JP5759109B2 - Steel material excellent in brittle crack propagation stop property and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、橋梁、建築物、船舶などの構造物に使用される鋼材に関するものであり、特に、鋼材に発生した脆性亀裂が速やかに停止する鋼材、およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a steel material used for structures such as bridges, buildings, and ships, and more particularly to a steel material in which a brittle crack generated in the steel material is quickly stopped, and a method for manufacturing the same.

橋梁、建築物、船舶、タンク、海洋構造物、ラインパイプなどの構造物に用いられる鋼材には、脆性破壊し難いことが求められている。脆性破壊を抑制するには、鋼材に脆性亀裂を発生させないことが有効であり、鋼材に脆性亀裂が発生した場合には、発生した脆性亀裂を進展させずに速やかに停止させること(以下、脆性亀裂伝播停止特性と呼ぶことがある。)が有効である。   Steel materials used in structures such as bridges, buildings, ships, tanks, offshore structures, and line pipes are required to be difficult to brittle fracture. In order to suppress brittle fracture, it is effective not to cause brittle cracks in the steel material. When brittle cracks occur in the steel material, it is necessary to stop the brittle cracks that have occurred rapidly without progressing (hereinafter referred to as brittleness). It is sometimes called crack propagation stop property).

脆性亀裂は、鋼材の応力拡大係数Kが、脆性破壊伝播停止特性試験によって測定されるKca値以上(K≧Kca)になる場合に発生することが知られている。応力拡大係数Kは、応力をσ、亀裂の長さをaとしたとき、K=σ√(π×a)で表わされる。従って鋼材の強度が高く、応力σが大きくなるほど脆性亀裂が発生し易くなる。脆性亀裂の発生を防止するには、鋼材の強度を低くすることが有効である。しかし構造物の大型化に伴い、鋼材に要求される強度は益々高くなってきている。   It is known that a brittle crack occurs when the stress intensity factor K of a steel material is equal to or higher than a Kca value (K ≧ Kca) measured by a brittle fracture propagation stop characteristic test. The stress intensity factor K is expressed by K = σ√ (π × a) where σ is the stress and a is the crack length. Therefore, brittle cracks are more likely to occur as the strength of the steel material increases and the stress σ increases. In order to prevent the occurrence of brittle cracks, it is effective to reduce the strength of the steel material. However, with the increase in size of structures, the strength required for steel materials is increasing.

本発明者は、応力σを小さくすることによって応力拡大係数Kを小さくして脆性亀裂の発生を防止するのではなく、鋼材のKca値を大きくすることによって応力拡大係数Kの許容範囲を広げ、大きい応力σが負荷された場合でも脆性亀裂の発生を防止する技術を特許文献1に提案した。特許文献1に提案した厚鋼板は、表面から深さt/8〜t/4(tは板厚)の位置における組織をベイナイト主体とし、且つ、隣り合う2つの結晶の方位差が15°以上の大角粒界で囲まれた領域を結晶粒としたとき、この結晶粒の平均円相当径を8μm以下に制御したものである。結晶粒を微細化することによって、Kca値を高めている。即ち、結晶粒の微細化によって、亀裂が粒界に衝突する頻度を高め、亀裂が進展するのを停止させている。   The inventor does not prevent the occurrence of brittle cracks by reducing the stress σ by reducing the stress σ, but increases the allowable range of the stress intensity factor K by increasing the Kca value of the steel material, Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228867 proposed a technique for preventing the occurrence of brittle cracks even when a large stress σ is applied. The thick steel plate proposed in Patent Document 1 is mainly composed of a bainite structure at a depth t / 8 to t / 4 (t is the plate thickness) from the surface, and the orientation difference between two adjacent crystals is 15 ° or more. When the region surrounded by the large-angle grain boundaries is a crystal grain, the average equivalent circle diameter of the crystal grain is controlled to 8 μm or less. The Kca value is increased by refining crystal grains. That is, the refinement of the crystal grains increases the frequency with which the cracks collide with the grain boundaries and stops the cracks from progressing.

特開2010−1520号公報JP 2010-1520 A

鋼材の更なる高強度化が望まれており、本発明者は、上記特許文献1の技術を提案した後も脆性亀裂伝播停止特性を更に改善するために検討した。   Further enhancement of the strength of the steel material is desired, and the present inventor has studied to further improve the brittle crack propagation stop characteristic even after proposing the technique of Patent Document 1.

本発明はこのような状況に鑑みて成されたものであり、その目的は、脆性亀裂伝播停止特性を一段と改善した鋼材、およびその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to provide a steel material further improved in brittle crack propagation stop characteristics and a manufacturing method thereof.

上記課題を解決することのできた本発明に係る脆性亀裂伝播停止特性に優れた鋼材は、C:0.02〜0.12%(「質量%」の意味。以下、化学成分について同じ。)、Si:0.5%以下(0%を含む)、Mn:1〜2%、Nb:0.005〜0.04%、B:0.0005〜0.003%、Ti:0.005〜0.02%、N:0.0040〜0.01%、P:0.02%以下(0%を含まない)、S:0.015%以下(0%を含まない)、Al:0.01〜0.06%を満足し、残部が鉄および不可避不純物からなる。そして前記鋼材の深さt/8位置からt/4位置(tは鋼材の厚み。以下、同じ。)までの領域で金属組織を後方散乱電子回折像法(EBSP法)で観察したとき、下記式(1)および式(2)を満足している。但し、式(1)中、Dは、EBSP法で隣接する2つの結晶の方位差を測定し、結晶方位差が15°以上の大角粒界で囲まれた結晶粒の平均円相当直径(μm)を意味する。また、式(2)中、Rは、上記大角粒界に占めるランダム粒界の割合(面積%)を意味する。
D≦8μm ・・・(1)
R≧50面積% ・・・(2)
The steel material excellent in the brittle crack propagation stop property according to the present invention that has solved the above-mentioned problems is C: 0.02 to 0.12% (meaning “mass%”, hereinafter the same for chemical components), Si: 0.5% or less (including 0%), Mn: 1-2%, Nb: 0.005-0.04%, B: 0.0005-0.003%, Ti: 0.005-0 0.02%, N: 0.0040 to 0.01%, P: 0.02% or less (not including 0%), S: 0.015% or less (not including 0%), Al: 0.01 -0.06% is satisfied, and the balance consists of iron and inevitable impurities. When the metal structure was observed by the backscattered electron diffraction image method (EBSP method) in the region from the depth t / 8 position of the steel material to the t / 4 position (t is the thickness of the steel material, hereinafter the same), Expressions (1) and (2) are satisfied. However, in Formula (1), D measures the orientation difference of two adjacent crystals by the EBSP method, and the average equivalent circle diameter (μm) of the crystal grains surrounded by the large-angle grain boundary having a crystal orientation difference of 15 ° or more. ). Moreover, in Formula (2), R means the ratio (area%) of the random grain boundary which occupies for the said large angle grain boundary.
D ≦ 8 μm (1)
R ≧ 50 area% (2)

前記鋼材は、最表面から深さt/4位置までの領域で硬さを測定したとき、最小値が190Hv以上になっていることが好ましい。   The steel material preferably has a minimum value of 190 Hv or more when the hardness is measured in a region from the outermost surface to a depth t / 4 position.

