００２〜０．０５％およびＮ：０．０１％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、下記（１）式で表されるＣｅｑが０．３５〜０．５０であり、かつＹＳが３５０〜５５０ＭＰａ、ＴＳが４５０〜７００ＭＰａ、ｖＴｒｓが１０〜３０℃であることを特徴とするアレスト特性評価用鋼板。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０
＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４・・・・（１）
ただし、（１）式中の元素記号は、鋼中の元素記号の含有量（質量％）を意味する。

このとき、アレスト特性評価用鋼板は、さらに、質量％で、Ｃｕ：２％以下、Ｎｉ：１％以下、Ｃｒ：１％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｂ：０．００５％以下、Ｃａ：０．００４％以下、Ｍｇ：０．００２％以下、ＲＥＭ：０．００２％以下を含有してもよい。

本発明によれば、船体構造用鋼板などの脆性破壊による大規模破壊の防止が必要な鋼構造物、特に、肉厚中心部の性能改善が困難な厚肉材における厚さ方向のアレスト特性を正確に評価することができる。

１．脆化板（アレスト特性評価用鋼板）の化学成分
Ｃ：０．１０〜０．２２％
Ｃは、強度確保に必要な元素である。通常より多量に含有させれば、靭性レベルを低くすることができる。脆化板として適した靭性および実用上必要な強度を得るためには、その含有量を０．１０％以上とする必要がある。一方、その含有量が０．２２％を超えると、強度が高くなり、４９０ＭＰａ級の評価対象鋼板に適した負荷応力下おいて、き裂先端の塑性歪量が適切に大きくならない。従って、Ｃの含有量は、０．１０〜０．２２％とした。強度および靭性のバランスの観点からは、下限は０．１４％とするのが望ましく、上限は０．２０％とするのが望ましい。

Ｓｉ：０．０３〜０．５％
Ｓｉは、精錬段階での脱酸に必要な元素であるとともに、強度上昇に寄与する元素である。これらの効果を得るためには、０．０３％以上含有させる必要がある。しかし、Ｓｉの含有量が０．５％を超えると、特に溶接熱影響部における島状マルテンサイトの生成を助長して熱影響部の靭性が劣化する。このような熱影響部の靭性劣化が生じると、脆性き裂が評価対象鋼板に突入する際に、脆化板および評価対象鋼板を分離させる方向にき裂が進展し、評価が困難になる場合がある。従って、Ｓｉの含有量は、０．０３〜０．５％とした。より良好な特性を得るためには、その上限を０．３％とするのが望ましい。

Ｍｎ：０．４〜２％
Ｍｎは、強度確保のための基本的な元素である。安価であるため、経済性を考慮した場合に特に有用である。しかし、その含有量が０．４％未満ではこれらの効果を得ることができない。一方、２％を超えると溶接熱影響部の靭性が大幅に劣化する。従って、Ｍｎの含有量は、０．４〜２％とした。より良好な特性を得るためには、その下限は０．６％とするのが望ましく、その上限は１．６％とするのが望ましい。

Ｐ：０．００４〜０．０５％
Ｐは、不純物として存在し、溶接熱影響部における粒界割れの原因となる。その含有量が０．０５％を超えると、溶接熱影響部における粒界割れの発生が著しくなる。一方、脆化板の靭性を適度に低下させるためには、Ｐの含有量は０．００４％以上とする必要がある。従って、Ｐの含有量は、０．００４〜０．０５％とした。

Ｓ：０．００２〜０．０２０％
Ｓも、Ｐ同様、不純物として存在し、脆性破壊の基点となるＭｎＳを形成させる元素である。適度に靭性を低下させるため、その含有量は０．００２％以上とする。ただしＳの含有量が０．０２０％を超えると、アレスト特性が顕著に劣化する。従って、Ｓの含有量は、０．００２〜０．０２０％とした。より望ましい上限は０．００８％であり、更に望ましい上限は０．００６％である。

