JP4590540B2 - Ultra-fine grain steel showing no up / down phenomenon - Google Patents

Ultra-fine grain steel showing no up / down phenomenon Download PDF

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JP4590540B2
JP4590540B2 JP2003080498A JP2003080498A JP4590540B2 JP 4590540 B2 JP4590540 B2 JP 4590540B2 JP 2003080498 A JP2003080498 A JP 2003080498A JP 2003080498 A JP2003080498 A JP 2003080498A JP 4590540 B2 JP4590540 B2 JP 4590540B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、上・下降伏現象を示さない超微細粒鋼に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、上・下降伏現象を示さないばかりでなく、高強度を有する上・下降伏現象を示さない超微細粒鋼に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
フェライト粒径が3μm以下の超微細粒鋼は、たとえばFe-C-Mn-Si系等の単純組成を有し、したがって、高強度化のために高価な微量元素を使用しなくてよく、また、現行の溶接技術をそのまま使用することができるという利点を有する。高強度はフェライトの細粒化の結果として得られるが、上記超微細粒鋼では、上降伏応力/引張強度若しくは下降伏応力/引張強度、すなわちYRが高くなっている。
【0003】
最近の建築設計においては、地震エネルギーはダンパー機能が付与されたブレースに吸収させ、高YRで弾性範囲が広い柱と梁は塑性変形させず、それらに建物の強度を持たせるという研究がなされている。超微細粒鋼は、そのような建物の柱及び梁といった構造材料に有効である。
【0004】
しかしながら、地震エネルギーを柱及び梁の塑性変形で吸収させる現行の設計法では、高YRは不利であり、超微細粒鋼の適用は難しい。また、自動車において、弾性設計されている部品には超微細粒鋼は有効であるが、衝撃エネルギーを吸収する場合には高YRは不利であり、超微細粒鋼の適用は難しい。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
一方、極低炭素IF鋼(Interstitial Free 鋼)は上・下降伏現象を示さない。この極低炭素IF鋼では、C(炭素)が0.001mass%〜0.002mass%に抑えられ、Ti(チタン)とNb(ニオブ)が単独若しくは複合添加され、Ti炭化物、Nb炭化物、Ti窒化物、Nb窒化物によりCとN(窒素)が固定されている。CとNを固定することにより、上・下降伏減少が消え、また、固溶強化がなくなる。極低炭素であるため、炭化物の分散量がきわめて少なく、炭化物による分散強化も小さく抑えられる。したがって、極低炭素IF鋼は低強度であり、加工性に優れるため、自動車鋼板として使用されている(たとえば、特許文献1参照)。
【0006】
しかしながら、上記のとおり、極低炭素IF鋼は強度が低い。そして、細粒化により強度を高めるという研究はこれまでになされていない。
【0007】
この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、上・下降伏現象を示さないばかりでなく、高強度を有する上・下降伏現象を示さない超微細粒鋼を提供することを解決すべき課題としている。
【0008】
【特許文献1】
特公昭42−12348号公報
【0009】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、0.15mass%以下のC(炭素)を含有し、フェライト粒径が3μm以下である建築構造用超微細粒鋼において、Ti(チタン)、Nb(ニオブ)、V(バナジウム)、Mo(モリブデン) の内から選択される少なくとも1つの元素が添加され、Ti炭化物、Nb炭化物、V炭化物、Mo炭化物若しくはこれらの2種類以上の炭化物が直径が150nm以下で析出することによりC(炭素)がすべて固定されるとともに、Ti窒化物、Nb窒化物、V窒化物、Mo窒化物若しくはこれらの2種類以上の窒化物によりN(窒素)もすべて固定されることにより、上・下の降伏現象を示さないことを特徴とする上・下降伏現象を示さない高強度建築構造用超微細粒鋼を提供する。
【0011】
以下、実施例を示しつつこの出願の発明の上・下降伏現象を示さない超微細粒鋼についてさらに詳しく説明する。
【0012】
【発明の実施の形態】
