JP5284075B2 - 脆性亀裂伝播停止特性に優れた構造用厚鋼板 - Google Patents
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X値={0.08[Mn]+0.04([Cu]+[Ni])+2[Nb]}/5[C]
…(1)
但し、[Mn]、[Cu]、[Ni]、[Nb]および[C]は、夫々Mn、Cu、Ni、NbおよびCの含有量を示す。
K0=5.68×10-20{2.25×10-2[−400・d(t/2)-1/2+313]2−15[−400・d(t/2)-1/2+313]+6418}6.25/{1−3.288×10-9(−92[−400・d(t/4)-1/2+313]+32700)2} …(2)
尚、「vTrs(板厚中央部近傍)」はシャルピー衝撃試験によって求められる板厚中央部近傍の脆性破面遷移温度vTrsであり、「vTrs(表層近傍)」はシャルピー衝撃試験によって求められる表層近傍の脆性破面遷移温度vTrsである。
vTrs=−400・[√(1/d)]+313 …(4)
K0=5.68×10-20{2.25×10-2[−400・d(t/2)-1/2+313]2−15[−400・d(t/2)-1/2+313]+6418}6.25/{1−3.288×10-9(−92[−400・d(t/4)-1/2+313]+32700)2} …(2)
X値={0.08[Mn]+0.04([Cu]+[Ni])+2[Nb]}/5[C]
…(1)
但し、[Mn]、[Cu]、[Ni]、[Nb]および[C]は、夫々Mn、Cu、Ni、NbおよびCの含有量を示す。
Cは鋼板の強度を確保するために必要な元素であり、所望の強度(即ち、引張強度で510MPa以上)を確保するためには0.05%以上含有させる必要がある。しかしながら、Cを過剰に含有させると、オーステナイト再結晶温度が冷却速度の影響を大きく受け、板中央部の粒径が粗大化する。しかも、Cを0.12%よりも過剰に含有させると溶接性も劣化する。こうしたことから、C含有量は0.05〜0.12%と規定した。C含有量の好ましい下限は0.06%であり、好ましい上限は0.10%である。
Siは脱酸と強度確保のために必要な元素であり、そのためには0.05%以上含有させる必要がある。しかしながら、0.30%を超えて過剰に含有させると溶接性が劣化する。したがって、Si含有量は0.05〜0.30%と規定した。Si含有量の好ましい下限は0.10%であり、好ましい上限は0.28%である。
Mnは鋼板の強度上昇のために有効な元素であると同時に、オーステナイト再結晶温度への冷却速度の影響を緩和させる作用があるため、冷却速度の影響には関係なく鋼板表面から深さt/4より内部の結晶粒を微細化する効果がある。こうした効果を発揮させるためには、Mnは1.0%以上含有させる必要がある。しかしながら、Mnを過剰に含有させると溶接性が劣化するので、1.8%以下とする必要がある。従って、Mn含有量は1.0〜1.8%と規定した。Mn含有量の好ましい下限は1.4%であり、好ましい上限は1.6%である。
Nbはオーステナイトの再結晶を抑制し、且つオーステナイト再結晶温度への冷却速度の影響を緩和させる作用があるため、冷却速度の影響には関係なく鋼板表面から深さt/4より内部の結晶粒を微細化する効果がある。こうした効果を発揮させるためには、Nbは0.005%以上含有させる必要がある。しかしながら、Nbを過剰に含有させると溶接性が損なわれるので、0.05%以下とする。
Tiは鋼中にTiNを微細分散させて加熱中のオーステナイト粒の粗大化を防止するとともに、Nbと同様にオーステナイトの再結晶を抑制する作用があるため、オーステナイト粒を微細化し、変態後の組織を微細化する効果を発揮する。また、TiNは溶接時におけるHAZのオーステナイト粒を微細化し、HAZ靭性改善に有効である。こうした効果を発揮させるためには、Tiを0.005%以上含有させる必要がある。しかしながら、Tiの含有量が過剰になると溶接性が損なわれるので、0.03%以下とする。