Ａｌ：０．００２〜０．０５％
Ａｌは、鋼の脱酸に有効な元素であり、０．００２％以上含有させることが必要である。しかし、その含有量が０．０５％を超えると、析出物が増加し、アレスト特性の劣化が著しくなる。従って、Ａｌの含有量は、０．００２〜０．０５％とした。望ましい上限は０．０４％である。

Ｎ：０．０１％以下
Ｎは、不純物元素であり、析出物を形成して靭性劣化をもたらすので、低温靭性確保のためにはその含有量は低いのがよい。特に、その含有量が０．０１％を超えると、アレスト特性が劣化する。従って、Ｎの含有量は、０．０１％以下とする。望ましい上限は０．００８％である。

脆化板としては、例えば、上記の各成分を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなるものであるが、強度または靭性を調整するべく、下記の各元素を含有してもよい。

Ｃｕ：２％以下
Ｃｕは、強度上昇に寄与する元素であるので、必要に応じて添加することができる。靭性を劣化させずに強度を上昇させるためにはその含有量を０．０３％以上とするのが望ましい。しかし、その含有量が２％を超えると、却って析出物増加によりアレスト特性の劣化を招き、更に、熱間加工の際、表面に微小な割れを発生させてしまうおそれがある。従って、Ｃｕを含有させる場合には、その含有量を２％以下とするのが望ましい。より望ましい上限は１％である。

Ｎｉ：１％以下
Ｎｉは、強度上昇に寄与する元素であるので、必要に応じて添加することができる。０．０３％以上含有させると、鋼そのもの（地鉄）のアレスト性を顕著に向上させるとともに強度を上昇させる効果が顕著となる。一方、高価な元素であり、過剰な添加は経済性を著しく損ねる。従って、Ｎｉを含有させる場合には、その含有量を１％以下とするのが望ましい。より望ましい上限は０．６％である。

Ｃｒ：１％以下
Ｃｒは、強度上昇に寄与する元素であるので、必要に応じて添加することができる。０．０５％以上含有させると、強度を上昇させる効果が顕著となる。しかし、その含有量が１％を超えると、却って靭性の劣化をきたし、更に、溶接熱影響部に硬化した組織を形成し靭性を劣化させるおそれがある。従って、Ｃｒを含有させる場合には、その含有量を１％以下とするのが望ましい。より望ましい上限は０．６％である。

Ｍｏ：０．５％以下
Ｍｏは、強度上昇に寄与する元素であるので、必要に応じて添加することができる。０．０２％以上含有させると、焼入れ性を高め、強度の上昇に有効である。しかし、その含有量が０．５％を超えると、経済性を損ねるほか、却って溶接熱影響部の靭性を劣化させるおそれがある。従って、Ｍｏを含有させる場合には、その含有量を０．５％以下とするのが望ましい。より望ましい上限は、０．３％である。

Ｖ：０．１％以下
Ｖは、強度上昇に寄与する元素であるので、必要に応じて添加することができる。０．００３％以上含有させると、焼入れ性の向上及び析出硬化による強度上昇の効果が顕著となる。しかし、その含有量が０．１％を超えると、却って靭性の著しい劣化をもたらすおそれがある。従って、Ｖを含有させる場合には、その含有量を０．１％以下とするのが望ましい。より望ましい上限は０．０６％である。

Ｎｂ：０．１％以下
Ｎｂは、組織の微細化、焼入れ性の向上および析出硬化によって鋼の強度を上昇させるのに有効な元素であるので、必要に応じて添加することができる。特に、未再結晶域の拡大効果が大きいことから、ＴＭＣＰプロセスにおいては、必須の元素である。上記の効果は、その含有量が０．００３％以上の場合に顕著となる。一方、その含有量が０．１％を超えると、析出物の増加により却って靭性の劣化をもたらすおそれがある。従って、Ｎｂを含有させる場合には、その含有量を０．１％以下とするのが望ましい。より望ましい上限は０．０４％である。

