JP4782067B2

JP4782067B2 - 厚鋼板の脆性き裂伝播停止特性の品質管理方法

Info

Publication number: JP4782067B2
Application number: JP2007107659A
Authority: JP
Inventors: 健裕井上; 陽一萱森; 忠石川
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-07-19
Filing date: 2007-04-17
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2027-04-17
Also published as: JP2008046106A

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、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るなどして、脆性破壊の発生防止が可能になってきている。

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、き裂の伝播を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（Liquefied Natural Gas）やＬＰＧ（Liquefied Petroleum 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。

ところが、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試験法と脆性破壊伝播停止特性を用いた相関式が提案され（非特許文献４〜６参照。）、シャルピー試験を規定して脆性き裂伝播停止特性を期待する手法が従来より採用されてきた。なお、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（ロシア規格ＧＯＳＴ−２２７１−７６ＴＫＢ試験法）等による脆性き裂伝播停止特性の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、シャルピー試験は、脆性破壊の発生特性の影響を強く受けるるため、脆性破壊の伝播停止特性との対応関係に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試験法、落重試験法、ＴＫＢ試験法でも、例えば非特許文献４、６に有るように、板厚依存性や板厚方向靭性分布の取り扱いを含めて十分な精度を与える手法は存在しなかった。

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、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課題とするものである。

本発明者らは、切欠き付き曲げ試験により、脆性破壊特性を評価する簡易試験法を一定板厚で実施することを検討した。板厚２５ｍｍの降伏強さが３２５ＭＰａ級から６８５ＭＰａ級の強度レベルの鋼材について、非特許文献３に規定される脆性破壊伝播停止試験から求められる脆性破壊伝播停止特性Ｋｃａ値と、非特許文献６のＴＫＢ試験法の破面遷移温度との対応関係を調査した結果、ＴＫＢ試験の延性破面率３０％の温度Ｔｋｂ（３０％）がＫｃａ値２０００Ｎ／ｍｍ^１．５〜３２００Ｎ／ｍｍ^１．５に対応することを見出した。同様に、ＤＷＴＴ試験の延性破面率３０％の温度Ｔ_{ＤＷＴＴ３０％}およびＤＴ試験の延性破面率３０％の温度Ｔ_{ＤＴ３０％}が、それぞれ、Ｋｃａ値１３００〜２７００Ｎ／ｍｍ^１．５、１６００〜３５００Ｎ／ｍｍ^１．５に対応することを見出した。

さらに、この結果を、種々の板厚に拡張するために板厚効果について検討した。板厚５０ｍｍから１００ｍｍの厚鋼板を減厚して脆性破壊伝播停止試験を行い、板厚効果を調査した。非特許文献４の板厚効果は３５ｍｍ以上で小さくなっており、この範囲では板厚効果が過小評価されていた。非特許文献５では、シャルピー試験とＫｃａとの相関式が与えられているが、ｖＴｒｓを材料特性として板厚ｔを変数と考えれば、Ｋｃａの板厚効果に関する式と解釈できる。この非特許文献５の式では、Ｋｃａ４０００Ｎ／ｍｍ^１．５以上の高い側で板厚効果を過小評価し、板厚８０ｍｍ以上の厚手材では板厚効果を過大評価することが明らかになった。

得られたデータを詳細に検討した結果、下記式２のような板厚ｔの効果を導出した。

一方、２５ｍｍでの脆性破壊伝播停止試験によるＫｃａ値の温度依存性は、Ｋｃａ値の対数と絶対温度の逆数が、一定の傾きの１次の相関を持ち、下記式３で表されることを見出した。