この出願の発明の上・下降伏現象を示さない超微細粒鋼では、フェライト粒径が3μm以下である超微細粒鋼において、Ti(チタン)、Nb(ニオブ)、V(バナジウム)、Mo(モリブデン)内から選択される少なくとも1つの元素が添加される。鋼中のC(炭素)は、Ti炭化物、Nb炭化物、V炭化物、Mo炭化物若しくはこれらの2種類以上の炭化物によりすべて固定され、また、N(窒素)がTi窒化物、Nb窒化物、V窒化物、Mo窒化物若しくはこれらの2種類以上の窒化物によりN(窒素)がすべて固定される。その結果、鋼中に含まれるC及びNがすべて固定され、上・下降伏現象が消滅する。
【0013】
化学量論組成を有する炭化物TiC、NbC、VC、MoCにより固定することのできる炭素量C*は、炭素と結合する各元素の量をTiC、NbC、VC、MoCとすると次式で与えられる。
【0014】
C*=(12.01/47.86)TiC+(12.01/92.90)NbC+(12.01/50.94)VC
+(12.01/94.94)MoC
=(1/3.99)TiC+(1/7.74)NbC+(1/4.24)VC+(1/7.99)MoC (1)ここで、C*、TiC、NbC、VC、MoCの単位はmass%である。また、C、Ti、Nb、V、Moの原子量をそれぞれ12.01、47.86、92.90、50.94、94.94とした。
【0015】
通常の溶解過程で鋼中に含まれるNは少ないが、Cと同様に固溶するため、窒化物として固定する必要がある。窒化物TiN、NbN、VN、MoNにより固定することのできるN*は、窒素と結合する各元素の量をTiN、NbN、VN、MoNとすると、式(1)においてCの原子量12.01をNの原子量14.00に置き換えることにより次式で与えられる。
【0016】
N*=(1/3.42)TiN+(1/6.63)NbN+(1/3.64)VN+(1/6.85)MoN (2)
ここで、N*、TiN、NbN、VN、MoNの単位はmass%である。
【0017】
鋼中に含まれるCとNをすべて固定するためには、
C<C*、N<N* (3)
が成立する必要がある(C、Nの単位はmass%である)。
【0018】
各元素の添加量は、
Ti=TiC+TiN、Nb=NbC+NbN、V=VC+VN、Mo=MoC+MoN (4)
となる。ここで、Ti、Nb、V、Moの単位はmass%である。
【0019】
この出願の発明の上・下降伏現象を示さない超微細粒鋼では、加工熱処理過程によりフェライトが細粒化し、粒径が3μm以下となり、強度が発現し、また、Ti、Nb、V、Moの添加により鋼中のすべてのC及びNが固定されて上・下降伏現象が消える。フェライトが粒径3μm以下の微細粒であることと上・下降伏現象を示さないことから、シャルピー衝撃特性と疲労特性にも優れ、この出願の発明の上・下降伏現象を示さない超微細粒鋼は、強度、靱性、疲労特性の3大特性が高い構造材料として有効となる。
【0020】
この出願の発明の上・下降伏現象を示さない超微細粒鋼は、その組成については、Ti、Nb、V及びMoの添加元素を除き、たとえば、
C:0.001〜0.90mass%、
Mn:0.8〜3.0mass%、
Si:0.80mass%以下、
Al:0.10mass%以下、
残部がFe及び不可避的不純物を例示することができる。
【0021】
他の添加成分としては、たとえば、
Cu:0.05〜2.5mass%、
Ni:0.05〜3mass%、
Cr:0.01〜3mass%、
W:0.01〜0.5mass%、
Ca:0.001〜0.01mass%、
REM(希土類元素):0.001〜0.02mass%、
B:0.0001〜0.006mass%
を例示することができ、上記の内の1種若しくは2種以上の添加が可能である。
【0022】
なお、この出願の発明の上・下降伏現象を示さない超微細粒鋼では、フェライト細粒化の加工熱処理過程でTi炭化物、Nb炭化物、V炭化物、Mo炭化物若しくはこれらの2種類以上の炭化物を直径150nm以下に析出させ、分散させることができ、強度をより高めることができる。
【0023】
【実施例】
[実施例1]
実施例1に使用した供試材の化学成分は表1に示したとおりである。残部は鉄及び不可避的不純物である。
【0024】
【表1】
表1において単位はmass%である。実施例1においては、Cが0.001mass%〜0.002mass%の極低炭素IF鋼に比べ、C量を0.05mass%と高くした。A材にはTiは添加されていないが、a材にはCとNをすべて固定するため、Ti=0.21mass% とした。TiのみでC、Nを固定する場合、上述の式(1)〜(4)から求められる最小限必要なTiの量(mass%)は、
(Ti)min=3.99C+3.42N=3.99×0.050+3.42×0.001=0.20292 (5)
であり、Tiの添加量0.21% はこの値より大きく、CとNをすべて固定することができる。
【0025】
表2に加工処理条件を示した。
【0026】
【表2】
前処理として1100℃で1時間保持後に鍛造を加え、室温まで空冷した。次いで、900℃で1時間保持後に空冷し、550℃になった時点で93%の溝ロール加工をし、水冷して超微細粒鋼を作製した。
【0027】
図1(a)(b)は、それぞれ、A材、a材の微視組織図である。図1(a)に示したA材では、析出物が粗大であり、偏析のあるFe3Cが分散している。図1(b)に示したa材では、微細なTiC粒子が均一に分散している。A材とa材ともにフェライト粒径は約0.5μmである。