前記鋼材は、更に他の元素として、
(a)Ni:0.7%以下(0%を含まない)、Cu:0.3%以下(0%を含まない)、Cr:1.5%以下(0%を含まない)、およびMo:1%以下(0%を含まない)よりなる群から選ばれる少なくとも1種;および/または
(b)V :0.1%以下(0%を含まない)、
を含有してもよい。
The steel material, as another element,
(A) Ni: 0.7% or less (not including 0%), Cu: 0.3% or less (not including 0%), Cr: 1.5% or less (not including 0%), and Mo At least one selected from the group consisting of: 1% or less (not including 0%); and / or (b) V: 0.1% or less (not including 0%),
It may contain.

本発明に係る脆性亀裂伝播停止特性に優れた鋼材は、上記成分組成の鋼材を適当な温度(好ましくは1050℃以上)に加熱し、Ar3点+30℃以下、Ar3点以上の温度範囲で累積圧下率50%以上の圧延を行い、次いで適当な手段(加熱、復熱など。好ましくは復熱)によりAr3点+30℃超(好ましくは再結晶温度−30℃以上)、再結晶温度+20℃以下(好ましくは再結晶温度未満)の温度範囲に昇温した後、冷却(好ましくは、Ar3点以上の温度から500℃以下までを平均速度5℃/秒以上で冷却)することによって製造できる。前記鋼材は、加熱後、加速冷却によって前記Ar3点+30℃以下に冷却してもよい。前記昇温の後は、圧延してから前記冷却を行ってもよい。 The steel material excellent in the brittle crack propagation stop property according to the present invention is obtained by heating a steel material having the above component composition to an appropriate temperature (preferably 1050 ° C. or higher) and in a temperature range of Ar 3 point + 30 ° C. or lower and Ar 3 point or higher. Rolling is performed at a cumulative rolling reduction of 50% or more, then Ar 3 point + 30 ° C. (preferably recrystallization temperature −30 ° C. or more) by appropriate means (heating, recuperation, etc., preferably recrystallization temperature + 20 ° C.) Produced by raising the temperature to a temperature range of ℃ or less (preferably less than the recrystallization temperature) and then cooling (preferably cooling from a temperature of Ar 3 point or higher to 500 ℃ or less at an average rate of 5 ° C / second or more) it can. The steel material may be cooled to the Ar 3 point + 30 ° C. or less by accelerated cooling after heating. After the temperature increase, the cooling may be performed after rolling.

本発明では、鋼材の表層部における金属組織に着目し、大角粒界で囲まれた結晶粒の平均円相当直径を8μm以下に抑えることに加えて、大角粒界に占めるランダム粒界の割合を所定値以上に増加させているため、脆性亀裂伝播停止特性を一段と改善した鋼材を提供できる。   In the present invention, paying attention to the metal structure in the surface layer portion of the steel material, in addition to suppressing the average equivalent circle diameter of the crystal grains surrounded by the large angle grain boundaries to 8 μm or less, the ratio of the random grain boundaries in the large angle grain boundaries is Since it is increased to a predetermined value or more, it is possible to provide a steel material with further improved brittle crack propagation stop characteristics.

図1は、加工フォーマスター試験機で再結晶温度を測定するときのヒートパターンを示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a heat pattern when the recrystallization temperature is measured by a processing for master testing machine. 図2は、疲労特性を評価するために用いた試験片の形状を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory view showing the shape of a test piece used for evaluating fatigue characteristics. 図3は、熱間圧延時の累積圧下率と、大角粒界で囲まれた結晶粒の平均円相当直径Dとの関係を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the cumulative rolling reduction during hot rolling and the average equivalent circle diameter D of crystal grains surrounded by large-angle grain boundaries. 図4は、復熱による昇温の有無と、大角粒界に占めるランダム粒界の割合Rとの関係を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the presence or absence of temperature rise due to recuperation and the ratio R of random grain boundaries in the large-angle grain boundaries. 図5は、復熱によって昇温した後の平均冷却速度と、鋼板の最表面から深さt/4位置までの領域における硬さの最小値との関係を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the relationship between the average cooling rate after the temperature is raised by recuperation and the minimum value of the hardness in the region from the outermost surface of the steel plate to the depth t / 4 position. 図6は、大角粒界で囲まれた結晶粒の平均円相当直径Dと、−10℃でのKca値(脆性亀裂伝播停止特性)との関係を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the average equivalent circle diameter D of the crystal grains surrounded by the large-angle grain boundaries and the Kca value (brittle crack propagation stop characteristic) at −10 ° C. 図7は、大角粒界に占めるランダム粒界の割合Rと、−10℃でのKca値(脆性亀裂伝播停止特性)との関係を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the relationship between the ratio R of random grain boundaries in the large-angle grain boundaries and the Kca value (brittle crack propagation stopping characteristics) at −10 ° C. 図8は、鋼板の最表面から深さt/4位置までの領域における硬さの最小値と、疲労限(疲労特性)との関係を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the relationship between the minimum hardness value in the region from the outermost surface of the steel sheet to the depth t / 4 position and the fatigue limit (fatigue characteristics).

鋼材の引張強度を高めると、応力σが大きくなるため、応力拡大係数Kが大きくなり、脆性亀裂が発生し易くなる。そのため、上記特許文献1に開示したように、大角粒界で囲まれた結晶粒の平均円相当直径Dを8μm以下に抑えただけでは、脆性破壊の発生を防止できないことが判明した。   When the tensile strength of the steel material is increased, the stress σ increases, the stress intensity factor K increases, and brittle cracks are likely to occur. For this reason, as disclosed in Patent Document 1, it has been found that the occurrence of brittle fracture cannot be prevented only by suppressing the average equivalent circle diameter D of the crystal grains surrounded by the large-angle grain boundaries to 8 μm or less.

そこで本発明者は、脆性亀裂伝播停止特性を一段と改善した鋼材を提供することを目指して鋭意検討を重ねてきた。その結果、大角粒界に占めるランダム粒界の割合Rを50面積%以上にすれば、脆性亀裂が発生しても進展を速やかに停止でき、脆性亀裂伝播停止特性を確保できることを見出した。   Therefore, the present inventor has intensively studied for the purpose of providing a steel material with further improved brittle crack propagation stop characteristics. As a result, it has been found that if the ratio R of the random grain boundaries in the large-angle grain boundaries is 50 area% or more, the progress can be stopped quickly even if brittle cracks occur, and the brittle crack propagation stopping characteristics can be secured.

即ち、大角粒界は、粒界エネルギーが低い「対応粒界」と粒界エネルギーが高い「ランダム粒界」に大別されることが知られている(例えば、「材料組織学」、高木節雄、津崎兼彰、朝倉書店発行、第45頁)。これらのうち粒界エネルギーが高いランダム粒界は、脆性亀裂の進展に対して抵抗となり、脆性亀裂が進展するのを速やかに停止できるのではないかと考え検討を繰り返した。その結果、後述する実施例で明らかにするように、所定の方法によってランダム粒界の量をコントロールできること、そして大角粒界に占めるランダム粒界の割合Rを50面積%以上にすれば、脆性亀裂伝播停止特性を改善できることが判明した。   That is, it is known that large-angle grain boundaries are roughly divided into “corresponding grain boundaries” with low grain boundary energy and “random grain boundaries” with high grain boundary energy (for example, “material histology”, Nobuo Takagi). Tsuneaki Tsuzaki, Asakura Shoten, page 45). Of these, random grain boundaries with high grain boundary energy became resistant to the development of brittle cracks, and the study was repeated, thinking that the development of brittle cracks could be stopped quickly. As a result, as will be clarified in Examples described later, if the amount of random grain boundaries can be controlled by a predetermined method, and if the ratio R of the random grain boundaries in the large angle grain boundaries is 50 area% or more, brittle cracks It was found that the propagation stop characteristics can be improved.