本発明者らは、以上の発見に基づいて、鋭意検討した結果、２５ｍｍに減厚したＴＫＢ試験片の延性破面率３０％に相当する破面遷移温度Ｔ_{ＴＫＢ３０％}、Ｔ_{ＤＷＴＴ３０％}またはＴ_{ＤＴ３０％}から、板厚２５ｍｍから１００ｍｍの厚鋼板のＫｃａ値を推定する手法を確立し、本発明を成したものであり、その要旨は、特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１）日本溶接協会規格「ＷＥＳ鋼種認定試験方法」（１９９５）に準拠した、大型試験片の脆性破壊伝播停止試験で求められるべき脆性破壊伝播停止性能Ｋｃａ値による厚鋼板の脆性き裂伝播停止特性の品質管理方法において、大型試験片に代わる厚さ２５ｍｍ、幅Ｗ、長さＬの小型試験片に、長さ方向中央位置の幅端面から幅方向に、板厚を貫通する深さａの切欠きを付与し、該小型試験片を静的または動的３点曲げ負荷により破断させ、その延性破面率を測定する、切欠き付き曲げ試験法（ロシア規格ＧＯＳＴ−２２７１−７６ＴＫＢ試験法；Ｗ＝９０ｍｍ、Ｌ＝３００ｍｍｍ、ａ＝３０ｍｍ、米国規格ＡＳＴＭ−Ｅ４３６ＤＷＴＴ試験法；Ｗ＝７６．２ｍｍ、Ｌ＝３０４．８ｍｍｍ、ａ＝５．１ｍｍまたは米国規格ＡＳＴＭ−Ｅ６０４ＤＴ試験法；Ｗ＝４１ｍｍ、Ｌ＝１８１ｍｍｍ、ａ＝１２．４ｍｍ）で求まる、延性破面率３０％に対応する破面遷移温度Ｔ_{ＴＫＢ３０％}、Ｔ_{ＤＷＴＴ３０％}またはＴ_{ＤＴ３０％}の測定値であって、厚鋼板の板厚ｔが２５ｍｍ以上５０ｍｍ未満の場合は、鋼板最外層１ｍｍ研削後の鋼板表層位置から採取した２５ｍｍ厚の小型試験片から求まる、延性破面率３０％に対応する破面遷移温度Ｔ_{ＴＫＢ３０％}、Ｔ_{ＤＷＴＴ３０％}またはＴ_{ＤＴ３０％}の測定値が、また、厚鋼板の板厚ｔが５０ｍｍ以上の場合は、その鋼板最外層１ｍｍ研削後の鋼板表層位置および板厚中央部から採取した２５ｍｍ厚の小型試験片から求まる、延性破面率３０％に対応する破面遷移温度Ｔ_{ＴＫＢ３０％}、Ｔ_{ＤＷＴＴ３０％}またはＴ_{ＤＴ３０％}の測定値の平均値が、下記の式１で計算されるＴ℃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）に準拠した、大型試験片の脆性破壊伝播停止試験で求められるべき脆性破壊伝播停止性能Ｋｃａ値は、保証温度Ｔ_０℃で、Ａ（Ｎ／ｍｍ^１．５）以上であると判定することを特徴とする、厚鋼板の脆性き裂伝播停止特性の品質管理方法。

ただし、ＴＫＢ試験のときＡｏ＝２０００、ＤＷＴＴ試験のときＡｏ＝１３００、ＤＴ試験のときＡｏ＝１６００である。

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、２５ｍｍ厚の小型の切欠き付き３点曲げ試験（ＴＫＢ試験、ＤＷＴＴ試験またはＤＴ試験）の破面遷移温度を規定することにより、簡易で精度良い判定が可能となるなど、産業上有用な著しい効果を奏する。

板厚ｔが２５ｍｍ以上の厚鋼板について、日本溶接協会規格「ＷＥＳ鋼種認定試験方法」（１９９５）に準拠した、保証温度Ｔ_０℃における脆性破壊伝播停止性能Ｋｃａ値がＡ（Ｎ／ｍｍ^１．５）以上を保証する場合において、図１に示す、日本溶接協会規格「ＷＥＳ鋼種認定試験方法」（１９９５）に準拠した大型試験片より相対的に小型の厚さ２５ｍｍ、幅Ｗ、長さＬの小型試験片の長さ方向中央位置の幅端面から幅方向に、板厚を貫通する深さａの切欠きを付与し、ＴＫＢ試験片を静的３点曲げ負荷により破断させ、またはＤＷＴＴ試験、ＤＴ試験を動的３点曲げ付加により破断させ、その延性破面率３０％となる破面遷移温度Ｔ_{ＴＫＢ３０％}、Ｔ_{ＤＷＴＴ３０％}またはＴ_{ＤＴ３０％}を規定することにより、保証温度Ｔ_０℃におけるＫｃａ値がＡ（Ｎ／ｍｍ^１．５）以上であるかどうかを判定する。