【0028】
図2(a)(b)は、それぞれ、引張試験で得られたA材、a材の応力−ひずみ曲線である。
【0029】
図2(a)に示したように、Tiが添加されていないA材では上・下降伏現象が現れている。一方、Tiが添加されたa材では、図2(b)に示したように、上・下降伏現象が消滅している。
【0030】
図2(a)(b)に示した応力−ひずみ曲線から得られる諸特性を表3に示した。
【0031】
【表3】
a材では上・下降伏現象を示さないため、降伏応力に替えて0.2%耐力を示した。
【0032】
表3から確認されるように、a材はA材に比べ、CがTi炭化物(TiC)、NがTi窒化物(TiN)となるため、CとNの固溶強化がなくなり、0.2%耐力と引張強度が低下している。しかしながら、上降伏応力/引張強度(UYS/TS)、下降伏応力/引張強度(LYS/TS)に替えて求めた(0.2YS/TS)はA材のUYS/TS、LYS/TSのいずれよりも低い。すなわちa材のYSは低くなっている。
[実施例2]
実施例2で用いた供試材の化学成分を表4に(残部は鉄及び不可避的不純物)、加工熱処理条件を表5にそれぞれ示した。
【0033】
【表4】
【0034】
【表5】
供試材のC量は0.05、0.15、約0.45mass%とした。Tiは、すべての供試材に添加したが、B、D、E材では、3.99C+3.42N>Tiとし、上・下降伏現象を示すように添加し、b、d、e材では、3.99C+3.42N<Tiとし、上・下降伏現象を示さないように添加した。また、TiC量を増やし、その析出強化により強度を高めることを目指した。加工熱処理条件については、溝ロール圧延前に固溶Tiを多くする目的で、1200℃で1時間保持後に室温まで空冷する前処理を追加した。溝ロール圧延では、微細なTiCを析出させる目的で、表2に示した加工熱処理条件Iから900℃で1時間保持する工程を取り除いた。
【0035】
各材について得られた機械的性質を表6に示した。
【0036】
【表6】
B、D、E材では上・下降伏現象が現れ、YRは高くなった。b、d、e材では上・下降伏現象が消滅し、YRは低くなった。
【0037】
b、d、e材を比較すると、0.2%耐力及び引張強度は、C=0.05mass%のb材よりC=0.15mass%のd材で低くなった。これは、C量が増えると、溝ロール圧延前に固溶することのできるTi量が減り、そのため、溝ロール圧延前に大きめのTiCが存在し、かつ溝ロール圧延中に微細なTiCの析出が減るため、十分に分散強化されず、強度特性が低下することが原因である。C=0.15mass%のd材に比べ、C=0.43mass%のe材では溝ロール圧延前の大きめのTiCが増えるため、強度特性が高くなった。
[実施例3]
実施例3で用いた供試材の化学成分を表7に(残部は鉄及び不可避的不純物)、加工熱処理条件を表8に示した。
【0038】
【表7】
【0039】
【表8】
供試材のC量は約0.05、0.075mass%とし、Ti量は両材とも3.99C+3.42N<Tiとなるようにした。加工熱処理条件については、前処理として、1200℃で1時間保持後に鍛造し、室温まで空冷した。溝ロール圧延には3種類の条件を採用し、III条件は実施例1のI条件とほぼ同じにし、IV条件は実施例2のII条件と同じにした。V条件は新規であり、多くの微細なTiCを析出させるために、1200℃で1時間保持後に空冷し、室温に空冷せず、650℃になった時点で減面率91%の溝ロール圧延を行った。
【0040】
各材について得られた機械的性質を表9に示した。
【0041】
【表9】
f材、g材は、ともにどの加工条件でも上・下降伏現象が消滅し、YRは、a、b、d、e材と同程度に低くなった。
【0042】
実施例1−3の中で上下降伏現象を示さない超微細粒鋼において、最も高強度が得られた供試材と加工熱処理条件の組合せは、C量=0.075mass%の供試材gと加工熱処理条件Vの組合せであった。
【0043】
図3は、加工熱処理条件Vで作製したg材の薄膜の透過型電子顕微鏡で観測して得た微細組織図である。図1(b)に示したa材と同程度の粒径(約0.5μm)であるが、直径10nm以下の微細な炭化物が観察される。さらに、抽出レプリカを透過型電子顕微鏡で観察した結果、炭化物の直径は10nm以下であることが確認された。表9中で最も低強度となったf材の薄膜とその抽出レプリカを透過電子顕微鏡で観察した結果、フェライト粒径は約0.5μm、炭化物の直径は10nm〜150nmであった。図1(b)に微視組織を示したa材は、f材と化学成分、加工熱処理条件がほぼ同じであるが、炭化物の直径はほぼ50nmである。
【0044】
このように、フェライトの細粒強化に加え、Ti炭化物を微細に析出させることにより、析出物分散強化を発現させ、超微細粒鋼の強度を高めることができる。
また、微細なTi炭化物の量を増やすことでより高い強度が得られる。
【0045】
実施例1−3で得られたすべての超微細粒鋼のシャルピー衝撃特性を図4−6に示した。
【0046】