以下、本発明について詳しく説明する。   The present invention will be described in detail below.

[結晶方位差が15°以上の大角粒界で囲まれた結晶粒の平均円相当直径D、および大角粒界に占めるランダム粒界の割合Rについて]
本発明の鋼材は、金属組織を後方散乱電子回折像法(EBSP法)で観察したときに、下記式(1)と式(2)を満足している必要がある。両方の式を満足することで、脆性亀裂伝播停止特性を改善できる。
D≦8μm ・・・(1)
R≧50面積% ・・・(2)
[About the average equivalent circle diameter D of crystal grains surrounded by large-angle grain boundaries with a crystal orientation difference of 15 ° or more, and the ratio R of random grain boundaries in the large-angle grain boundaries]
The steel material of the present invention needs to satisfy the following formulas (1) and (2) when the metal structure is observed by a backscattered electron diffraction image method (EBSP method). Satisfying both equations can improve brittle crack propagation stopping characteristics.
D ≦ 8 μm (1)
R ≧ 50 area% (2)

上記式(1)中、Dは、EBSP法で隣接する2つの結晶の方位差を測定し、結晶方位差が15°以上の大角粒界で囲まれた領域を結晶粒としたとき、この結晶粒の平均円相当直径(μm)を意味している。「円相当直径」とは、結晶粒の面積を測定し、面積が等しくなる様に想定した円の直径である。   In the above formula (1), D measures the orientation difference between two adjacent crystals by the EBSP method, and when the region surrounded by a large-angle grain boundary having a crystal orientation difference of 15 ° or more is used as a crystal grain, It means the average equivalent circle diameter (μm) of grains. The “equivalent circle diameter” is the diameter of a circle that is obtained by measuring the area of crystal grains and assuming that the areas are equal.

本発明では、上記特許文献1と同様に、脆性亀裂伝播停止特性を改善するために、上記D値を8μm以下とする。即ち、脆性亀裂は、結晶方位差が15°以上の大角粒界で屈曲したり、迂回したり、或いは停止することが一般的に知られている。そのため、結晶方位差が15°以上の大角粒界で囲まれた結晶粒を微細化することで、脆性亀裂が屈曲・迂回・停留する位置が増加し、その結果、脆性亀裂が進展するのを停止させることができる。   In the present invention, similarly to Patent Document 1, the D value is set to 8 μm or less in order to improve brittle crack propagation stop characteristics. That is, it is generally known that a brittle crack bends, bypasses, or stops at a large-angle grain boundary having a crystal orientation difference of 15 ° or more. Therefore, by refining the crystal grains surrounded by large-angle grain boundaries with a crystal orientation difference of 15 ° or more, the position where the brittle crack bends, detours, and stops increases, and as a result, the brittle crack progresses. Can be stopped.

上記D値は、好ましくは7μm以下であり、より好ましくは6μm以下である。なお、D値は小さいほど好ましく、下限は特に制限されないが、例えば、1μm程度でもよい。   The D value is preferably 7 μm or less, and more preferably 6 μm or less. In addition, although D value is so preferable that it is small, a minimum in particular is not restrict | limited, For example, about 1 micrometer may be sufficient.

上記式(2)中、Rは、EBSP法で隣接する2つの結晶の方位差を測定したときに、結晶方位差が15°以上の大角粒界に占めるランダム粒界の割合(面積%)を意味している。   In the above formula (2), R is the ratio (area%) of the random grain boundary occupying the large-angle grain boundary where the crystal orientation difference is 15 ° or more when the orientation difference between two adjacent crystals is measured by the EBSP method. I mean.

本発明では、R値を50面積%以上とする。粒界エネルギーの高いランダム粒界を増加させることによって、脆性亀裂の進展に対する抵抗を増やすことができ、脆性亀裂伝播停止特性を向上できる。   In the present invention, the R value is 50 area% or more. By increasing the number of random grain boundaries having a high grain boundary energy, the resistance to the progress of brittle cracks can be increased, and the brittle crack propagation stopping characteristics can be improved.

上記R値は、好ましくは53面積%以上、より好ましくは55面積%以上である。なお、R値は大きいほど好ましく、上限は特に制限されないが、例えば、65面積%程度でもよい。   The R value is preferably 53 area% or more, more preferably 55 area% or more. The R value is preferably as large as possible, and the upper limit is not particularly limited, but may be, for example, about 65 area%.

D値およびR値は、鋼材の厚みをt(mm)としたとき、深さt/8位置からt/4位置までの領域における金属組織を観察して測定する。脆性亀裂伝播停止特性は、表層から形成される延性破壊領域(シアリップ)によるエネルギー損失が影響するため、深さt/8位置からt/4位置までの領域におけるD値とR値を制御することによって、脆性亀裂を停止できる。   The D value and the R value are measured by observing the metal structure in the region from the depth t / 8 position to the t / 4 position when the thickness of the steel material is t (mm). Since the brittle crack propagation stop characteristic is affected by energy loss due to the ductile fracture region (shear lip) formed from the surface layer, the D value and R value in the region from the depth t / 8 position to the t / 4 position should be controlled. Can stop brittle cracks.

以上によって鋼材の脆性亀裂伝播停止特性が向上する。この技術は、特に、表面硬さを向上させた鋼や高強度鋼に有効に利用できる。   By the above, the brittle crack propagation stop characteristic of steel materials improves. This technique can be effectively used particularly for steel with improved surface hardness and high-strength steel.

ところで、上記構造物には、通常、応力が繰返し負荷される。応力が繰返し負荷されると、剪断応力によりすべり帯が発生し、これが繰返しとともに発達し、構造物の表面に突出しや入込み(以下、突出し等と呼ぶ。)を形成する。この突出し等に応力が集中すると、疲労亀裂が発生して疲労破壊する。しかし、安全性を確保するために、構造物を構成する鋼材には疲労亀裂が発生し難く、疲労特性に優れていることが要求される。   Incidentally, stress is normally repeatedly applied to the structure. When stress is repeatedly applied, a slip band is generated due to shear stress, which develops with repetition and forms protrusions and penetrations (hereinafter referred to as protrusions) on the surface of the structure. When stress concentrates on this protrusion or the like, fatigue cracks are generated and fatigue fracture occurs. However, in order to ensure safety, the steel material constituting the structure is required to be resistant to fatigue cracks and to have excellent fatigue characteristics.