Cuは鋼板の強度上昇のために有効な元素であると同時に、オーステナイトの再結晶を抑制し、且つオーステナイト再結晶温度への冷却速度の影響を緩和させる作用があるため、冷却速度の影響には関係なく鋼板表面から深さt/4より内部の結晶粒を微細化する効果がある。こうした効果を発揮させるためには、Cuは0.7%以上含有させる必要がある。しかしながら、Cuの含有量が過剰になると析出強化が過多となり、靭性に悪影響を及ぼすので、2.0%以下とする必要がある。
Pは結晶粒に偏析し、延性や靭性に有害に作用する不純物であるので、できるだけ少ない方が好ましいのであるが、実用鋼の清浄度の程度を考慮して0.025%以下とする。尚、Pは鋼に不可避的に含まれる不純物であり、その量を0%にすることは工業生産上困難である。
Sは鋼板中の合金元素と化合して種々の介在物を形成し、鋼板の延性や靭性に有害に作用する不純物であるので、できるだけ少ない方が好ましいのであるが、実用鋼の清浄度の程度を考慮して0.010%以下に抑制するのがよい。尚、Sは鋼に不可避的に含まれる不純物であり、その量を0%とすることは工業生産上困難である。
Alは脱酸剤として有効であると共に、AlNを形成して結晶粒の微細化に有効な元素である。こうした効果を発揮させるためには、Alは0.01%以上含有させる必要がある。しかしながら、Alの含有量が過剰になると、母材靭性および溶接部の靭性を劣化させるので、0.06%以下とする必要がある。
Niはオーステナイトの再結晶を抑制し、且つオーステナイト再結晶温度への冷却速度の影響を緩和させる作用があるため、冷却速度の影響には関係なく鋼板表面から深さt/4より内部の結晶粒を微細化する効果がある。しかしながら、Ni含有量が2%を超えると、靭性改善の効果が小さくなり、経済性で不利となる。従って、Niを含有させるときの量は2%以下とすることが好ましい。
BはNと窒化物を形成して溶接時におけるHAZのオーステナイト粒内組織を微細化し、HAZ靱性改善に有効な元素であるとともに、固溶B(フリーB)は鋼板の焼入れ性を高めて母材強度を向上させる。こうした効果を発揮させるには、0.0005%以上含有させることが好ましいが、過剰に含有させると溶接性が損なわれるので、0.003%以下とするのが良い。
Nは基本的に不可避的不純物と考えられているのであるが、Al,Ti,Nb,B等と結合し、窒化物を形成して母材組織を微細化させる効果があると共に、溶接時のオーステナイト粒の微細化や粒内組織を微細化し、HAZ靭性を向上させる効果を発揮する。こうした効果を発揮させるには、Nは0.002%以上含有させることが好ましい。しかしながら、固溶NはHAZ靭性を劣化させる原因となる。全窒素量の増加により、前述の窒化物は増加するが固溶Nも過剰となり、有害となるため、0.009%以下に制限すべきである。
鋼板における材質の均一化のためには、950℃以上に加熱する必要があり、一方急激な粒成長を抑えるため、また表面酸化を抑制するためには加熱温度は1350℃以下とする必要がある。特に、靭性を確保するためには、加熱温度の上限を1150℃とすることが好ましい。
この温度域での圧延により均一化したオーステナイト粒を潰して一層の細粒化が図れる。更に、成分調整により再結晶が抑制されていることから未再結晶での圧延が容易であり、効率的に細粒化が可能となる。但し、累積圧下率を40%未満とすると、十分な細粒化が得られないことから40%以上の累積圧下率とする。尚、上記累積圧下率は、下記(5)式によって求められるものである。
累積圧下率=(t0−t1)/t0×100 … (5)
〔式(4)中、t0は当該温度域での鋼片の圧延開始厚(mm)を表し、t1は当該温度域での鋼板の圧延終了厚(mm)を表す。〕
圧延後の冷却は5℃/秒以上の平均冷却速度で400〜500℃まで冷却を行い、ベイナイト単相組織とする。冷却停止温度を400〜500℃とするのは、この温度範囲未満であると島状マルテンサイト相(MA相)による母材靭性の劣化を招き、この温度範囲を超えるとベイナイト変態が十分でなく、フェライト・パーライト組織主体となり、強度確保が困難となる。
K0=Ks+Kd=K0・r+Kd …(6)
K0=Kd/(1−r) …(7)
K0=Kd/(1−r)=f2(vTrs(t/2)/(1−f1(vTrs(t/4)))) …(8)