試験片は、JIS Z2202「金属材料衝撃試験片」の4号試験片(幅10mm、厚さ10mm、V切り欠き深さ2mm)とした。現行の建築用鋼材としても多く使用されている溶接構造用圧延鋼材JIS-SM50Bでは、使用温度0℃におけるシャルピー衝撃エネルギーが27.5Jであるが、最近の建築用鋼材については、使用温度が−80℃においてシャルピー衝撃エネルギーが100Jであることが開発目標となっている。上・下降伏現象を示さなかったa、b、d、e、f、g材については、C量が0.43mass%のe材を除いて延性/脆性遷移温度は−100℃以下、シャルピー衝撃エネルギーは100J以上となっており、上記開発目標を超えている。e材は現状の鋼よりも約2倍の値を示している。上・下降伏現象を示すA、B、D、E材は高強度であるが、上・下降伏現象を示さないa、b、d、e、f、g材と比べると、衝撃エネルギーがやや劣っている。
【0047】
実施例1で得られた供試材A、a材の高サイクル疲労特性、すなわち応力振幅と破断寿命の関係を図7に示した。
【0048】
試験部直径が6mmの砂時計試験片を用い、回転曲げ疲労試験を行った。107回の繰り返し数で決める疲労限σwは引張強度TSと良い相関があることが知られており、たとえば金属材料技術研究所(現 物質・材料研究機構)の疲労データシート(松岡三郎、長島伸夫、西島 敏、金属材料強度データシート資料17「機械構造用金属材料の疲労に関する指標特性」、金属材料技術研究所(現 物質・材料研究機構)、1999年)によると、フェライト・パーライト鋼(TS=450〜750MPa)でσw=0.395TS、焼戻しマルテンサイト鋼(TS=700〜1200MPa)でσw=0.522TSの実験式が得られている。
【0049】
図7からA、a材では、σw=480MPa、420MPaが得られ、σw/TS=0.57、0.58となっている。これらの数値は、超微細粒フェライト鋼の親類であるフェライト・パーライト鋼よりはるかに高く、焼戻しマルテンサイト鋼より少し高い。すなわち、上・下降伏現象の有無にかかわらず、超微細粒鋼は優れた疲労特性を示す。
【0050】
もちろん、この出願の発明は、以上の実施形態及び実施形態によって限定されるものではない。細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。
【0051】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、上・下降伏現象を示さないばかりでなく、高強度を有する上・下降伏現象を示さない超微細粒鋼が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)(b)は、それぞれ、実施例1で得られたA材、a材の微視組織図である。
【図2】(a)(b)は、それぞれ、実施例1において引張試験で得られたA材、a材の応力−ひずみ曲線である。
【図3】加工熱処理条件Vで作製したg材の薄膜の透過型電子顕微鏡で観測して得た微細組織図である。
【図4】実施例1で得られた超微細粒鋼のシャルピー衝撃特性を示した図である。
【図5】実施例2で得られた超微細粒鋼のシャルピー衝撃特性を示した図である。
【図6】(a)(b)は、それぞれ、実施例3で得られた超微細粒鋼のシャルピー衝撃特性を示した図である。
【図7】実施例1で得られた供試材A、a材の高サイクル疲労特性を示した図である。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The invention of this application relates to an ultrafine-grained steel that does not exhibit an up / down phenomenon. More specifically, the invention of this application relates to an ultrafine-grained steel not only showing no up / down yield phenomenon, but also showing a high strength up / down yield phenomenon.
[0002]
[Prior art]
An ultrafine-grained steel with a ferrite grain size of 3 μm or less has a simple composition, for example, Fe—C—Mn—Si, and therefore it is not necessary to use expensive trace elements for high strength. The present welding technique has an advantage that it can be used as it is. High strength is obtained as a result of the fine graining of ferrite, but in the ultrafine grain steel, the upper yield stress / tensile strength or the lower yield stress / tensile strength, that is, YR is high.