Ｔｉ：０．１％以下
Ｔｉは、酸化物粒子の構成元素として鋼中に存在し、高温延性を高めて連続鋳造で製造される鋼塊のひび割れを防止するなど、製造品質を向上させる働きのある元素であるので、必要に応じて添加することができる。上記の効果は、０．００３％以上含有させた場合に顕著となる。一方、０．１％を超えると、ＴｉＣを増やし、靭性を低下させるおそれがある。従って、Ｔｉを含有させる場合には、その含有量を０．１％以下とするのが望ましい。より望ましい上限は、０．０４％である。

Ｂ：０．００５％以下
Ｂは、オーステナイト粒界からのフェライト変態を抑制して焼入れ性を向上させ、強度を高める作用があるので、必要に応じて添加することができる。ただし、添加に際しては、１／２ｔ部のフェライト量を確保することが必要であるので、炭素等量で示される焼き入れ性とのバランスを十分考慮することが重要である。強度向上の効果は、Ｂが０．０００３％以上含まれる場合に顕著となる。しかし、その含有量が０．００５％を超えると、靭性が劣化するおそれがある。従って、Ｂを含有させる場合には、０．００５％以下の含有量とするのが望ましい。より望ましい上限は、０．００１５％である。

Ｃａ：０．００４％以下
Ｃａは、靭性を改善する効果を有し、更に、介在物の形態制御効果を有し、アレスト特性の向上に寄与するので、必要に応じて添加することができる。その効果は、０．０００３％以上含有させると顕著となる。しかし、その含有量が０．００４％を超えると、鋼の清浄度が大きく低下するおそれがある。従って、Ｃａを含有させる場合には、その含有量を０．００４％以下とするのが望ましい。より望ましい上限は０．００２％である。

Ｍｇ：０．００２％以下
Ｍｇは、靭性を改善する効果を有するとともに、Ａｌなどの添加に先だって添加すれば、微細酸化物の分散密度を増す効果を有するので、必要に応じて添加することができる。その効果は、０．０００２％以上含有させると顕著となる。しかし、その含有量が０．００２％を超えると、微細酸化物が得られず、鋼の清浄度も大きく低下するおそれがある。従って、Ｍｇを含有させる場合には、その含有量を０．００２％以下とするのが望ましい。

ＲＥＭ：０．００２％以下
ＲＥＭは、靭性を改善する効果を有するとともに、Ａｌなどの添加に先だって添加すれば、微細酸化物の分散密度を増す効果を有する。また、過剰なＳを硫化物として固定する効果も有する。従って、ＲＥＭを必要に応じて添加することができる。しかし、その含有量が０．００２％を超えると、微細酸化物が得られないし、鋼の清浄度も大きく低下するおそれがある。従って、ＲＥＭを含有させる場合には、その含有量を０．００２％以下とするのが望ましい。なお、ＲＥＭ、例えばそれが混合した状態（所謂「ミッシュメタル」）で添加しても良いし、Ｃｅ、Ｎｄなどの分離したものを添加してもよい。また、ＲＥＭ（希土類元素）とは、ランタノイドの１５元素にＹおよびＳｃを合わせた１７元素を意味する。

２．脆化板（アレスト特性評価用鋼板）の炭素当量および強度
脆化板の強度は、評価対象鋼板である４９０ＭＰａ級高張力鋼と同程度である必要がある。このため、鋼の化学組成は、各元素の限定範囲を満足するだけでなく、適切な焼き入れ性を有していることが必要である。焼入れ性は、下記の（１）式で表される炭素当量Ｃｅｑで評価することができる。この炭素等量Ｃｅｑが０．３５％よりも低い場合には十分な強度が確保されず、０．５０％よりも高い場合には、強度が高くなりすぎる。従って、Ｃｅｑは０．３５〜０．５０％とした。望ましい上限は０．４２％である。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０
＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４・・・・（１）
ただし、（１）式中の元素記号は、鋼中の元素記号の含有量（質量％）を意味する。

なお、脆化板のＹＳが３５０ＭＰａ未満の場合、試験板に対して強度が低くなりやすく、試験荷重の下で脆化板が降伏してしまう可能性があり、試験板に有効な力が流れなくなるという問題が生じ、５５０ＭＰａを超える場合、靭性が悪くなりすぎて脆性き裂が分岐してしまう可能性が生じるという問題が生じる。従って、ＹＳは３５０〜５５０ＭＰａとした。

