JP3475866B2 - 耐震性に優れた建築用鋼材及びその製造方法 - Google Patents
耐震性に優れた建築用鋼材及びその製造方法Info
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Description
対する抵抗性、つまり「耐震性」に優れた建築用鋼材及
びその製造方法に関する。詳しくは、予歪みを受けてい
ない状態での靱性に優れることは勿論、地震荷重による
繰返し予歪みを受けた後においても優れた靱性を有し、
建築・土木分野などの用途に好適な耐震性に優れた建築
用鋼材及びその製造方法に関する。なお、「予歪み」と
は荷重履歴のうち最終破断に到るサイクルを除外したも
のをいい、これは鋼材の靱性低下の原因となる。
での被災状況を踏まえ、近年、鉄骨部材などとして用い
られる建築用鋼材の耐震性を向上させたいとする要望が
特に高まっている。
下する。したがって、地震に遭遇した場合に建造物の耐
震性を高めるためには、建築用鋼材に対し十分な靱性を
確保させておくことは勿論であるが、地震波による繰返
し予歪みを受けた後にも十分な靱性を維持させることが
極めて重要となる。地震波により鋼材に繰返し予歪みが
付与された状態における靱性こそが鋼材の耐震性を決定
することになるからである。
6782号公報及び特開平10−17982号公報に
は、P、S、O(酸素)及び固溶Nを低減させるととも
に、鋼材の表層に超微細組織を付与して、繰返し予歪み
が負荷された場合の予歪みによる材質の劣化を非常に小
さくするための技術が開示されている。しかし、これら
の公報で提案された技術は、表層を極めて超微細なフェ
ライト相にする必要があるため、加工と冷却、復熱を組
み合わせた特殊な加工熱処理を施さねばならいので製造
工程が複雑になるし、化学成分の制御も困難なことから
コストが嵩むものである。
鑑みなされたもので、その目的は、地震荷重による繰返
し予歪みを受けた後においても優れた靱性を有し、建築
・土木分野などの用途に好適な耐震性に優れた比較的廉
価な建築用鋼材とその建築用鋼材を比較的容易に製造す
る方法を提供することである。なお、繰返し予歪みを受
けた後の靱性の具体的な目標としては、後述の繰返し予
歪み履歴を付与した場合に、先端半径0.2mmの曲率
を持つVノッチ付きシャルピー試験片を用いた衝撃試験
で脆性破面率が50%となる破面遷移温度が20℃未満
であることとした。
示す耐震性に優れた建築用鋼材及び(2)に示すその製
造方法を要旨とする。
%、Si:0.2〜0.7%、Mn:0.8〜2.0
%、Cr:0.05〜0.80%、Nb:0.01〜
0.08%、Ti:0.005〜0.040%、Al:
0.01〜0.10%を含有し、残部はFe及び不可避
不純物からなり、不純物中のPは0.02%以下、Sは
0.02%以下の化学組成で、更に、組織がフェライト
・ベイナイト2相組織であって、且つ、ベイナイト相の
硬さがビッカース硬さ220以上及びベイナイト相の割
合が55〜95%を満足する耐震性に優れた建築用鋼
材。
る鋼片を、1000〜1150℃に加熱し、圧延仕上げ
温度が820℃以上で圧下率が50%以上となるように
熱間圧延し、熱間圧延終了後は860〜740℃の温度
域の温度Tまで3.0℃/秒以下の冷却速度で冷却し、
次いで、温度Tから5〜20℃/秒の冷却速度で550
℃以下の温度まで冷却することを特徴とする耐震性に優
れた建築用鋼材の製造方法。
の組織割合、つまり、面積率のことをいう。又、上記の
各温度は鋼片や鋼材の厚さ方向中心部の温度をいい、
「冷却速度」も鋼材の厚さ方向中心部における冷却速度
をいう。
−(圧延後の鋼材の厚さ)}/(圧延前の鋼片の厚さ)
をいう。
をそれぞれ(1)の発明、(2)の発明という。
めに、1994年1月に起きた米国ノースリッジ地震と
1995年1月に起きた兵庫県南部地震での被害状況に
ついて詳細に調査した。
材」ともいう)には破壊に先立って繰返し予歪みが負荷