r=(4/π)(ts1/t)(σY1/σ0)cos-1{(a−1s1)/a} …(9)
但し、ts1:表層部の延性破壊(シアリップ)の幅(mm)、σY1:温度T0における鋼板表層近傍の高速引張変形時の降伏応力(MPa)、σ0:ESSO試験時の降伏応力(MPa)、a:亀裂長さ(mm)、1s1:サイドリガメント長さ(mm)、を夫々示す。
ts1=ks1・rp …(10)
rp=1/6π・(KD(B)/σY1)2 …(11)
但し、KD(B):表層部近傍の動的破壊靭性値(MPa・mm1/2)
KD(B)=Kci …(12)
Kci=3.81×(σy0/9.8)・exp{k0(1/iTk−1/T0)} …(13)
K0=6.65・iTk−290 …(14)
iTk=(0.0032×σy0/9.8+0.391)vTrs+2.74(t)1/2+17.3 …(15)
但し、σy0:鋼材の室温(25℃)での降伏応力
KD(B)=Kci(B)d=―92vTrs+32700 …(16)
r=3.288×10-9(−92v[Trs(表層近傍)]+32700)2…(17)
r=3.288×10-9(−92[vTrs(t/4)]+32700)2 …(18)
r=f1’(ts1、σY1、σ0、(a−1s1)/a)
=f1’(KD(B)、ks1、σY1、σ0、(a−1s1)/a)
=f1’([vTrs(表層近傍)]、σy0、T0、t、ks1、σY1、σ0、(a−1s1)/a)
vTrs(表層近傍):表面近傍の破面遷移温度(℃)→鋼材から採取
σy0:鋼材の室温(25℃)での降伏応力→鋼材から採取
T0:設計要件から得られる温度条件である。
t:鋼板の厚さ→鋼材から採取
ks1:シアリップ幅と塑性域寸法の比→一般的な鋼材に対して参考文献2等に示されている。
σY1:温度T0における鋼材表層近傍の高速引張変形時の降伏応力→一般的な鋼材に対して参考文献2等に示されている。
σ0:設計要件から得られる負荷応力条件である。
(a−1s1)/a:aは亀裂長さ、1s1はサイドリガメント長さであり、いずれも一般的な鋼材に対して参考文献2により類推できる。
r=f1’([vTrs(表層近傍)]、σy0、t)となり、
ある降伏応力σy0および板厚tの条件に対して、r=f1’([vTrs(表層近傍)])と表すことができる。
σF=σY2・Σyy{(1−ν2)(Kd/σY2)2/rc}-s …(19)
σF=2.25×10-2vTrs2−15vTrs+6418 …(20)
Kd=5.68×10-20(2.25×10-2vTrs2−15vTrs+6418)6.25
…(21)
Kd=5.68×10-20(2.25×10-2[vTrs(板厚中央部近傍)]2−15[vTrs(板厚中央部近傍)]+6418)6.25
=5.68×10-20(2.25×10-2[vTrs(t/2)]2−15[vTrs(t/2)]+6418)6.25 …(22)
Kd=f2’(σF、σY2、rc、ν、−s、Σyy)
=f2’([vTrs(板厚中央部近傍)]、σY2、rc、ν、−s、Σyy)…(23)
vTrs(板厚中央部近傍):板厚中央部近傍の破面遷移温度(℃)→鋼材から採取
σY2:温度T0における板厚中央部近傍の高速引張変形時の降伏応力→一般的な鋼材に対して参考文献2等に示されている。
rc:局部領域を示す定数→一般的な鋼材に対して参考文献2等に示されている。
ν:ポアソン比→一般的な鋼材に対し0.3とされている。
−s:応力特異性の強さを表す指数→一般的な鋼材に対して参考文献2等に示されている。
Σyy:応力の強さを表す係数→一般的な鋼材に対して参考文献2等に示されている。
K0=Kd(1−r)=5.68×10-20{2.25×10-2[vTrs(板厚中央部近傍)]2−15[vTrs(板厚中央部近傍)+6418}6.25/{1−3.288×10-9(−92[vTrs(表層近傍)]+32700)2} …(24)
=5.68×10-20{2.25×10-2[vTrs(t/2)]2−15[vTrs(t/2)]+6418}6.25/{1−3.288×10-9(−92[vTrs(t/4)]+32700)2} …(25)