負荷は脆性き裂発生後アレストした場合でも、最終破断まで試験温度で変形を加える。破面は場合によっては複数の脆性破面を含むが、全破面を延性破面と脆性破面に分け延性破面率を測定する。

板厚ｔが２５ｍｍ以上５０ｍｍ未満の鋼板の場合は、厚さ２５ｍｍのＴＫＢ試験片、ＤＷＴＴ試験片またはＤＴ試験片は、鋼板最外層１ｍｍ研削後の鋼板表層位置（以下、鋼板表層下位置とも言う。）から採取し、その延性破面率が３０％の破面遷移温度Ｔ_{ＴＫＢ３０％}、Ｔ_{ＤＷＴＴ３０％}またはＴ_{ＤＴ３０％}が下記式１のＴ℃以下である場合に、保証温度Ｔ_０℃での脆性破壊伝播停止性能Ｋｃａ値がＡ（Ｎ／ｍｍ^１．５）以上であると判定する。

板厚ｔが５０ｍｍ以上の鋼板の場合は、厚さ２５ｍｍのＴＫＢ試験片、ＤＷＴＴ試験片またはＤＴ試験片を、板厚中央位置および鋼板最外層１ｍｍ研削後の鋼板表層位置から採取し、それぞれの位置でのＴ_{ＴＫＢ３０％}、Ｔ_{ＤＷＴＴ３０％}またはＴ_{ＤＴ３０％}の平均値がＴ℃以下である場合に、保証温度Ｔ_０℃での脆性破壊伝播停止性能Ｋｃａ値がＡ（Ｎ／ｍｍ^１．５）以上であると判定する。

表１に示す鋼材を用いて、本発明の検討を行った。

表１の鋼１から鋼５の板厚中央部から２５ｍｍの試験片を採取して、日本溶接協会規格「ＷＥＳ鋼種認定試験方法」（１９９５）に準拠した脆性破壊伝播停止試験およびロシア規格ＧＯＳＴ−２２７１−７６に準拠したＴＫＢ試験を実施した。試験で得られた同一温度でのＫｃａ値とＴＫＢ試験延性破面率との関係を図２に示す。この図から、２５ｍｍ材では、ＴＫＢ試験での延性破面率３０％となる破面遷移温度Ｔ_{ＴＫＢ３０％}はＫｃａ値で２０００〜３２００Ｎ／ｍｍ^１．５に対応することが分かる。

図４に、ＤＷＴＴ試験の延性破面率３０％の温度Ｔ_{ＤＷＴＴ３０％}およびＤＴ試験の延性破面率３０％の温度Ｔ_{ＤＴ３０％}における、Ｋｃａ値の値をＴＫＢ試験と比較して図３に示す。図より、Ｔ_{ＤＷＴＴ３０％}およびＴ_{ＤＴ３０％}はそれぞれ１３００〜２７００Ｎ／ｍｍ^１．５、１６００〜３５００Ｎ／ｍｍ^１．５に対応することがわかる。

次に、鋼１、２、４を用いてＫｃａ値の板厚効果を検討した。鋼１は厚さ２５ｍｍと５０ｍｍを、鋼２は厚さ２５ｍｍ、５０ｍｍ、８０ｍｍ、１００ｍｍを、鋼４は厚さ２５ｍｍ、５０ｍｍ、８０ｍｍをそれぞれ切り出して、脆性破壊伝播停止試験を実施した。それぞれ元厚でのＫｃａ値が４０００Ｎ／ｍｍ^１．５となる温度におけるＫｃａ値を、２５ｍｍ厚でのＫｃａ値に対する比で表し、横軸を板厚にしてプロットした図３により、Ｋｃａ値の板厚依存性を求め、下記式２を得た。

