JP5304520B2 - 厚鋼板の脆性破壊伝播停止性能の評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、船舶、海洋構造物、低温貯蔵タンクおよび建築・土木構造物等の大型構造物に用いられる厚鋼板、特に厚みが50mm以上の厚鋼板の脆性破壊伝播停止性能の評価方法に関する。

前記の大型構造物においては、脆性破壊に伴う事故が経済や環境に及ぼす影響が大きく、安全性の向上が常に求められるところから、使用される鋼材に対しては、使用温度における靭性や脆性破壊伝播停止性能を有することが要求されている。

脆性破壊伝播停止性能の評価は、ESSO試験や二重引張試験に代表されるような、大型試験にて行われるのが通例である。しかし、これらの試験は大型であるため、試験を行うために多くの日数やコストを要することになり、簡便に行うことが難しい点が問題となる試験である。

この問題を解決するための方法として、大型試験に代りシャルピー衝撃試験や落重試験（ＤＷＴＴ）など、比較的小型で簡易な評価方法が開発されている。この落重試験については、より安定して脆性破面から試験が進行するように、試験片の板厚方向に圧縮変形を与えた後に、プレスノッチにより試験片を作製する方法が、特許文献１にて提案されている。

また、シャルピー衝撃試験片に代り、より効率よく脆性破面から試験を進行させる方法として、シャルピー衝撃試験片のノッチに相当する部分に溶接ビードを盛った後に深さ２mm以下のソーノッチを入れる試験片を用いることが、特許文献２に提案されている。

さらに、非特許文献１には、板厚位置により靭性に分布があることに起因して、脆性破壊伝播停止性能を表す、ESSO試験により求まるＫca値は低靭性領域の影響を強く受ける、として、各板厚位置における靭性値をその鋼板の面積平均を取った値に、さらに、板厚中央部の値を重み付けして脆性破壊伝播停止性能を評価している。その他、板厚効果を考慮した、脆性破壊伝播停止性能の簡易評価法について、板厚中心部と表層部から採取した試験片を用い、３点曲げ試験を行った結果よりＫca値を予測する方法が、特許文献３に提案されている。また、特許文献４には、特殊形状を有する変形シャルピー衝撃試験片を用いて脆性破壊伝播停止性能を評価する技術が提案されている。

特開昭63−67544号公報 特開昭62−274258号公報 特開2008−46106号公報 特開2009−47462号公報

溶接学会全国大会講演概要 第49集 Ｐ．108（1991）

しかしながら、特許文献１〜３の試験片の採取方法は、試験片の大きさの面や、溶接を行った後に再度加工を行うことなどから、試験片の作製が煩雑であり必ずしも簡便な方法とは言い難い。特許文献４の技術は、試験片形状が特殊であるため、汎用性に乏しい。また、非特許文献１の板厚位置の靭性値を考慮して求めたＫca値と実際の実験結果との相関もある程度の一致は見られるものの全体としてばらつきが大きく、この方法により大型試験の代りと出来るほどには一致していないのが現状である。

そこで、本発明は、大型試験を行わずとも厚鋼板の脆性破壊伝播停止性能を正確に評価できる簡易な手法を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、上記課題の達成に向けて、厚肉材の脆性破壊伝播停止性能と、様々な小型試験との関連について鋭意検討し、以下の知見を得た。
(i)脆性亀裂伝播停止性能は、脆性亀裂の進展する方向にプレスによるノッチを入れた試験片を用いたシャルピー衝撃試験と良い相関がある。
(ii)また、板厚が50mm以上となるような極厚鋼板において、脆性破壊伝播停止性能は、ある特定の一カ所の板厚位置における材料特性によらずに、板厚方向の分散位置での材料特性を総合した特性に影響を受ける。
(iii)色々な板厚位置におけるプレスノッチシャルピー衝撃試験を行い、脆性破壊伝播停止性能との関係を調査した結果、板厚中心部および1／4部でのプレスノッチシャルピー衝撃試験の破面遷移温度を総合した結果が、脆性破壊伝播停止性能の値と最も良い相関が得られる。