疲労亀裂の発生を防止するには、剪断応力によるすべりを抑制し、突出し等の形成を防止すればよく、鋼材の降伏点(YP)および引張強度(TS)を高くすることが有効である。そこで本発明では、降伏点および引張強度を高めるために、鋼材の表層部における硬さに注目した。疲労亀裂は、鋼材の表面から発生するため、鋼材の表層部を硬くして当該部分の降伏点および引張強度を高くすれば、突出し等の発生を防止でき、疲労亀裂の発生を抑制できると考えたからである。そして後述する実施例で明らかにするように、表層部における硬さの最小値を190Hv以上にすれば、疲労特性を改善できることが明らかとなった。   In order to prevent the occurrence of fatigue cracks, it is only necessary to suppress slip due to shear stress and prevent formation of protrusions, etc., and it is effective to increase the yield point (YP) and tensile strength (TS) of the steel material. Therefore, in the present invention, in order to increase the yield point and the tensile strength, attention is paid to the hardness in the surface layer portion of the steel material. Since fatigue cracks are generated from the surface of steel, it is thought that if the surface layer of the steel is hardened and the yield point and tensile strength of the part are increased, the occurrence of protrusions can be prevented and the occurrence of fatigue cracks can be suppressed. This is because the. As will be apparent from the examples described later, it has been clarified that the fatigue characteristics can be improved by setting the minimum hardness value of the surface layer portion to 190 Hv or more.

[硬さの最小値について]
本発明では、鋼材の表層部における硬さの最小値を190Hv以上とすることが好ましい。鋼材の表層部を硬くすることによって、応力が繰返し負荷されても突出し等の形成を防止できるため、鋼材の疲労特性を改善できる。
[Minimum hardness]
In this invention, it is preferable that the minimum value of the hardness in the surface layer part of steel materials shall be 190 Hv or more. By hardening the surface layer portion of the steel material, it is possible to prevent the formation of protrusions or the like even when stress is repeatedly applied, so that the fatigue characteristics of the steel material can be improved.

上記硬さの最小値は大きいほど良く、より好ましくは200Hv以上、更に好ましくは210Hv以上である。   The minimum value of the hardness is better as it is larger, more preferably 200 Hv or more, and still more preferably 210 Hv or more.

上記硬さの最小値を190Hv以上とするには、表層部の金属組織をベイナイト主体とすればよい。ベイナイト主体とは、金属組織を電子顕微鏡で観察したときに、ベイナイト分率が60面積%以上であることを意味する。ベイナイト分率は、好ましくは70面積%以上、より好ましくは80面積%以上、更に好ましくは90面積%以上であり、最も好ましくはベイナイト100面積%である。   In order to set the minimum value of the hardness to 190 Hv or more, the metal structure of the surface layer portion may be mainly bainite. The bainite-based means that the bainite fraction is 60 area% or more when the metal structure is observed with an electron microscope. The bainite fraction is preferably 70 area% or more, more preferably 80 area% or more, still more preferably 90 area% or more, and most preferably bainite 100 area%.

ベイナイト以外の金属組織は、フェライトであってもよい。但し、金属組織に占めるフェライト分率が高くなると、鋼材の硬度は小さくなる傾向がある。従って金属組織に占めるフェライト分率はできるだけ小さく、例えば、8面積%以下であることが好ましく、より好ましくは5面積%以下であり、更に好ましくは3面積%以下である。   The metal structure other than bainite may be ferrite. However, when the ferrite fraction in the metal structure increases, the hardness of the steel material tends to decrease. Therefore, the ferrite fraction in the metal structure is as small as possible, for example, preferably 8 area% or less, more preferably 5 area% or less, and further preferably 3 area% or less.

上記硬さの上限は特に限定されないが、例えば、260Hv程度でもよい。この上限値は、ベイナイト組織の平均硬さとほぼ等しい値である。   The upper limit of the hardness is not particularly limited, but may be about 260 Hv, for example. This upper limit is approximately equal to the average hardness of the bainite structure.

上記硬さは、鋼材の厚みをt(mm)としたとき、最表面から深さt/4位置までの領域において測定する。この領域を設定したのは、疲労亀裂が発生する位置が鋼材の最表面であるため、疲労亀裂の発生を防止するためである。   The hardness is measured in a region from the outermost surface to a depth t / 4 position where the thickness of the steel material is t (mm). The reason for setting this region is to prevent the occurrence of fatigue cracks because the position where fatigue cracks occur is the outermost surface of the steel material.

上記硬さは、最表面から深さt/4位置までの領域を等間隔(例えば、1mm間隔)で測定し、最小値を求めればよい。具体的な測定手順は、後記の実施例の項で説明する。   The hardness may be determined by measuring a region from the outermost surface to a depth t / 4 position at equal intervals (for example, 1 mm intervals) and obtaining a minimum value. A specific measurement procedure will be described in the section of Examples described later.

本発明の鋼材は、表層部における金属組織(好ましくは金属組織と硬さ)が上記要件を満足するものであり、該鋼材の成分組成は、C:0.02〜0.12%、Si:0.5%以下(0%を含む)、Mn:1〜2%、Nb:0.005〜0.04%、B:0.0005〜0.003%、Ti:0.005〜0.02%、N:0.0040〜0.01%、P:0.02%以下(0%を含まない)、S:0.015%以下(0%を含まない)、Al:0.01〜0.06%を満足している必要がある。こうした範囲を定めた理由は以下の通りである。   In the steel material of the present invention, the metal structure (preferably metal structure and hardness) in the surface layer portion satisfies the above requirements, and the component composition of the steel material is C: 0.02 to 0.12%, Si: 0.5% or less (including 0%), Mn: 1 to 2%, Nb: 0.005 to 0.04%, B: 0.0005 to 0.003%, Ti: 0.005 to 0.02 %, N: 0.0040 to 0.01%, P: 0.02% or less (not including 0%), S: 0.015% or less (not including 0%), Al: 0.01 to 0 0.06% must be satisfied. The reasons for setting these ranges are as follows.

Cは、鋼材(母材)の強度を確保するために欠くことのできない元素であり、0.02%以上含有させる必要がある。Cは、0.04%以上含有させることが好ましく、より好ましくは0.05%以上である。しかしCが0.12%を超えると、溶接時にHAZに島状マルテンサイト(MA)を多く生成してHAZの靱性劣化を招くばかりでなく、溶接性にも悪影響を及ぼす。従ってCは0.12%以下、好ましくは0.1%以下、より好ましくは0.08%以下とする。   C is an element indispensable for securing the strength of the steel material (base material), and needs to be contained by 0.02% or more. C is preferably contained in an amount of 0.04% or more, more preferably 0.05% or more. However, if C exceeds 0.12%, a lot of island martensite (MA) is generated in the HAZ at the time of welding to cause deterioration of the toughness of the HAZ, and also adversely affect the weldability. Therefore, C is 0.12% or less, preferably 0.1% or less, more preferably 0.08% or less.