[0003]
In recent architectural design, there is a study that seismic energy is absorbed by a brace with a damper function, and columns and beams with high YR and wide elastic range are not plastically deformed, but give them the strength of the building. Yes. Ultra fine grain steel is useful for structural materials such as columns and beams in such buildings.
[0004]
However, in the current design method in which seismic energy is absorbed by plastic deformation of columns and beams, high YR is disadvantageous and it is difficult to apply ultra fine grain steel. In automobiles, ultrafine grained steel is effective for elastically designed parts, but high YR is disadvantageous when absorbing impact energy, and application of ultrafine grained steel is difficult.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
On the other hand, extremely low carbon IF steel (Interstitial Free steel) does not show up / down phenomenon. In this ultra-low carbon IF steel, C (carbon) is suppressed to 0.001 mass% to 0.002 mass%, Ti (titanium) and Nb (niobium) are added alone or in combination, Ti carbide, Nb carbide, Ti nitride, C and N (nitrogen) are fixed by Nb nitride. By fixing C and N, the decrease in up / down yield disappears, and solid solution strengthening disappears. Since it is extremely low carbon, the amount of carbide dispersion is extremely small, and dispersion strengthening by carbide can be kept small. Therefore, extremely low carbon IF steel has low strength and is excellent in workability, and is therefore used as an automobile steel plate (see, for example, Patent Document 1).
[0006]
However, as described above, the strength of the ultra-low carbon IF steel is low. No research has been conducted so far to increase the strength by refining.
[0007]
The invention of this application has been made in view of the circumstances as described above, and provides an ultrafine-grained steel not only showing no up / down yield phenomenon but also showing high / upset yield phenomena. It is a problem to be solved.
[0008]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 42-12348 [0009]
[Means for Solving the Problems]
The invention of this application, as to solve the above problem, containing 0.15 mass% or less of C (carbon), in ultra-fine grain steel building structures ferrite particle diameter of 3μm or less, Ti (titanium) At least one element selected from Nb (niobium), V (vanadium), and Mo (molybdenum) is added, and Ti carbide, Nb carbide, V carbide, Mo carbide, or two or more kinds of these carbides have a diameter. C (carbon) is fixed by precipitation at 150 nm or less, and all of N (nitrogen) is also obtained by Ti nitride, Nb nitride, V nitride, Mo nitride, or two or more of these nitrides. the fixed Rukoto, to provide a high strength building structures for ultra-fine grain steel which does not exhibit on and lower breakdown phenomenon, characterized by showing no breakdown phenomenon of the upper and lower.
[0011]
Hereinafter, the ultrafine grain steel which does not show the up / down yield phenomenon of the invention of this application will be described in more detail while showing examples.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the ultrafine-grained steel that does not show the upper / lower yield phenomenon of the invention of this application, in the ultrafine-grained steel having a ferrite grain size of 3 μm or less, Ti (titanium), Nb (niobium), V (vanadium), Mo ( Molybdenum) is added at least one element selected from within. C (carbon) in steel is all fixed by Ti carbide, Nb carbide, V carbide, Mo carbide or two or more of these carbides, and N (nitrogen) is Ti nitride, Nb nitride, V nitridation N (nitrogen) is all fixed by the metal, Mo nitride, or two or more types of these nitrides. As a result, all of C and N contained in the steel are fixed, and the upper / lowering phenomenon disappears.
[0013]
The carbon amount C * that can be fixed by carbides TiC, NbC, VC, and MoC having a stoichiometric composition is expressed by the following formula when the amount of each element bonded to carbon is Ti C , Nb C , V C , and Mo C Given in.
[0014]
C * = (12.01 / 47.86) Ti C + (12.01 / 92.90) Nb C + (12.01 / 50.94) V C
+ (12.01 / 94.94) Mo C
= (1 / 3.99) Ti C + (1 / 7.74) Nb C + (1 / 4.24) V C + (1 / 7.99) Mo C (1) where C * , Ti C , Nb C , V C , The unit of Mo C is mass%. The atomic weights of C, Ti, Nb, V, and Mo were set to 12.01, 47.86, 92.90, 50.94, and 94.94, respectively.
[0015]
Although the amount of N contained in the steel in the normal melting process is small, since it dissolves in the same manner as C, it must be fixed as a nitride. N * that can be fixed by nitrides TiN, NbN, VN, and MoN is the atomic weight of C in formula (1), where Ti N , Nb N , V N , and Mo N are the amounts of each element that binds to nitrogen. Substituting 12.01 with an atomic weight of N of 14.00 gives:
[0016]
N * = (1 / 3.42) Ti N + (1 / 6.63) Nb N + (1 / 3.64) V N + (1 / 6.85) Mo N (2)
Here, the unit of N * , Ti N , Nb N , V N , and Mo N is mass%.