されており、したがって、建築物の耐震性を高めるため
には、繰返し予歪み後においても鋼材が十分な破壊靱性
を有することが極めて重要であることが判明した。換言
すれば、建造物が経験する幾度目かの地震波、あるい
は、建造後最初に経験する地震波によって鋼材に繰返し
予歪みが入力されると、鋼材の破壊に対する抵抗性が劣
化してしまうため、繰返し予歪みを受けていない鋼材の
靱性のみを根拠に建造物の設計が行われていたならば、
所望の耐震性は確保できないことが明らかになった。
靱性の低下を抑制し、地震に遭遇した場合の建築物の耐
震性、強度健全性を高めて、建造時の初期状態(すなわ
ち建造直後)と同等の耐震性を確保させるために種々の
検討を行い、その結果、下記の重要な知見を得た。
場合に、先端半径0.2mmの曲率を持つVノッチ付き
シャルピー試験片を用いた衝撃試験で、脆性破面率が5
0%となる破面遷移温度(以下、単に「破面遷移温度」
という)が20℃未満であれば十分な耐震性が確保でき
る。
低下するのは、硬さ(強度)が上昇することに基づく。
しかし、硬さがビッカース硬さ(以下「Hv硬さ」とい
う)で220以上のベイナイト相の場合には、繰返し予
歪みによって転位が再配列されるので硬さは却って低下
する。
のベイナイト相を特定の割合で含むフェライト・ベイナ
イトの2相混合組織とすれば前記(a)の破面遷移温度
条件が満たされ、したがって、地震の繰返し予歪みを受
けても耐震性が維持される。
たものである。
しく説明する。なお、以下においては各元素の含有量の
「%」表示は「重量%」を意味する。
震性を高める作用がある。しかし、その含有量が0.0
2%未満では十分な効果が得られない。一方、0.15
%を超えると、溶接性が損なわれるため溶接施工が困難
となり、建築用の構造用鋼材としての適用領域が著しく
制限されてしまう。したがって、Cの含有量を0.02
〜0.15%とした。なお、Cの含有量は0.03〜
0.09%とすることが望ましい。
が0.2%未満では効率的な脱酸を実施し難い。一方、
0.7%を超えて含有させると靱性が低下して十分な耐
震性が確保できない。したがって、Siの含有量を0.
2〜0.7%とした。なお、Si含有量の望ましい範囲
は0.35〜0.55%である。
し、その含有量が0.8%未満では添加効果に乏しい。
一方、2.0%を超えると、溶接性が損なわれるため溶
接施工が困難となり、建築用の構造用鋼材としての適用
領域が著しく制限されてしまう。このため、Mnの含有
量を0.8〜2.0%とした。なお、Mnの含有量は
1.3〜1.7%とすることが好ましい。
量が0.05%未満では十分な効果が得られない。一
方、0.80%を超えると靱性と溶接性の確保が困難と
なる。したがって、Crの含有量を0.05〜0.80
%とした。なお、Cr含有量は0.05〜0.30%と
することが望ましい。
用を有する。しかし、その含有量が0.01%未満では
添加効果に乏しい。一方、Nbを0.08%を超えて含
有させると却って靱性の低下を招く。このため、Nbの
含有量を0.01〜0.08%とした。なお、好ましい
Nb含有量の範囲は0.015〜0.06%である。
用を有する。しかし、その含有量が0.005%未満で
は添加効果に乏しい。一方、Tiを0.040%を超え
て含有させると却って靱性の低下を招く。このため、T
iの含有量を0.005〜0.040%とした。なお、
Ti含有量は0.005〜0.020%とすることが好
ましい。
が0.01%未満では十分な効果が得られない。一方、
0.10%を超えると破壊靱性の低下をきたすととも
に、鋼材の清浄性も低下してしまう。したがって、Al
の含有量を0.01〜0.10%とした。なお、Alの
含有量は0.01〜0.05%とすることが望ましい。
及びSの含有量を下記のとおりに制限する。
く、溶接性をも低下させてしまう。特に、その含有量が
0.02%を超えると、靱性と溶接性の低下が著しくな