下記表1に化学成分組成を示す各種溶鋼を、転炉によって溶製し、この溶鋼を冷却してスラブとした後、下記表2に示した条件で熱間圧延および冷却を行い、各種鋼板(厚み:60mm)を得た。
各鋼板のt/4、t/2(t:板厚)の各位置から試験片を採取し、圧延方向断面を鏡面研磨し、これをナイタール腐食液(2%硝酸−エタノール溶液)でエッチング後、5視野において光学顕微鏡を用いて400倍の観察を行ない、画像解析によって鋼組織中のベイナイト分率(面積%)を測定した。
1.鋼板の圧延方向に平行な方向に切断した、板厚の表裏面を含むサンプルを準備する。
2.♯150〜♯1000までの湿式エメリー研磨紙あるいはそれと同等の機能を有する研磨方法(研磨紙、ダイヤモンドスラリー等の研磨剤)を用いて鏡面仕上げを施す。
3.鋼板のt/4〜t/2部において、FE−SEM−EBSP(電子放出型走査電子顕微鏡を用いた電子後方散乱回折像法)によって結晶粒径を測定した。具体的には、Tex SEM Laboratries社のEBSP装置(商品名:「OIM」)をFE−SEMと組み合わせて用い、傾角(結晶方位差)が15°以上の境界を結晶粒界として、結晶粒径を測定した。このときの測定条件は測定領域:200μm×200μm、測定ステップ:0.5μm間隔とし、測定方位の信頼性を示すコンフィデンス・インデックス(Confidence Index)が0.1よりも小さい測定点は解析対象から除外した。このようにして求められる結晶粒径の平均値を算出して、本発明における平均結晶粒径dとした。
4.テキストデータの解析法として、結晶粒径が2.5μm以下のものについては、測定ノイズと判断し、平均値計算の対象から除外した。
各鋼板のt/4(t:板厚)の位置からNK U14A試験片を採取し、JIS Z2241に従って引張試験を行うことによって、降伏点YPおよび引張強度TSを測定した。
脆性亀裂伝播停止特性(アレスト特性)は、社団法人日本溶接協会(WES)発行の鋼種認定試験方法(2003年3月31日制定)で規定される「脆性破壊伝播停止試験」に準じて行った。試験は、脆性破壊伝播停止試験方法の図7.2に示されている形状の試験片を用い、該試験片に−190℃〜+60℃の範囲から選ばれる任意の温度範囲で温度勾配をつけて4試験体分行った。Kca値は下記(26)式で算出した。下記(26)式中、cは伝播部入口から脆性亀裂先端までの長さ、σは伝播部入り口から脆性亀裂先端までの長さ、Wは伝播部幅を、夫々示している。
Claims (3)
- C:0.05〜0.12%(「質量%」の意味、化学成分組成について以下同じ)、Si:0.05〜0.30%、Mn:1.0〜1.8%、Nb:0.005〜0.05%、Ti:0.005〜0.03%、Cu:0.60〜2.0%、P:0.025%以下(0%を含まない)、S:0.010%以下(0%を含まない)、Al:0.01〜0.06%を夫々含有し、残部:鉄および不可避的不純物からなり、且つ下記(1)式で規定されるX値が(X値>1)の関係を満足すると共に、ミクロ組織がベイナイトを主体とするものであることを特徴とする脆性亀裂伝播停止特性に優れた構造用厚鋼板。
X値={0.08[Mn]+0.04([Cu]+[Ni])+2[Nb]}/5[C]
…(1)
但し、[Mn]、[Cu]、[Ni]、[Nb]および[C]は、夫々Mn、Cu、Ni、NbおよびCの含有量を示す。 - 更に、Ni:2%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1に記載の構造用厚鋼板。
- 表面から深さt/4(t:板厚、以下同じ)およびt/2の位置の平均結晶粒径を、夫々d(t/4)およびd(t/2)としたとき、下記(2)式で規定されるK0値が、(K0>10500)の関係を満足する請求項1または2に記載の構造用厚鋼板。
K0値=5.68×10-20{2.25×10-2[−400・d(t/2)-1/2+313]2−15[−400・d(t/2)-1/2+313]+6418}6.25/{1−3.288×10-9(−92[−400・d(t/4)-1/2+313]+32700)2} …(2)
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