本発明は、上記した知見を基に更に検討を加えてなされたものであり、その要旨は次のとおりである。
（１）厚鋼板につき、その板厚の中心部および表面から板厚の１／４の位置から採取しプレスノッチを導入したシャルピー衝撃試験片を用いて、シャルピー衝撃試験を行い、試験片毎のシャルピー衝撃試験にて得られた破面遷移温度vTrs^＊に基いて、脆性破壊伝播停止性能（Ｋca値）が所定の値となる温度を推定することにより、脆性破壊伝播停止性能を評価することを特徴とする厚鋼板の脆性破壊伝播停止性能の評価方法。
（２）前記破面遷移温度vTrs ^＊ は、脆性亀裂が鋼板の特性により停止したと認識できる所定の脆性破面率となる温度として定義される上記（１）項に記載の厚鋼板の脆性破壊伝播停止性能の評価方法。
（３）前記試験片毎のシャルピー衝撃試験にて破面遷移温度vTrs ^＊ を求めるにあたり、前記シャルピー衝撃試験後に脆性亀裂から破壊が発生していない試験片は除外し、脆性亀裂から破壊が発生している試験片のみを用いる上記（１）項または（２）項に記載の厚鋼板の脆性破壊伝播停止性能の評価方法。

（４）下記式（１）に従って算出されるＴｋ^＊をもって、脆性破壊伝播停止性能（Ｋca値）が6000Ｎ／mm^1.5となる温度を推定することを特徴とする上記（１）項〜（３）項のいずれか１項に記載の厚鋼板の脆性破壊伝播停止性能の評価方法。
記
Ｔｋ^＊＝35＋0.5×vTrs^＊（C）＋0．3×vTrs^＊（Q）・・・（1）
但し、
vTrs^＊（C）：板厚中心部から採取したプレスノッチシャルピー衝撃試験片を用いて実施したシャルピー衝撃試験における脆性破面率が75％となる温度。
vTrs^＊（Q）：表面から板厚の１／４の位置から採取したプレスノッチシャルピー衝撃試験片を用いて実施したシャルピー衝撃試験における脆性破面率が75％となる温度。

本発明によれば、特に板厚50mm以上の厚鋼板について脆性破壊伝播停止性能を評価する際に、大型の脆性亀裂伝播試験を行わずとも、通常行っているシャルピー衝撃試験と同様のサイズの試験片を用いて、簡便かつ精度良く脆性破壊伝播停止性能を評価できるため、産業上極めて有用である。

プレスノッチの導入手法を示す図である。 標準ESSO試験の試験方法を示す図である。 大型の脆性亀裂伝播試験で得られたTk6000の値と（1）式で得られたＴｋ^＊との関係を示すグラフである。

さて、前記した大型構造物に用いられる厚鋼板の脆性亀裂伝播性能は、日本溶接協会規格 WES3003 「低温用圧延鋼板判定基準」（1995）に準拠した、大型試験片を用いたESSO試験により求まるＫca値をもって評価するのが一般的である。かように、この試験方法では、大型試験体の使用を余儀なくされる点、小型の試験片を用いての試験での代替を鋭意検討した。

まず、シャルピー衝撃試験による代替を検討したところ、大型試験の代りになるほどの一致を得るに至らなかった。次に、試験片の条件について更なる実験を繰り返したところ、切り欠きによるノッチではなくプレスによるノッチを導入したシャルピー衝撃試験片を用いた場合に、シャルピー衝撃試験結果が、脆性亀裂伝播性能試験の結果と良い相関を示すことが判明した。そこで、プレスノッチを導入したシャルピー衝撃試験片（本発明では、単に「プレスノッチシャルピー衝撃試験片」とも称する）によるシャルピー衝撃試験を様々な条件で行ったところ、厚鋼板の板厚中心部および1／4厚み部分からそれぞれ採取したプレスノッチシャルピー衝撃試験片による破面遷移温度を総合した結果が、脆性破壊伝播停止性能の値と最も良い相関が得られることを見出すに至った。

従って、本発明では、厚鋼板の板厚の中心および表面から板厚の１／４の位置から採取し、これにプレスノッチを導入したシャルピー衝撃試験片を用いてシャルピー衝撃試験を行い、得られた破面遷移温度vTrs^＊に基いて、脆性破壊伝播停止性能を評価することとした。