る。したがって、Pの含有量を0.02%以下とした。
く、溶接性をも低下させてしまう。特に、その含有量が
0.02%を超えると、靱性と溶接性の低下が著しくな
る。したがって、Sの含有量を0.02%以下とした。
2相組織で、且つ、ベイナイト相の硬さがHv硬さ22
0以上及びベイナイト相の割合が55〜95%を満足す
る点に最大の特徴を有している。これは、硬さ(強度)
が高いベイナイト相と硬さ(強度)が相対的に低いフェ
ライト相とを混在させて、繰返し予歪みを受けた後にも
優れた靱性、つまり、後述の繰返し予歪み履歴を付与し
た場合の先端半径0.2mmの曲率を持つVノッチ付き
シャルピー試験片を用いた衝撃試験で20℃未満の破面
遷移温度を確保し、耐震性を維持させるためである。な
お、組織の割合が顕微鏡観察したときの組織割合、つま
り、面積率のことをいうことは既に述べたとおりであ
る。
下回る場合には、繰返し予歪みによって転位が再配列さ
れることがない。したがって、繰返し予歪みを受けたベ
イナイト相の硬さは上昇するので靱性が低下し、所望の
耐震性が得られない。
て、Hv硬さ220以上のベイナイト相の割合が55%
未満の場合には、フェライト相の割合が多くなりすぎて
フェライト相の硬さ上昇により繰返し予歪み後に鋼材全
体の硬さが著しく上昇し、その結果として靱性が低下し
てしまう。一方、Hv硬さ220以上のベイナイト相の
割合が95%を超える場合には、ベイナイト相の割合が
多くなりすぎるので強度レベルが著しく高くなり、一般
建材としての取り扱いができなくなってしまう。したが
って、建築用鋼材の組織をフェライト・ベイナイト2相
組織で、且つ、ベイナイト相の硬さがHv硬さ220以
上及びベイナイト相の割合が55〜95%を満足するよ
うに規定した。
ことによって、(1)の発明に係る耐震性に優れた建築
用鋼材が得られる。
い。加熱温度が1000℃未満では、鋼材の変形抵抗が
大きくなって圧延加工が困難となる場合がある。一方、
加熱温度が1150℃を超えると、オーステナイト結晶
粒が粗大化して靱性が低下する場合がある。したがっ
て、鋼片の加熱温度は1000〜1150℃とするのが
よい。
間圧延は、圧延仕上げ温度が820℃以上で、圧下率が
50%以上となるように行うのがよい。熱間圧延の仕上
げ温度が820℃を下回ると適切な冷却開始温度を設定
できなくなる場合がある。又、圧下率が50%を下回る
と結晶粒が粗大となって靱性を確保できなくなることが
ある。したがって、熱間圧延は、圧延仕上げ温度が82
0℃以上で、圧下率が50%以上となるように行うのが
よい。
3.0℃/秒以下の冷却速度で冷却し、次いで、温度T
から5〜20℃/秒の冷却速度で550℃以下の温度ま
で冷却するのがよい。
ナイト相の割合が多くなって繰返し予歪みを受けた後に
所望の靱性が得られず、したがって、耐震性が維持でき
ない場合がある。又、温度Tが740℃を下回ると、ベ
イナイト相における転位密度が小さくなって繰返し予歪
みを受けて転位が再配列されても硬さ低下が小さく、し
たがって、所望の靱性が得られないので耐震性が維持で
きない場合がある。
速度が3.0℃/秒を超えると、次に温度Tから規定の
条件で冷却しても(B)項で述べた所望の組織が得られ
ず、したがって、所望の耐震性が得られない場合があ
る。
/秒未満になると(B)項で述べた所望の組織が得られ
ず、したがって、所望の耐震性が得られない場合があ
る。同様に、冷却速度が20℃/秒を超えても(B)項
で述べた所望の組織が得られず、したがって、所望の耐
震性が得られない場合がある。更に、冷却を停止する温
度が550℃を上回る場合にも、(B)項で述べた所望
の組織が得られず、したがって、所望の耐震性が得られ
ないことがある。
℃の温度域の温度Tまで3.0℃/秒以下の冷却速度で
冷却し、次いで、温度Tから5〜20℃/秒の冷却速度
で550℃以下の温度まで冷却するのがよい。
る。
5%、Mn:1.5%、Cr:0.17%、Nb:0.