また、脆化板のＴＳが４５０ＭＰａ未満の場合、試験板に対して強度が低くなりやすく、試験荷重の下で脆化板が降伏してしまう可能性があり、試験板に有効な力が流れなくなるという問題が生じ、７００ＭＰａを超える場合、靭性が悪くなりすぎて脆性き裂が分岐してしまう可能性が生じるという問題が生じる。従って、ＴＳは４５０〜７００ＭＰａとした。

３．脆化板（アレスト特性評価用鋼板）の靭性
脆化板は、脆化板に顕著な集合組織を生じさせない条件で製造する必要があるが、これには化学成分および強度の調整をするだけでは不十分であり、靭性を所定範囲に制限する必要がある。即ち、脆化板のｖＴｒｓが１０℃未満の場合、靭性が良すぎて、試験板の評価温度の下で安定した脆性き裂伝ぱが期待できないという問題が生じ、３０℃を超える場合、靭性が悪すぎて脆性き裂が分岐してしまう可能性が生じるという問題が生じる。従って、ｖＴｒｓは１０〜３０℃とした。

４．脆化板（アレスト特性評価用鋼板）の製造条件
脆化板の製造条件には、上記の条件を満足する脆化板を製造できるのであれば、特に制限はない。特に、製造の容易性、経済性などの観点からは、下記の条件を満たすことが好ましい。

スラブの加熱は、その温度が９００℃未満では所望の板厚までの圧延が困難になるとともに、鋼材の強度不足が顕著化するが、１１５０℃を超えると、組織の微細化が進まない。従って、９００〜１１５０℃にスラブを加熱することが好ましい。

脆化板の靭性の調整は、厚板製造条件を調整するのがよい。特に、集合組織化を回避するためには、未再結晶域での圧延量を極力小さくすることが効果的である。従って、圧延仕上温度は、８５０℃以上とするのが望ましい。

圧延終了後の冷却方法は、例えば、空冷や水冷など、冷却設備や製品の厚さなどに応じて適宜決定すればよい。但し、圧延終了後の冷却速度が速すぎると、マルテンサイト変態などの低温変態物が生成し、強度が上昇しすぎるため、圧延終了後の冷却速度は、１℃／ｓ以下に制限するのがよい。これにより硬化組織生成を抑制でき、脆化板として適当なＹＳ３５０〜５５０ＭＰａ、ＴＳ４５０〜７００ＭＰａの強度特性を鋼に付与することができる。

上記冷却後は、必要に応じて７００℃以下の温度で焼戻しを行ってもよい。焼戻しすることにより、強度を調整することができ、また、靱性を調整することができる。なお、７００℃を超える温度で焼戻しを行うと強度の低下が大きくなる。

５．下部板
下部板は、本発明の鋼板のアレスト特性評価方法において試験片を補強するためのものである。したがって、特にその組成などは問わない。しかしながら、評価対象鋼板の裏面に接合するため、接合が容易であることが好ましい。

６．脆化板および評価対象鋼板の接合
脆化板は、評価対象鋼板と評価対象鋼板の厚さ方向がき裂進展方向に一致するように配置され、接合される。このとき、接合により試料片を作成した際の残留応力が試料片中に残ると、評価対象鋼板に進展した脆化板からのき裂が、評価対象鋼板の厚さ方向に進展しなくなり、アレスト特性を正確に評価することができなくなる。炭酸ガス溶接（ＣＯ₂溶接）をはじめとするアーク溶接では残留応力が大きくなるため、評価対象鋼板の厚さ方向にき裂進展がせず、好ましくない。

よって、両者の接合には、残留応力を低く抑えることができる電子ビーム溶接、レーザ溶接などの高密度エネルギー溶接、拡散接合、摩擦攪拌接合により接合することが好ましい。特に、電子ビーム溶接、レーザ溶接は簡便に行える方法であり好適である。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