なお、プレスノッチは、以下のように導入することが好ましい。すなわち、試験片方向を考慮したうえで、試験片を採取すべき素材を分割・切断し、さらに、外形仕上げ加工を施して得られた直方体状の小鋼片に対して、切り欠き部を刃型で圧入し、例えば、図１に示す、深さ２mm、角度45度の２mmＶ切欠き試験片を作製すればよい。ここで、得られる衝撃試験結果から、脆性破壊発生特性の影響を排除する目的で、試験後のプレスノッチシャルピー衝撃試験片を観察し、脆性亀裂から破壊が発生していない試験片は脆性亀裂伝播停止性能の評価をしていないとみなし、試験結果には反映しないものとする。なぜなら、脆性亀裂から破壊が発生している試験片のみを用いた衝撃試験の結果は、脆性破壊発生特性の影響を排除し、本発明が対象とする脆性破壊伝播停止性能のみの優劣を反映したものになるからである。

次に、前記シャルピー衝撃試験にて得られた破面遷移温度vTrs^＊に基づいて脆性破壊伝播停止性能を評価する際の具体例を、詳しく説明する。
まず、一例として、脆性破壊伝播停止性能Ｋca値が6000Ｎ／mm^1.5となる温度の推定をもって脆性破壊伝播停止性能を評価する場合について、以下に説明する。
ここで、Ｋca値が6000Ｎ／mm^1.5となる特性温度に着目したのは、次のような理由による。すなわち、最近の研究成果として、板厚75mm以下の鋼板の場合、−10℃におけるＫca値が6000Ｎ／mm^1.5以上であれば、−10℃において脆性亀裂が停止することが確認された。そこで、本発明においては、プレスノッチを形成したシャルピー衝撃試験片を用いてシャルピー衝撃試験を行って得られた破面遷移温度vTrs^＊から、Ｋca値が6000Ｎ／mm^1.5となる温度を求め、それが、基準である−10℃より高いか低いかによって、脆性破壊伝播停止性能を評価することとしたものである。

すなわち、厚鋼板、中でも板厚が50mm以上の厚鋼板に対して、その板厚の中心部および表面から板厚の１／４の位置からシャルピー衝撃試験片を採取し、この試験片にプレスノッチを導入してから、種々の試験温度にてシャルピー衝撃試験を行う。
なお、プレスノッチの導入方向としては、亀裂の伝播する方向に採取すべきであるため、ESSO試験におけるノッチ方向に、具体的には圧延方向もしくは圧延幅方向に入れるものとする。このプレスノッチシャルピー衝撃試験の結果より、各試験片によるシャルピー衝撃試験において、脆性破面率が75％となった時の温度を破面遷移温度（vTrs^＊）とし、各試験片によるvTrs^＊を、板厚中心部および板厚1／4においてそれぞれ求めて、その値を下記（１）式に代入することによってＴｋ^＊を求める。ここで求まるＴｋ^＊は、ESSO試験により測定される、脆性破壊伝播停止性能Ｋca値が6000Ｎ／mm^1.5となる特性温度Ｔｋ（6000）と極めて良好な相関を示し、従って、前記の如く算出したＴｋ^＊をもって、脆性破壊伝播停止性能の評価が可能になる。
記
Ｔｋ^＊＝35＋0.5×vTrs^＊（C）＋0.3×vTrs^＊（Q）・・・（1）
但し、
vTrs^＊（C）：板厚中心部から採取したプレスノッチシャルピー衝撃試験片を用い
て実施したシャルピー衝撃試験における脆性破面率が75％となる温度。
vTrs^＊（Q）：表面から板厚の１／４の位置から採取したプレスノッチシャルピー
衝撃試験片を用いて実施したシャルピー衝撃試験における脆性破面率が75％とな
る温度。

ここで、上記した式（１）は、種々の試験片について板厚中心部のvTrs^＊および板厚1／4部のvTrs^＊を測定するとともに、これら試験片と共通の試験体について特性温度Ｔｋ（6000）を測定し、これらの測定結果を整理し、板厚中心部のvTrs^＊および板厚1／4のvTrs^＊と特性温度Ｔｋ（6000）との相関を実験的に求めたものである。