次に、同じく鋼１、２、４を用いて、これらの鋼材が−１０℃でＫｃａ≧４０００Ｎ／ｍｍ^１．５を満足するかを検討した。その結果を表２〜表４に示す。鋼１と４はＴ_{ＴＫＢ３０％}、Ｔ_{ＤＷＴＴ３０％}、Ｔ_{ＤＴ３０％}の何れもが、本発明のそれぞれの判定式で与えられるＴより低温であったが、鋼２はＴ_{ＴＫＢ３０％}、Ｔ_{ＤＷＴＴ３０％}、Ｔ_{ＤＴ３０％}の方がＴより高温であった。実際のＫｃａ値が４０００となる温度は鋼１と４のみが−１０℃以下であり、本発明の判定式の有効性が確認された。

本発明に用いる簡易試験法の試験片を模式的に示す図である。Ｋｃａ値とＴＫＢ試験の延性破面率との関係を示す図である。Ｋｃａ値の板厚効果を示す図である。Ｋｃａ値とＴ_{ＴＫＢ３０％}、Ｔ_{ＤＷＴＴ３０％}またはＴ_{ＤＴ３０％}との関係を示す図である。

符号の説明

１小型試験片
２切欠き

Claims

日本溶接協会規格「ＷＥＳ鋼種認定試験方法」（１９９５）に準拠した、大型試験片の脆性破壊伝播停止試験で求められるべき脆性破壊伝播停止性能Ｋｃａ値による厚鋼板の脆性き裂伝播停止特性の品質管理方法において、
大型試験片に代わる厚さ２５ｍｍ、幅Ｗ、長さＬの小型試験片に、長さ方向中央位置の幅端面から幅方向に、板厚を貫通する深さａの切欠きを付与し、該小型試験片を静的または動的３点曲げ負荷により破断させ、その延性破面率を測定する、切欠き付き曲げ試験法（ロシア規格ＧＯＳＴ−２２７１−７６ＴＫＢ試験法；Ｗ＝９０ｍｍ、Ｌ＝３００ｍｍｍ、ａ＝３０ｍｍ、米国規格ＡＳＴＭ−Ｅ４３６ＤＷＴＴ試験法；Ｗ＝７６．２ｍｍ、Ｌ＝３０４．８ｍｍｍ、ａ＝５．１ｍｍまたは米国規格ＡＳＴＭ−Ｅ６０４ＤＴ試験法；Ｗ＝４１ｍｍ、Ｌ＝１８１ｍｍｍ、ａ＝１２．４ｍｍ）で求まる、延性破面率３０％に対応する破面遷移温度Ｔ_{ＴＫＢ３０％}、Ｔ_{ＤＷＴＴ３０％}またはＴ_{ＤＴ３０％}の測定値であって、
厚鋼板の板厚ｔが２５ｍｍ以上５０ｍｍ未満の場合は、鋼板最外層１ｍｍ研削後の鋼板表層位置から採取した２５ｍｍ厚の小型試験片から求まる、延性破面率３０％に対応する破面遷移温度Ｔ_{ＴＫＢ３０％}、Ｔ_{ＤＷＴＴ３０％}またはＴ_{ＤＴ３０％}の測定値が、
また、厚鋼板の板厚ｔが５０ｍｍ以上の場合は、その鋼板最外層１ｍｍ研削後の鋼板表層位置および板厚中央部から採取した２５ｍｍ厚の小型試験片から求まる、延性破面率３０％に対応する破面遷移温度Ｔ_{ＴＫＢ３０％}、Ｔ_{ＤＷＴＴ３０％}またはＴ_{ＤＴ３０％}の測定値の平均値が、
下記の式１で計算されるＴ℃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）に準拠した、大型試験片の脆性破壊伝播停止試験で求められるべき脆性破壊伝播停止性能Ｋｃａ値は、保証温度Ｔ_０℃で、Ａ（Ｎ／ｍｍ^１．５）以上であると判定することを特徴とする、厚鋼板の脆性き裂伝播停止特性の品質管理方法。

ただし、ＴＫＢ試験のときＡｏ＝２０００、ＤＷＴＴ試験のときＡｏ＝１３００、ＤＴ試験のときＡｏ＝１６００である。