025%、Ti:0.015%、Al:0.035%を
含有し、残部はFe及び不可避不純物からなり、不純物
中のPは0.003%、Sは0.002%である本発明
の規定を満足する鋼を通常の方法で溶製し、その後鋼片
とした。
圧延仕上げ温度が860℃で、圧下率が70%となるよ
うに熱間圧延して板厚25mmに仕上げ、熱間圧延仕上
げ後、2.0℃/秒の冷却速度で860〜700℃の種
々の温度まで冷却し、更にその後、前記温度から15℃
/秒の冷却速度で600〜50℃の種々の温度まで冷却
した。
の「t/4」部位(tは板厚)から先端半径0.2mm
の曲率を持つVノッチ付きシャルピー試験片を採取して
衝撃試験を行い、破面遷移温度を調査した。組織調査用
の試験片も採取し、鏡面研磨後ナイタルで腐食して倍率
500倍の光学顕微鏡で観察するとともに、ベイナイト
相のHv硬さ(荷重10gf)を測定した。
の板状引張試験片を採取し、電気油圧式閉ループ汎用機
械試験機を用いて、先ず残留歪みが5%となる引張荷重
を与えた。なお、残留歪み量は5mm間隔で導入したけ
がき線で測定した。次いで、同試験機を用いて残留歪み
が−5%となるような圧縮荷重を与え、更にその後、引
張残留歪み5%、圧縮残留歪み−5%、残留歪み0%と
なるような予歪み履歴を与えた。
た後、予歪み方向に破壊時の負荷がかかる方向から、つ
まり、板状引張試験片の長手方向をシャルピー試験片の
長手方向と一致させて、元厚の板状引張試験片の「1/
4」部位から先端半径0.2mmの曲率を持つVノッチ
付きシャルピー試験片を採取して衝撃試験を行い、繰返
し予歪みが付与された状態における破面遷移温度を調査
した。
初期状態(つまり、熱間圧延後冷却した状態)における
調査結果及び繰返し予歪みを付加した後の状態における
調査結果をまとめて示す。
は、繰返し予歪みを受けていない初期状態の場合、◎は
破面遷移温度が−70℃未満、○は破面遷移温度が−7
0℃以上で−40℃未満、△は破面遷移温度が−40℃
以上で−10℃未満であることを示す。一方、繰返し予
歪みを付加した後の状態の場合、◎は破面遷移温度が−
40℃未満、○は破面遷移温度が−40℃以上で−10
℃未満、△は破面遷移温度が−10℃以上で20℃未
満、×は破面遷移温度が20℃以上であることを示す。
記号は、Bがベイナイト相、Fがフェライト相、Mがマ
ルテンサイト相を示す。
足する鋼板は、これに繰返し予歪みを付与しても破面遷
移温度は20℃を下回り靱性に優れていることが明らか
で、したがって、耐震性を維持することができる。
を有する鋼を通常の方法で溶製した後鋳造して鋼片とし
た。表5、表6における鋼1〜4、鋼6〜8、鋼10〜
12、鋼14,鋼15及び鋼17〜19は化学組成が本
発明で規定する範囲内にある本発明例、鋼5,鋼9、鋼
13、鋼16及び鋼20は成分のいずれかが本発明で規
定する含有量の範囲から外れた比較例である。
度に加熱し、圧延仕上げ温度を860℃、圧下率を表7
〜9に示す条件として熱間圧延し、板厚25〜80mm
に仕上げた。熱間圧延仕上げ後は、表7〜9に記載の種
々の条件で冷却した。
各鋼板の「t/4」部位(tは板厚)から先端半径0.