Siは、固溶強化により鋼材の強度を確保するのに寄与する元素である。しかしSiが0.5%を超えると、溶接時にHAZに島状マルテンサイト(MA)を多く生成してHAZ靱性の劣化を招くばかりでなく、溶接性にも悪影響を及ぼす。従ってSiは0.5%以下とする。好ましくは0.4%以下であり、より好ましくは0.3%以下、更に好ましくは0.2%以下である。なお、Siは含有しなくてもよいが、Siを添加して鋼材の強度を確保するためには、0.02%以上含有させることが好ましい。より好ましくは0.05%以上、更に好ましくは0.1%以上含有させるのがよい。   Si is an element that contributes to securing the strength of a steel material by solid solution strengthening. However, if Si exceeds 0.5%, not only does martensite (MA) form in the HAZ during welding to cause deterioration of the HAZ toughness, but also adversely affects weldability. Therefore, Si is 0.5% or less. Preferably it is 0.4% or less, More preferably, it is 0.3% or less, More preferably, it is 0.2% or less. In addition, although Si does not need to contain, in order to add Si and ensure the intensity | strength of steel materials, it is preferable to make it contain 0.02% or more. More preferably 0.05% or more, still more preferably 0.1% or more.

Mnは、鋼材(母材)の強度向上に寄与する元素であり、1%以上含有させる必要がある。Mnは、好ましくは1.2%以上、より好ましくは1.4%以上含有させるのがよい。しかしMnが2%を超えると、鋼材(母材)の溶接性を劣化させる。従ってMnは、2%以下に抑える必要がある。Mnは、好ましくは1.8%以下であり、より好ましくは1.6%以下である。   Mn is an element that contributes to improving the strength of the steel material (base material), and must be contained at 1% or more. Mn is preferably contained at 1.2% or more, more preferably 1.4% or more. However, if Mn exceeds 2%, the weldability of the steel material (base material) is deteriorated. Therefore, Mn needs to be suppressed to 2% or less. Mn is preferably 1.8% or less, more preferably 1.6% or less.

Nbは、固溶によるソリュートドラック効果および炭窒化物を析出させることによるピン止め効果により、再結晶粒の粗大化を抑制し、脆性亀裂伝播停止特性を向上させる作用を有している。また、母材靱性の向上にも寄与する。こうした作用を発揮させるには、Nbは、0.005%以上含有させる必要がある。より好ましくは0.007%以上、更に好ましくは0.009%以上である。しかしNbが0.04%を超えると、析出する炭窒化物が粗大化して母材靱性を却って劣化させる。従ってNbは0.04%以下とする。特に、HAZ靱性も改善するには、Nbは、0.035%以下にすることが好ましく、より好ましくは0.03%以下、更に好ましくは0.025%以下、特に好ましくは0.02%以下である。   Nb has the effect of suppressing the coarsening of the recrystallized grains and improving the brittle crack propagation stopping characteristics due to the solution drag effect due to solid solution and the pinning effect due to precipitation of carbonitride. It also contributes to the improvement of the base material toughness. In order to exert such an effect, Nb needs to be contained by 0.005% or more. More preferably, it is 0.007% or more, More preferably, it is 0.009% or more. However, if Nb exceeds 0.04%, the precipitated carbonitride becomes coarse and deteriorates instead of the base material toughness. Therefore, Nb is made 0.04% or less. In particular, in order to improve HAZ toughness, Nb is preferably 0.035% or less, more preferably 0.03% or less, still more preferably 0.025% or less, and particularly preferably 0.02% or less. It is.

Bは、焼入れ性を高めて強度を向上させる元素である。また、Bは、粒界フェライトの生成を抑制してHAZ靱性を向上させる元素である。B添加による作用を発揮させるには、0.0005%以上含有させる必要があり、好ましくは0.001%以上、より好ましくは0.0015%以上である。しかしBが0.003%を超えると、オーステナイト粒界にBNとして析出してHAZ靱性の低下を招く。従ってBは0.003%以下、好ましくは0.0025%以下、より好ましくは0.002%以下である。   B is an element that improves hardenability and improves strength. B is an element that suppresses the formation of grain boundary ferrite and improves the HAZ toughness. In order to exert the effect of addition of B, it is necessary to contain 0.0005% or more, preferably 0.001% or more, more preferably 0.0015% or more. However, if B exceeds 0.003%, it precipitates as BN at the austenite grain boundary and causes a reduction in HAZ toughness. Therefore, B is 0.003% or less, preferably 0.0025% or less, more preferably 0.002% or less.

Tiは、鋼中に窒化物(TiN)を微細分散させてオーステナイト粒の粗大化を防止し、またオーステナイトの再結晶による粗大化を抑制する作用を有しており、結晶粒を小さくして脆性亀裂伝播停止特性を高める作用を有している。また、Tiは、窒化物の他、酸化物を生成し、HAZ靱性の向上にも寄与する元素である。こうした作用を発揮させるには、Tiは0.005%以上含有させる必要がある。好ましくは0.007%以上、より好ましくは0.01%以上とする。しかしTiを過剰に添加すると鋼材(母材)の靱性を劣化させるため、Tiは0.02%以下に抑えるべきである。好ましくは0.018%以下であり、より好ましくは0.016%以下である。   Ti has the effect of preventing the austenite grains from coarsening by finely dispersing nitride (TiN) in the steel and suppressing the coarsening due to austenite recrystallization. It has the effect of enhancing the crack propagation stop characteristics. Further, Ti is an element that generates oxides in addition to nitrides and contributes to improvement of HAZ toughness. In order to exert such an effect, it is necessary to contain Ti by 0.005% or more. Preferably it is 0.007% or more, more preferably 0.01% or more. However, if Ti is added excessively, the toughness of the steel (base material) is deteriorated, so Ti should be suppressed to 0.02% or less. Preferably it is 0.018% or less, More preferably, it is 0.016% or less.

Nは、Ti窒化物を析出させて脆性亀裂伝播停止特性を高める作用を有している元素である。また、Nは、窒化物によるピン止め効果によって、溶接時にHAZに生成するオーステナイト粒の粗大化を防止してフェライト変態を促進し、HAZ靱性の向上に寄与する元素である。こうした効果を有効に発揮させるには、0.0040%以上含有させる必要がある。好ましくは0.005%以上、より好ましくは0.006%以上である。Nは多いほどTi窒化物を形成してオーステナイト粒の微細化が促進されるため、HAZの靱性向上に有効に作用する。しかしNが0.01%を超えると、固溶N量が増大して母材自体の靱性が劣化し、HAZ靱性も低下する。従ってNは0.01%以下に抑える必要がある。好ましくは0.0095%以下、より好ましくは0.009%以下とする。   N is an element that has the effect of precipitating Ti nitrides and improving the brittle crack propagation stopping characteristics. N is an element that contributes to the improvement of HAZ toughness by preventing the coarsening of austenite grains formed in HAZ during welding and promoting ferrite transformation by the pinning effect of nitride. In order to exhibit such an effect effectively, it is necessary to contain 0.0040% or more. Preferably it is 0.005% or more, More preferably, it is 0.006% or more. As N increases, Ti nitrides are formed and the refinement of austenite grains is promoted, so that it effectively works to improve the toughness of HAZ. However, when N exceeds 0.01%, the amount of solute N increases, the toughness of the base metal itself deteriorates, and the HAZ toughness also decreases. Therefore, N must be suppressed to 0.01% or less. Preferably it is 0.0095% or less, More preferably, it is 0.009% or less.

Pは、偏析し易い元素であり、特に鋼材中の結晶粒界に偏析して母材靱性を劣化させる。従ってPは0.02%以下に抑制する必要がある。好ましくは0.018%以下、より好ましくは0.015%以下とする。   P is an element that is easily segregated, and particularly segregates at a grain boundary in the steel material to deteriorate the base material toughness. Therefore, P must be suppressed to 0.02% or less. Preferably it is 0.018% or less, More preferably, you may be 0.015% or less.