表１に示す化学組成を有する鋼を用い、表２に示す条件で脆化板用鋼板を製造し、そのＹＳ、ＴＳおよびｖＴｒｓを求めた。各鋼板から、平行部の直径が１２．５ｍｍのＪＩＳＺ２２０１（１９９８）に記載の１０号引張試験片を採取して、室温で引張試験を行い、降伏強さ（ＹＳ）および引張強さ（ＴＳ）を測定した。上記の引張試験片は、鋼板の幅方向中央部における板厚方向の１／４近辺部から、圧延方向と平行に採取した。また、各鋼板から、ＪＩＳＺ２２０２（１９９８）に記載の幅１０ｍｍのＶノッチ試験片を採取してシャルピー衝撃試験を行い、脆性破面率を測定して破面遷移温度（ｖＴｒｓ）を求めた。上記のシャルピー衝撃試験片は、鋼板の幅方向中央部における板厚方向の１／４近辺部から、圧延方向と平行に採取した。これらの測定結果を表２に併記する。

一方、表３に示す化学組成を有する鋼を用い、表４に示す条件で鋼板を製造し、評価対象鋼板（ＥＨ３６級鋼板）とした。

各種脆化板用鋼板と評価対象鋼板とをＥＢＷ（電子ビーム溶接）、ＬＢＷ（レーザ溶接）またはＣＯ₂溶接により接合し、図１に示す、評価対象鋼板の表面から裏面に向けてき裂が進行するように設定した試験片を作製した。接合に際しては、評価対象鋼板の表裏面の接合面は溶接欠陥発生を防止するため、油分などをアセトンで洗浄した後に溶接に供した。また、溶接後の試験片については、接合部を超音波検査し、欠陥が発生していないことを確認した上で試験に供した。試験は、試験片の頂部を液体窒素噴霧による冷却槽に入れ、−１００℃程度まで冷却した後（評価対象部の温度は−１０℃程度）、ＥＳＳＯ打撃装置を用いてき裂を発生させた。ＥＳＳＯの打撃エネルギーは、試験片の単位板厚あたり４０Ｊ／ｍｍとし、試験時の負荷応力は、１００〜２５０ＭＰａとした。その結果を表５に示す。

表５の「評価」の欄の各記号の意味は下記の通りである。
(1) 脆化板内でシアリップは殆ど認められず、脆化板内を脆性き裂が直進し、評価対象鋼板へ突入しており、正当な評価が可能。
(2) 脆化板内でき裂が停止し、評価困難。
(3) 接合ビード内で載荷方向にき裂が進展し、評価困難。
(4) 脆化板内でき裂が分岐。評価鋼板に突入しているものもあるが、評価困難。

表５に示すように、比較例１は、脆化板の条件は本発明の規定を満足していたが、接合方法が満足しない。比較例２〜６は、脆化板の化学組成、強度および靭性のいずれか一以上が本発明で規定される範囲を外れる。このため、いずれの比較例でも、脆化板内でき裂が分岐したり、停止したりするので、正確な評価を得ることができない。一方、本発明の条件を満たす本発明例１〜３６では、いずれも正当な評価ができた。

本発明によれば、船体構造用鋼板などの脆性破壊による大規模破壊の防止が必要な鋼構造物、特に、肉厚中心部の性能改善が困難な厚肉材における厚さ方向のアレスト特性を正確に評価することができる。従って、構造物の耐破壊安全性の向上に寄与することができ、社会的効果は極めて大きい。