また、遷移温度vTrs^＊を脆性破面率が75％となる温度としたのは、本発明では、プレスノッチ加工を行う事により発生した脆性亀裂が、停止し始める試験温度を求めることが目的であるので、脆性亀裂が鋼板の特性により停止したと認識できる破面率として75%を採用した。

上記した評価手法以外にも、たとえば、脆性破壊伝播停止性能（Ｋca値）が4000Ｎ／mm^1.5や8000Ｎ／mm^1.5など、6000Ｎ／mm^1.5以外の値をとる場合についても、適用可能であり、それぞれ実験結果から相関式を導くことによって、上記と同様の評価が可能となる。

板厚50mm以上の数種類の厚鋼板について、板厚の1／4部および板厚中心部よりノッチ加工を行っていないシャルピー衝撃試験片素材を採取し、硬鋼で作製された刃型を用いて該試験片素材にプレスノッチを導入し、以降の衝撃試験に供した。種々の温度にてシャルピー衝撃試験を行い、脆性破面率が75％となる温度vTrs^＊を求めた。なお、プレスノッチシャルピー衝撃試験は、試験後のプレスノッチシャルピー衝撃試験片を観察し、脆性亀裂から破壊が発生していない試験片は脆性亀裂伝播停止性能の評価をしていないものとみなして除外し、各試験温度において脆性亀裂から破壊が発生した試験５回の平均値をとった。その後、上記した（１）式に破面遷移温度の値を代入し、温度Ｔｋ^＊を求めた。
一方、同じ数種類の厚鋼板に対して、プレスノッチシャルピー衝撃試験と併せて、大型の脆性亀裂伝播試験として、図２に示す大型試験片を用いて、ESSO試験を行い、Ｋca値が6000Ｎ／mm^1.5となる温度Ｔｋ6000を求めた。
かくして得られたＴｋ^＊及びＴｋ6000について表１に示す。

次に、表１に示した結果について、横軸に上記（１）式から得られたＴｋ^＊を、縦軸にESSO試験により得られたＴｋ6000を、それぞれプロットしたグラフを、図３に示す。同図から、Ｔｋ^＊とＴｋ6000との間には良い相関関係が得られ、本発明による脆性亀裂伝播停止性能の評価方法の有用性が確認された。

Claims (4)

1. 厚鋼板につき、その板厚の中心部および表面から板厚の１／４の位置から採取しプレスノッチを導入したシャルピー衝撃試験片を用いて、シャルピー衝撃試験を行い、試験片毎のシャルピー衝撃試験にて得られた破面遷移温度vTrs^＊に基いて、脆性破壊伝播停止性能（Ｋca値）が所定の値となる温度を推定することにより、脆性破壊伝播停止性能を評価することを特徴とする厚鋼板の脆性破壊伝播停止性能の評価方法。
2. 前記破面遷移温度vTrs ^＊ は、脆性亀裂が鋼板の特性により停止したと認識できる所定の脆性破面率となる温度として定義される請求項１に記載の厚鋼板の脆性破壊伝播停止性能の評価方法。
3. 前記試験片毎のシャルピー衝撃試験にて破面遷移温度vTrs ^＊ を求めるにあたり、前記シャルピー衝撃試験後に脆性亀裂から破壊が発生していない試験片は除外し、脆性亀裂から破壊が発生している試験片のみを用いる請求項１または２に記載の厚鋼板の脆性破壊伝播停止性能の評価方法。
4. 下記式（１）に従って算出されるＴｋ^＊をもって、脆性破壊伝播停止性能（Ｋca値）が6000Ｎ／mm^1.5となる温度を推定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の厚鋼板の脆性破壊伝播停止性能の評価方法。
   記
   Ｔｋ^＊＝35＋0.5×vTrs^＊（C）＋0．3×vTrs^＊（Q）・・・（1）
   但し、
   vTrs^＊（C）：板厚中心部から採取したプレスノッチシャルピー衝撃試験片を用いて実施したシャルピー衝撃試験における脆性破面率が75％となる温度。
   vTrs^＊（Q）：表面から板厚の１／４の位置から採取したプレスノッチシャルピー衝撃試験片を用いて実施したシャルピー衝撃試験における脆性破面率が75％となる温度。

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