Sは、Mnと結合して硫化物(MnS)を生成し、母材靱性や板厚方向の延性を劣化させる有害な元素である。従ってSは0.015%以下に抑制する必要がある。好ましくは0.012%以下であり、より好ましくは0.008%以下、更に好ましくは0.006%以下である。   S is a harmful element that combines with Mn to generate sulfide (MnS) and degrades the toughness of the base metal and the ductility in the thickness direction. Therefore, S must be suppressed to 0.015% or less. Preferably it is 0.012% or less, More preferably, it is 0.008% or less, More preferably, it is 0.006% or less.

Alは、脱酸剤として作用する元素であり、またAlNを形成して結晶粒の微細化に作用する元素である。こうした効果を発揮させるには、Alは、0.01%以上とする必要がある。Alは、好ましくは0.02%以上であり、より好ましくは0.03%以上である。しかし過剰になると母材靱性およびHAZ靱性を劣化させるため、Alは0.06%以下に抑える必要がある。Alは、好ましくは0.04%以下、より好ましくは0.035%以下である。   Al is an element that acts as a deoxidizer, and is an element that acts to refine crystal grains by forming AlN. In order to exhibit such an effect, Al needs to be 0.01% or more. Al is preferably 0.02% or more, and more preferably 0.03% or more. However, if it is excessive, the base metal toughness and the HAZ toughness are deteriorated, so Al needs to be suppressed to 0.06% or less. Al is preferably 0.04% or less, more preferably 0.035% or less.

本発明の鋼材は、上記元素を必須成分として含有するものであり、残部は鉄および不可避不純物(例えば、Mg、As、Seなど)である。   The steel material of the present invention contains the above elements as essential components, and the balance is iron and inevitable impurities (for example, Mg, As, Se, etc.).

本発明の鋼材は、更に他の元素として、鋼材の強度を向上させる元素(Ni、Cu、Cr、Mo)、および/またはHAZ靱性を一層向上させる元素(V)等を含有させることも有効である。具体的には、
(a)Ni:0.7%以下(0%を含まない)、Cu:0.3%以下(0%を含まない)、Cr:1.5%以下(0%を含まない)、およびMo:1%以下(0%を含まない)よりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素;および/または
(b)V:0.1%以下(0%を含まない)、
等を含有することが好ましい。こうした範囲を定めた理由は以下の通りである。
It is also effective for the steel material of the present invention to contain an element (Ni, Cu, Cr, Mo) for improving the strength of the steel material and / or an element (V) for further improving the HAZ toughness as other elements. is there. In particular,
(A) Ni: 0.7% or less (not including 0%), Cu: 0.3% or less (not including 0%), Cr: 1.5% or less (not including 0%), and Mo At least one element selected from the group consisting of: 1% or less (not including 0%); and / or (b) V: 0.1% or less (not including 0%),
Etc. are preferably contained. The reasons for setting these ranges are as follows.

[(a)Ni、Cu、Cr、Mo]
Ni、Cu、Cr、およびMoは、いずれも鋼材の強度を高めるのに寄与する元素であり、夫々単独で、或いは複合して添加することができる。
[(A) Ni, Cu, Cr, Mo]
Ni, Cu, Cr, and Mo are all elements that contribute to increasing the strength of the steel material, and can be added alone or in combination.

特に、Niは、鋼材の強度を高めると共に、鋼材自体の靱性を向上させるのにも寄与する元素である。Niはできるだけ含有させることが好ましいが、高価な元素であるため、過剰に含有するとコスト高となる。従って、経済的理由から上限は0.7%とすることが好ましい。より好ましくは0.5%以下、更に好ましくは0.4%以下である。なお、Niは、上述した作用を有効に発揮させるには、0.01%以上含有させることが好ましい。より好ましくは0.02%以上、更に好ましくは0.03%以上である。   In particular, Ni is an element that contributes to increasing the strength of the steel material and improving the toughness of the steel material itself. Ni is preferably contained as much as possible, but since it is an expensive element, if it is contained excessively, the cost becomes high. Therefore, the upper limit is preferably 0.7% for economic reasons. More preferably, it is 0.5% or less, More preferably, it is 0.4% or less. Ni is preferably contained in an amount of 0.01% or more in order to effectively exhibit the above-described action. More preferably it is 0.02% or more, and still more preferably 0.03% or more.

Cuは、固溶強化して鋼材の強度を高める元素である。しかし0.3%を超えて含有すると鋼材の靱性が劣化するため、Cuは0.3%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.28%以下であり、更に好ましくは0.25%以下である。なお、上述した作用を有効に発揮させるには、0.01%以上含有させることが好ましい。より好ましくは0.02%以上、更に好ましくは0.03%以上である。   Cu is an element that enhances the strength of the steel by solid solution strengthening. However, if the content exceeds 0.3%, the toughness of the steel material deteriorates, so Cu is preferably 0.3% or less. More preferably, it is 0.28% or less, More preferably, it is 0.25% or less. In addition, in order to exhibit the effect | action mentioned above effectively, it is preferable to make it contain 0.01% or more. More preferably it is 0.02% or more, and still more preferably 0.03% or more.

Crは、鋼材の強度を高めるのに作用するが、1.5%を超えると、鋼材(母材)の強度を著しく高め過ぎて母材靱性が劣化するためHAZ靱性が低下する。従ってCrは1.5%以下とすることが好ましい。より好ましくは1.2%以下、更に好ましくは1%以下、特に好ましくは0.5%以下である。なお、上述した作用を有効に発揮させるには、0.01%以上含有させることが好ましい。より好ましくは0.02%以上、更に好ましくは0.03%以上である。   Cr acts to increase the strength of the steel material. However, if it exceeds 1.5%, the strength of the steel material (base material) is remarkably increased and the base material toughness deteriorates, so that the HAZ toughness decreases. Therefore, Cr is preferably 1.5% or less. More preferably, it is 1.2% or less, More preferably, it is 1% or less, Most preferably, it is 0.5% or less. In addition, in order to exhibit the effect | action mentioned above effectively, it is preferable to make it contain 0.01% or more. More preferably it is 0.02% or more, and still more preferably 0.03% or more.

Moは、鋼材の強度を高めるのに作用するが、1%を超えると、鋼材(母材)の強度が著しく高くなり過ぎて母材靱性が却って劣化するためHAZ靱性も低下する。従ってMoは1%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.7%以下、更に好ましくは0.5%以下、特に好ましくは0.05%以下である。なお、上述した作用を有効に発揮させるには、0.01%以上含有させることが好ましい。より好ましくは0.02%以上、更に好ましくは0.03%以上である。   Mo acts to increase the strength of the steel material. However, if it exceeds 1%, the strength of the steel material (base material) becomes extremely high and the base material toughness deteriorates instead, so that the HAZ toughness also decreases. Therefore, Mo is preferably 1% or less. More preferably, it is 0.7% or less, More preferably, it is 0.5% or less, Most preferably, it is 0.05% or less. In addition, in order to exhibit the effect | action mentioned above effectively, it is preferable to make it contain 0.01% or more. More preferably it is 0.02% or more, and still more preferably 0.03% or more.