[0017]
To fix all C and N contained in the steel,
C <C * , N <N * (3)
(C, N units are mass%).
[0018]
The amount of each element added is
Ti = Ti C + Ti N , Nb = Nb C + Nb N , V = V C + V N , Mo = Mo C + Mo N (4)
It becomes. Here, the unit of Ti, Nb, V, and Mo is mass%.
[0019]
In the ultrafine-grained steel that does not show the upper / lowering phenomenon of the invention of this application, ferrite is refined by the process of heat treatment, the grain size becomes 3 μm or less, strength is developed, and Ti, Nb, V, Mo As a result, all C and N in the steel are fixed and the up / down phenomenon disappears. Since ferrite is a fine grain with a grain size of 3 μm or less and does not show up / down yielding phenomenon, it has excellent Charpy impact characteristics and fatigue characteristics, and it does not show up / down yielding phenomenon of the invention of this application. Steel is effective as a structural material having high three major properties of strength, toughness, and fatigue properties.
[0020]
The ultrafine-grained steel that does not show the upper / lowering phenomenon of the invention of this application, except for the additive elements of Ti, Nb, V and Mo,
C: 0.001 to 0.90 mass%,
Mn: 0.8-3.0mass%,
Si: 0.80mass% or less,
Al: 0.10 mass% or less,
The balance can be exemplified by Fe and inevitable impurities.
[0021]
As other additive components, for example,
Cu: 0.05 to 2.5 mass%
Ni: 0.05-3 mass%,
Cr: 0.01-3 mass%,
W: 0.01-0.5mass%,
Ca: 0.001 to 0.01 mass%,
REM (rare earth element): 0.001 to 0.02 mass%,
B: 0.0001 ~ 0.006mass%
And one or more of the above can be added.
[0022]
In the ultra fine grain steel that does not show the upper / lower yield phenomenon of the invention of this application, Ti carbide, Nb carbide, V carbide, Mo carbide or two or more kinds of these carbides are used in the ferrite heat treatment process. It can be deposited and dispersed to a diameter of 150 nm or less, and the strength can be further increased.
[0023]
【Example】
[Example 1]
The chemical components of the test material used in Example 1 are as shown in Table 1. The balance is iron and inevitable impurities.
[0024]
[Table 1]
In Table 1, the unit is mass%. In Example 1, the C content was increased to 0.05 mass% as compared with the ultra-low carbon IF steel having C of 0.001 mass% to 0.002 mass%. Ti is not added to the A material, but Ti = 0.21 mass% is used to fix all C and N to the a material. When fixing C and N only with Ti, the minimum amount of Ti (mass%) obtained from the above formulas (1) to (4) is:
(Ti) min = 3.99C + 3.42N = 3.99 × 0.050 + 3.42 × 0.001 = 0.20292 (5)
Further, the addition amount of Ti is 0.21% larger than this value, and all of C and N can be fixed.
[0025]
Table 2 shows the processing conditions.
[0026]
[Table 2]
As a pretreatment, forging was performed after holding at 1100 ° C. for 1 hour, and air cooling was performed to room temperature. Next, after holding at 900 ° C. for 1 hour, it was air-cooled, and when it reached 550 ° C., it was 93% groove-rolled and water-cooled to produce an ultrafine-grained steel.
[0027]
FIGS. 1A and 1B are microscopic structure diagrams of the A material and the a material, respectively. In the A material shown in FIG. 1A, precipitates are coarse and segregated Fe 3 C is dispersed. In the material a shown in FIG. 1B, fine TiC particles are uniformly dispersed. The ferrite grain size is about 0.5 μm for both the A material and the a material.
[0028]
2A and 2B are stress-strain curves of the A material and the a material obtained in the tensile test, respectively.
[0029]
As shown in FIG. 2A, the up / down yield phenomenon appears in the A material to which no Ti is added. On the other hand, in the “a” material to which Ti is added, as shown in FIG.
[0030]
Table 3 shows various characteristics obtained from the stress-strain curves shown in FIGS.
[0031]
[Table 3]
Since the material a did not show the up / down yielding phenomenon, 0.2% proof stress was shown instead of the yield stress.
[0032]
As can be seen from Table 3, material A is Ti carbide (TiC) and N is Ti nitride (TiN) compared to material A, so there is no solid solution strengthening of C and N, and 0.2% yield strength And the tensile strength is reduced. However, (0.2YS / TS) calculated in place of the upper yield stress / tensile strength (UYS / TS) and the lower yield stress / tensile strength (LYS / TS) is from either UYS / TS or LYS / TS of the A material. Is also low. That is, YS of material a is low.