本発明の鋼板のアレスト特性評価方法に用いる試験片の例を示す図。

Claims

評価対象鋼板の表面および裏面に脆化板および下部板を接合したものを試験片として、鋼板の厚さ方向についてのアレスト特性を評価する方法であって、
脆化板が、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２２％、Ｓｉ：０．０３〜０．５％、Ｍｎ：０．４〜２％、Ｐ：０．００４〜０．０５％、Ｓ：０．００２〜０．０２０％、Ａｌ：０．００２〜０．０５％およびＮ：０．０１％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、下記（１）式で表されるＣｅｑが０．３５〜０．５０であり、かつＹＳが３５０〜５５０ＭＰａ、ＴＳが４５０〜７００ＭＰａ、ｖＴｒｓが１０〜３０℃を満たし、
評価対象鋼板の厚さ方向がき裂進展方向に一致するように配置され、高密度エネルギー溶接により接合されたものであることを特徴とする鋼板のアレスト特性評価方法。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０
＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４・・・・（１）
ただし、（１）式中の元素記号は、鋼中の元素記号の含有量（質量％）を意味する。
評価対象鋼板の表面および裏面に脆化板および下部板を接合したものを試験片として、鋼板の厚さ方向についてのアレスト特性を評価する方法であって、
脆化板が、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２２％、Ｓｉ：０．０３〜０．５％、Ｍｎ：０．４〜２％、Ｐ：０．００４〜０．０５％、Ｓ：０．００２〜０．０２０％、Ａｌ：０．００２〜０．０５％およびＮ：０．０１％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、下記（１）式で表されるＣｅｑが０．３５〜０．５０であり、かつＹＳが３５０〜５５０ＭＰａ、ＴＳが４５０〜７００ＭＰａ、ｖＴｒｓが１０〜３０℃を満たし、
評価対象鋼板の厚さ方向がき裂進展方向に一致するように配置され、拡散接合により接合されたものであることを特徴とする鋼板のアレスト特性評価方法。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０
＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４・・・・（１）
ただし、（１）式中の元素記号は、鋼中の元素記号の含有量（質量％）を意味する。
評価対象鋼板の表面および裏面に脆化板および下部板を接合したものを試験片として、鋼板の厚さ方向についてのアレスト特性を評価する方法であって、
脆化板が、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２２％、Ｓｉ：０．０３〜０．５％、Ｍｎ：０．４〜２％、Ｐ：０．００４〜０．０５％、Ｓ：０．００２〜０．０２０％、Ａｌ：０．００２〜０．０５％およびＮ：０．０１％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、下記（１）式で表されるＣｅｑが０．３５〜０．５０であり、かつＹＳが３５０〜５５０ＭＰａ、ＴＳが４５０〜７００ＭＰａ、ｖＴｒｓが１０〜３０℃を満たし、
評価対象鋼板の厚さ方向がき裂進展方向に一致するように配置され、摩擦攪拌接合により接合されたものであることを特徴とする鋼板のアレスト特性評価方法。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０
＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４・・・・（１）
ただし、（１）式中の元素記号は、鋼中の元素記号の含有量（質量％）を意味する。
脆化板が、さらに、質量％で、Ｃｕ：２％以下、Ｎｉ：１％以下、Ｃｒ：１％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｂ：０．００５％以下、Ｃａ：０．００４％以下、Ｍｇ：０．００２％以下、ＲＥＭ：０．００２％以下を含有することを特徴とする請求項１〜３に記載の鋼板のアレスト特性評価方法。
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２２％、Ｓｉ：０．０３〜０．５％、Ｍｎ：０．４〜２％、Ｐ：０．００４〜０．０５％、Ｓ：０．００２〜０．０２０％、Ａｌ：０．００２〜０．０５％およびＮ：０．０１％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、下記（１）式で表されるＣｅｑが０．３５〜０．５０であり、かつＹＳが３５０〜５５０ＭＰａ、ＴＳが４５０〜７００ＭＰａ、ｖＴｒｓが１０〜３０℃であることを特徴とするアレスト特性評価用鋼板。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０
＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４・・・・（１）
ただし、（１）式中の元素記号は、鋼中の元素記号の含有量（質量％）を意味する。
さらに、質量％で、Ｃｕ：２％以下、Ｎｉ：１％以下、Ｃｒ：１％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｂ：０．００５％以下、Ｃａ：０．００４％以下、Ｍｇ：０．００２％以下、ＲＥＭ：０．００２％以下を含有することを特徴とする請求項５に記載のアレスト特性評価用鋼板。