[(b)V]
Vは、HAZ靱性を向上させる元素であるが、0.1%を超えて含有すると、析出する炭窒化物が粗大化して母材の靱性を劣化させる。従ってVは0.1%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.08%以下、更に好ましくは0.05%以下、特に好ましくは0.01%以下である。なお、上述した作用を有効に発揮させるには、0.001%以上含有させることが好ましい。より好ましくは0.002%以上、更に好ましくは0.003%以上である。
[(B) V]
V is an element that improves the HAZ toughness. However, if it exceeds 0.1%, the precipitated carbonitrides are coarsened to deteriorate the toughness of the base material. Therefore, V is preferably 0.1% or less. More preferably, it is 0.08% or less, More preferably, it is 0.05% or less, Most preferably, it is 0.01% or less. In addition, in order to exhibit the effect | action mentioned above effectively, it is preferable to make it contain 0.001% or more. More preferably it is 0.002% or more, and still more preferably 0.003% or more.

次に、本発明の鋼材を製造する方法について説明する。   Next, a method for producing the steel material of the present invention will be described.

大角粒界で囲まれた結晶粒の平均円相当直径(D値)および大角粒界に占めるランダム粒界の割合(R値)を所定の範囲に制御するには、加熱した鋼材をAr3点直上の未再結晶域で圧延(以下、低温圧延という。)することによって鋼材に歪(転位)を導入した後、これを再結晶温度付近に昇温すること(以下、昇温処理という。)が重要である。再結晶温度未満でも、導入した歪を駆動力として再結晶が生じるため、新たな粒界が生成する。そしてAr3点直上の低温で生成する粒界が対応粒界となるのに対して、再結晶温度付近で生成する粒界はランダム粒界となる。従って、未再結晶域での圧延で導入する歪の蓄積を大きくするほど、またその後の昇温によって再結晶温度に近づくほど、D値を小さくでき、R値を大きくできる。 In order to control the average equivalent circle diameter (D value) of the crystal grains surrounded by the large angle grain boundaries and the ratio of the random grain boundaries (R value) in the large angle grain boundaries within a predetermined range, the heated steel is adjusted to the Ar 3 point. After introducing a strain (dislocation) into the steel material by rolling in the unrecrystallized region immediately above (hereinafter referred to as low temperature rolling), the temperature is raised to the vicinity of the recrystallization temperature (hereinafter referred to as temperature increasing treatment). is important. Even if the temperature is lower than the recrystallization temperature, recrystallization occurs using the introduced strain as a driving force, so that a new grain boundary is generated. A grain boundary generated at a low temperature immediately above the Ar 3 point becomes a corresponding grain boundary, whereas a grain boundary generated near the recrystallization temperature becomes a random grain boundary. Therefore, the larger the accumulated strain introduced by rolling in the non-recrystallized region, and the closer to the recrystallization temperature due to the subsequent temperature rise, the smaller the D value and the larger the R value.

上記鋼材の加熱温度(鋼材の温度は、平均温度を意味する。以下同じであり、その決定方法は実施例の欄で詳述する。)は、例えば、1050℃以上、1080℃以上とすることが好ましく、より好ましくは1100℃以上である。1050℃以上に加熱することによって、鋼材の組織をオーステナイト単相にでき、またNbを全固溶できる。しかし加熱温度が高過ぎると、初期のオーステナイト組織が粗大化し過ぎるため、変態後の組織を充分に微細化することが困難となる。従って加熱温度の上限は、例えば、1250℃以下、好ましくは1200℃以下、更に好ましくは1150℃以下とする。   The heating temperature of the steel material (the temperature of the steel material means an average temperature. The same applies hereinafter, and the determination method will be described in detail in the column of Examples) is, for example, 1050 ° C. or higher and 1080 ° C. or higher. Is more preferable, and more preferably 1100 ° C. or higher. By heating to 1050 ° C. or higher, the structure of the steel material can be austenite single phase, and Nb can be completely dissolved. However, if the heating temperature is too high, the initial austenite structure becomes too coarse, and it becomes difficult to sufficiently refine the structure after transformation. Therefore, the upper limit of the heating temperature is, for example, 1250 ° C. or lower, preferably 1200 ° C. or lower, more preferably 1150 ° C. or lower.

加熱した鋼材は、必要に応じて粗圧延および冷却を実施した後、上記低温圧延を実施する。低温圧延の温度は、Ar3点+30℃以下(好ましくはAr3点+20℃以下)、Ar3点以上である。この温度範囲での累積圧下率を50%以上、好ましくは53%以上、より好ましくは55%以上とする。R値およびD値の観点からは累積圧下率の上限は制限されないが、圧延負荷や製造効率を考慮すると累積圧下率は、例えば、80%以下、好ましくは70%以下、より好ましくは65%以下程度としてもよい。 The heated steel material is subjected to rough rolling and cooling as necessary, and then the low-temperature rolling is performed. The temperature of the low temperature rolling is Ar 3 point + 30 ° C. or lower (preferably Ar 3 point + 20 ° C. or lower) and Ar 3 point or higher. The cumulative rolling reduction in this temperature range is 50% or more, preferably 53% or more, more preferably 55% or more. The upper limit of the cumulative rolling reduction is not limited from the viewpoint of the R value and the D value, but considering the rolling load and production efficiency, the cumulative rolling reduction is, for example, 80% or less, preferably 70% or less, more preferably 65% or less. It is good also as a grade.

なお、上記Ar3点の温度は、下記式(3)から算出できる。式(3)中、[ ]は、各元素の含有量(質量%)を示しており、tは、鋼材の仕上げ板厚(mm)を意味している。
Ar3(℃)=910−310×[C]−80×[Mn]−20×[Cu]−15×[Cr]−55×[Ni]−80×[Mo]+0.35×(t−8) ・・・(3)
The temperature at the Ar 3 point can be calculated from the following formula (3). In formula (3), [] represents the content (% by mass) of each element, and t represents the finished plate thickness (mm) of the steel material.
Ar 3 (° C.) = 910−310 × [C] −80 × [Mn] −20 × [Cu] −15 × [Cr] −55 × [Ni] −80 × [Mo] + 0.35 × (t− 8) ... (3)

低温圧延後は、上述したように昇温処理する。この昇温の温度範囲は、Ar3点+30℃超、再結晶温度+20℃以下である。再結晶温度に近づくほど、歪を駆動力とする再結晶が進行し、R値が大きくなり、またD値が小さくなる。但し、再結晶温度を超え過ぎると、結晶粒が成長し始めるため、D値の抑制が難しくなる。再結晶と粒成長のバランスを考慮して、昇温の温度範囲を再結晶温度+20℃以下に定めた。好ましい温度範囲は、再結晶温度−30℃以上(特に再結晶温度−20℃以上)、再結晶温度未満(特に再結晶温度−5℃以下)である。 After the low temperature rolling, the temperature is increased as described above. The temperature range of this temperature rise is Ar 3 point + 30 ° C. and recrystallization temperature + 20 ° C. or less. As the recrystallization temperature is approached, recrystallization using strain as a driving force proceeds, the R value increases, and the D value decreases. However, if the recrystallization temperature is exceeded, crystal grains begin to grow, making it difficult to suppress the D value. Considering the balance between recrystallization and grain growth, the temperature range of the temperature rise was set to the recrystallization temperature + 20 ° C. or lower. A preferable temperature range is a recrystallization temperature of −30 ° C. or higher (particularly a recrystallization temperature of −20 ° C. or higher) and a lower recrystallization temperature (particularly a recrystallization temperature of −5 ° C. or lower).