[Example 2]
The chemical composition of the test material used in Example 2 is shown in Table 4 (the balance is iron and inevitable impurities), and the heat treatment conditions are shown in Table 5.
[0033]
[Table 4]
[0034]
[Table 5]
The C content of the test material was 0.05, 0.15, and about 0.45 mass%. Ti was added to all specimens, but for B, D and E materials, 3.99C + 3.42N> Ti was added to show the up / down phenomenon, and for b, d and e materials, 3.99C + 3.42N <Ti was added so as not to show the up / down phenomenon. The aim was to increase the strength by increasing the TiC content and strengthening the precipitation. Regarding the thermomechanical treatment conditions, for the purpose of increasing the amount of dissolved Ti before groove roll rolling, a pretreatment was carried out for air cooling to room temperature after holding at 1200 ° C. for 1 hour. In the groove roll rolling, for the purpose of precipitating fine TiC, the step of holding at 900 ° C. for 1 hour from the processing heat treatment condition I shown in Table 2 was removed.
[0035]
The mechanical properties obtained for each material are shown in Table 6.
[0036]
[Table 6]
In B, D, and E materials, the up / down yield phenomenon appeared and YR increased. In the b, d and e materials, the up / down yield phenomenon disappeared, and the YR became low.
[0037]
When the materials b, d and e were compared, the 0.2% proof stress and the tensile strength were lower with the d material of C = 0.15 mass% than the b material of C = 0.05 mass%. This is because when the amount of C increases, the amount of Ti that can be dissolved before groove roll rolling decreases, so that there is a large TiC before groove roll rolling, and fine TiC precipitates during groove roll rolling. This is because the dispersion is not sufficiently strengthened and the strength characteristics are deteriorated. Compared with the d material of C = 0.15 mass%, the e material of C = 0.43 mass% increased the strength characteristics because of the larger TiC before groove roll rolling.
[Example 3]
Table 7 shows the chemical composition of the test material used in Example 3 (the balance is iron and inevitable impurities), and Table 8 shows the conditions for the heat treatment.
[0038]
[Table 7]
[0039]
[Table 8]
The C amount of the test material was about 0.05 and 0.075 mass%, and the Ti amount was 3.99C + 3.42N <Ti for both materials. Regarding the heat treatment conditions, as a pretreatment, forging was carried out after holding at 1200 ° C. for 1 hour, and then air-cooled to room temperature. Three types of conditions were adopted for the groove roll rolling, the III condition was substantially the same as the I condition of Example 1, and the IV condition was the same as the II condition of Example 2. V condition is new, and in order to precipitate a lot of fine TiC, air-cooled after holding at 1200 ° C for 1 hour, not air-cooled to room temperature, and groove roll rolling with 91% area reduction at 650 ° C Went.
[0040]
Table 9 shows the mechanical properties obtained for each material.
[0041]
[Table 9]
In both the f and g materials, the upper / lower yield phenomenon disappeared under any processing conditions, and the YR was as low as the a, b, d, and e materials.
[0042]
In the ultrafine-grained steel that does not show the upper and lower yield phenomenon in Example 1-3, the combination of the specimen with the highest strength and the thermomechanical treatment condition is the specimen g with C content = 0.075 mass%, It was a combination of thermomechanical treatment conditions V.
[0043]
FIG. 3 is a microstructure diagram obtained by observation with a transmission electron microscope of a thin film of the g material prepared under the thermomechanical treatment condition V. Although the particle size is about the same as that of the material a shown in FIG. 1B (about 0.5 μm), fine carbides having a diameter of 10 nm or less are observed. Furthermore, as a result of observing the extracted replica with a transmission electron microscope, it was confirmed that the diameter of the carbide was 10 nm or less. As a result of observing the thin film of the f material having the lowest strength in Table 9 and its extracted replica with a transmission electron microscope, the ferrite particle diameter was about 0.5 μm and the carbide diameter was 10 nm to 150 nm. The material “a” having a microscopic structure shown in FIG. 1B has substantially the same chemical composition and processing heat treatment conditions as the material “f”, but the carbide diameter is approximately 50 nm.
[0044]
In this way, in addition to fine grain strengthening of ferrite, fine precipitation of Ti carbide can cause precipitation dispersion strengthening and increase the strength of ultrafine grain steel.
Moreover, higher strength can be obtained by increasing the amount of fine Ti carbide.
[0045]
The Charpy impact characteristics of all the ultrafine-grained steels obtained in Example 1-3 are shown in FIGS. 4-6.