2mmの曲率を持つVノッチ付きシャルピー試験片を採
取して衝撃試験を行い、破面遷移温度を調査した。組織
調査用の試験片も採取し、鏡面研磨後ナイタルで腐食し
て倍率500倍の光学顕微鏡で観察するとともに、ベイ
ナイト相のHv硬さ(荷重10gf)を測定した。
ら元厚の板状引張試験片を採取し、電気油圧式閉ループ
汎用機械試験機を用いて、先ず残留歪みが5%となる引
張荷重を与えた。なお、残留歪み量は5mm間隔で導入
したけがき線で測定した。次いで、同試験機を用いて残
留歪みが−5%となるような圧縮荷重を与え、更にその
後、引張残留歪み5%、圧縮残留歪み−5%、残留歪み
0%となるような予歪み履歴を与えた。
た後、予歪み方向に破壊時の負荷がかかる方向から、つ
まり、板状引張試験片の長手方向をシャルピー試験片の
長手方向と一致させて、元厚の板状引張試験片の「1/
4」部位から先端半径0.2mmの曲率を持つVノッチ
付きシャルピー試験片を採取して衝撃試験を行い、繰返
し予歪みが付与された状態における破面遷移温度を調査
した。
す。
は、繰返し予歪みを受けていない初期状態の場合、◎は
破面遷移温度が−70℃未満、○は破面遷移温度が−7
0℃以上で−40℃未満、△は破面遷移温度が−40℃
以上で−10℃未満、×は破面遷移温度が−10℃以上
であることを示す。一方、繰返し予歪みを付加した後の
状態の場合、◎は破面遷移温度が−40℃未満、○は破
面遷移温度が−40℃以上で−10℃未満、△は破面遷
移温度が−10℃以上で20℃未満、×は破面遷移温度
が20℃以上であることを示す。
号は、Bがベイナイト相、Fがフェライト相を示す。
足する鋼板は、これに繰返し予歪みを付与しても破面遷
移温度は20℃を下回り靱性に優れていることが明らか
で、したがって、耐震性を維持することができる。
後においても優れた靱性を有するので、建築・土木分野
などの建築用鋼材として利用することができる。この建
築用鋼材は本発明の方法によって比較的容易に製造する
ことができる。
Claims (2)
- 【請求項1】重量%で、C:0.02〜0.15%、S
i:0.2〜0.7%、Mn:0.8〜2.0%、C
r:0.05〜0.80%、Nb:0.01〜0.08
%、Ti:0.005〜0.040%、Al:0.01
〜0.10%を含有し、残部はFe及び不可避不純物か
らなり、不純物中のPは0.02%以下、Sは0.02
%以下の化学組成で、更に、組織がフェライト・ベイナ
イト2相組織であって、且つ、ベイナイト相の硬さがビ
ッカース硬さ220以上及びベイナイト相の割合が55
〜95%を満足する耐震性に優れた建築用鋼材。 - 【請求項2】請求項1に記載の化学組成を有する鋼片
を、1000〜1150℃に加熱し、圧延仕上げ温度が
820℃以上で圧下率が50%以上となるように熱間圧
延し、熱間圧延終了後は860〜740℃の温度域の温
度Tまで3.0℃/秒以下の冷却速度で冷却し、次い
で、温度Tから5〜20℃/秒の冷却速度で550℃以
下の温度まで冷却することを特徴とする耐震性に優れた
建築用鋼材の製造方法。
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---|---|---|---|
JP25034999A JP3475866B2 (ja) | 1999-09-03 | 1999-09-03 | 耐震性に優れた建築用鋼材及びその製造方法 |
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- 1999-09-03 JP JP25034999A patent/JP3475866B2/ja not_active Expired - Fee Related
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