[0046]
The test piece was a No. 4 test piece (width 10 mm, thickness 10 mm, V notch depth 2 mm) of JIS Z2202 “Metallic material impact test piece”. In the JIS-SM50B rolled steel for welded structures, which is also widely used as the current building steel, the Charpy impact energy at a use temperature of 0 ° C is 27.5 J. However, the use temperature of recent building steel is -80. The development goal is a Charpy impact energy of 100 J at ℃. For materials a, b, d, e, f, and g that did not show the up / down phenomenon, the ductile / brittle transition temperature was −100 ° C. or less, except for the e material with a C content of 0.43 mass%, and Charpy impact energy. Is over 100J, exceeding the above development target. The e material shows a value about twice that of the current steel. A, B, D, E materials showing up / down phenomenon are high strength, but impact energy is slightly higher than materials a, b, d, e, f, g which do not show up / down materials. Inferior.
[0047]
FIG. 7 shows the high cycle fatigue characteristics of the specimens A and a obtained in Example 1, that is, the relationship between the stress amplitude and the fracture life.
[0048]
Using an hourglass test piece having a test part diameter of 6 mm, a rotating bending fatigue test was conducted. The fatigue limit σ w determined by the number of repetitions of 10 7 is known to have a good correlation with the tensile strength TS. For example, Fatigue Data Sheet (Saburo Matsuoka, National Institute for Materials Science) According to Nobuo Nagashima and Satoshi Nishijima, Metal Material Strength Data Sheet Material 17 “Indicator Characteristics on Fatigue of Metal Materials for Mechanical Structures”, Institute for Materials Research (currently National Institute for Materials Science), 1999) (TS = 450~750MPa) with σ w = 0.395TS, empirical formula σ w = 0.522TS in tempered martensite steel (TS = 700~1200MPa) is obtained.
[0049]
From FIG. 7, for materials A and a, σ w = 480 MPa and 420 MPa are obtained, and σ w /TS=0.57 and 0.58. These figures are much higher than ferrite-pearlite steel, which is a relative of ultrafine-grained ferritic steel, and slightly higher than tempered martensitic steel. In other words, regardless of the presence or absence of the up / down phenomenon, ultrafine-grained steel exhibits excellent fatigue properties.
[0050]
Of course, the invention of this application is not limited to the above embodiments and embodiments. It goes without saying that various aspects are possible for the details.
[0051]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the invention of this application, an ultrafine grain steel not only showing no up / down phenomenon but also having high strength and no up / down phenomenon is provided.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are microscopic structure diagrams of a material A and a material obtained in Example 1, respectively.
FIGS. 2A and 2B are stress-strain curves of material A and material a obtained in a tensile test in Example 1, respectively.
FIG. 3 is a microstructure diagram obtained by observation with a transmission electron microscope of a thin film of material g produced under a thermomechanical treatment condition V.
4 is a graph showing the Charpy impact characteristics of the ultrafine-grained steel obtained in Example 1. FIG.
5 is a graph showing the Charpy impact characteristics of the ultrafine-grained steel obtained in Example 2. FIG.
6A and 6B are diagrams showing Charpy impact characteristics of the ultrafine-grained steel obtained in Example 3, respectively.
7 is a graph showing the high cycle fatigue characteristics of specimens A and a obtained in Example 1. FIG.

Claims (1)

0.15mass%以下のC(炭素)を含有し、フェライト粒径が3μm以下である建築構造用超微細粒鋼において、Ti(チタン)、Nb(ニオブ)、V(バナジウム)、Mo(モリブデン)の内から選択される少なくとも1つの元素が添加され、Ti炭化物、Nb炭化物、V炭化物、Mo炭化物若しくはこれらの2種類以上の炭化物が直径が150nm以下で析出することによりC(炭素)がすべて固定されるとともに、Ti窒化物、Nb窒化物、V窒化物、Mo窒化物若しくはこれらの2種類以上の窒化物によりN(窒素)もすべて固定されることにより、上・下降伏現象を示さず、かつ室温におけるシャルピー衝撃吸収エネルギーが100J以上であることを特徴とする上・下降伏現象を示さない高強度建築構造用超微細粒鋼。Ti (titanium), Nb (niobium), V (vanadium), Mo (molybdenum) in ultrafine-grain steel for building structures containing 0.15 mass% or less of C (carbon) and having a ferrite grain size of 3 μm or less At least one element selected from the group consisting of Ti carbide, Nb carbide, V carbide, Mo carbide, or two or more of these carbides precipitates with a diameter of 150 nm or less, so that C (carbon) is all fixed. while being, Ti nitrides, Nb nitrides, V nitrides, by Rukoto fixed all N (nitrogen) also by Mo nitride or two or more nitrides of these show no upper and lower breakdown phenomenon, A high-strength steel for high-strength building structures that does not show up / down phenomenon, characterized by Charpy impact absorption energy at room temperature of 100 J or more.
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