なお、再結晶温度は、例えば、加工フォーマスター試験機を用い、次の手順で測定できる。直径8mm、高さ12mmの円柱状試験片を準備し、図1に示すヒートパターンで加工を行う。即ち、昇温速度10℃/秒で1100℃まで試験片を加熱し、1分保持した後、高さが10mmとなるように初期加工を行い、1100℃のまま20分間保持する。次に、加工温度が760℃、780℃、800℃、820℃、840℃、860℃、または880℃となるように1100℃から冷却速度50℃/秒で冷却し、各加工温度で10秒保持→1パス目の加工→前記加工温度で10秒保持→2パス目の加工を繰返し、4パス目の加工を終了した後、加工温度で10秒保持してから室温まで冷却速度50℃/秒で冷却した。各パスの加工は、試験片の高さが、1パス目:9.0mm、2パス目:8.0mm、3パス目:7.0mm、4パス目:6.5mmとなるようにストローク速度15mm/秒で行った。上記冷却は、不活性ガスを用いて急冷した。比較対象として、上記20分間保持した後、加工せずに室温まで冷却速度50℃/秒で冷却(不活性ガスによる急冷)したサンプルも用意した。   In addition, recrystallization temperature can be measured in the following procedure using a processing for master tester, for example. A cylindrical test piece having a diameter of 8 mm and a height of 12 mm is prepared and processed with the heat pattern shown in FIG. That is, the test piece is heated to 1100 ° C. at a temperature rising rate of 10 ° C./second, held for 1 minute, then subjected to initial processing so that the height becomes 10 mm, and held at 1100 ° C. for 20 minutes. Next, cooling is performed from 1100 ° C. at a cooling rate of 50 ° C./second so that the processing temperature becomes 760 ° C., 780 ° C., 800 ° C., 820 ° C., 840 ° C., 860 ° C., or 880 ° C., and 10 seconds at each processing temperature. Holding → Processing for the first pass → Holding for 10 seconds at the above processing temperature → Repeating the processing for the second pass After finishing the processing for the fourth pass, hold for 10 seconds at the processing temperature and then cool down to room temperature at 50 ° C / Cooled in seconds. In each pass processing, the stroke speed is such that the height of the test piece becomes 9.0 mm for the first pass, 8.0 mm for the second pass, 7.0 mm for the third pass, and 6.5 mm for the fourth pass. The measurement was performed at 15 mm / second. The cooling was quenched with an inert gas. As a comparison object, a sample was prepared that was held for 20 minutes and then cooled to room temperature at a cooling rate of 50 ° C./second (rapid cooling with an inert gas) without processing.

加工後、各加工温度でのオーステナイト粒径を測定し、再結晶の有無を観察し、再結晶温度を決定する。オーステナイト粒が等軸になっている場合を再結晶したと評価し、偏平している場合を再結晶していないと評価した。オーステナイト粒径は、試験片を#150〜#1000までの湿式エメリー研磨紙を用いて研磨し、次いで研磨剤としてダイヤモンドスラリーを用いて鏡面仕上げし、この鏡面研磨面を、極低カーボン腐食液(例えば、ピクリン酸20g、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム20g、および塩酸5〜10mlを蒸留水500mlに溶解させて調製した腐食液)でエッチングした後、150μm×200μmの視野を倍率400倍で観察し、画像解析してオーステナイト粒径を測定した。   After processing, the austenite grain size at each processing temperature is measured, the presence or absence of recrystallization is observed, and the recrystallization temperature is determined. The case where the austenite grains are equiaxed was evaluated as recrystallized, and the case where the austenite grains were flat was evaluated as not recrystallized. The austenite grain size was determined by polishing the test piece with wet emery polishing paper of # 150 to # 1000 and then mirror-finishing with a diamond slurry as an abrasive. For example, after etching with 20 g of picric acid, 20 g of sodium dodecylbenzenesulfonate, and 5-10 ml of hydrochloric acid dissolved in 500 ml of distilled water), a field of view of 150 μm × 200 μm was observed at a magnification of 400 × The austenite particle size was measured by analysis.

昇温するための手段は特に限定されず、例えば、加熱(高周波加熱など)および復熱のいずれを利用してもよい。復熱を利用する場合は、加熱した鋼材を低温圧延するまでの間(特に低温圧延開始直前)に、加速冷却(例えば水冷)をする必要がある。また、粗圧延を実施する場合には、粗圧延と低温圧延との間で加速冷却する必要がある。低温圧延直前の加速冷却によって、鋼材表面と内部の温度差を大きくできるため、低温圧延後に鋼材を復熱できる。   The means for raising the temperature is not particularly limited, and for example, either heating (high frequency heating or the like) and recuperation may be used. When using recuperation, it is necessary to perform accelerated cooling (for example, water cooling) until the heated steel material is cold-rolled (particularly immediately before the start of low-temperature rolling). Moreover, when implementing rough rolling, it is necessary to accelerate-cool between rough rolling and low-temperature rolling. Since the temperature difference between the steel surface and the interior can be increased by accelerated cooling immediately before the low temperature rolling, the steel material can be reheated after the low temperature rolling.

上記昇温の温度範囲では、必要に応じて圧延を実施してもよい。昇温温度で再結晶しつつ圧延することによって、結晶粒を更に微細にでき、D値をより小さくできる。この圧延の累積圧下率は、例えば、3%以上(好ましくは5%以上、特に好ましくは8%以上)、25%以下(好ましくは20%以下、特に好ましくは18%以下)である。   In the temperature range of the temperature increase, rolling may be performed as necessary. By rolling while recrystallizing at an elevated temperature, the crystal grains can be made finer and the D value can be made smaller. The cumulative rolling reduction of this rolling is, for example, 3% or more (preferably 5% or more, particularly preferably 8% or more) and 25% or less (preferably 20% or less, particularly preferably 18% or less).

昇温処理終了後は、制御冷却することが推奨される。制御冷却によって金属組織をベイナイト主体にでき、表層部の硬さを所定値以上に高めることができ、疲労特性を改善できる。この制御冷却では、例えば、Ar3点以上の温度から500℃以下までを平均速度5℃/秒以上で冷却する。冷却開始温度がAr3点を下回るか、平均冷却速度が5℃/秒を下回ると、フェライトが多く生成し、表層部を硬くするのが難しくなる。平均冷却速度は、好ましくは7℃/秒以上、より好ましくは9℃/秒以上である。冷却停止温度を500℃以下にしたのは、変態を完全に完了させるためである。 Control cooling is recommended after the temperature raising process. By controlled cooling, the metal structure can be mainly bainite, the hardness of the surface layer can be increased to a predetermined value or more, and the fatigue characteristics can be improved. In this controlled cooling, for example, cooling is performed at an average rate of 5 ° C./second or more from a temperature of Ar 3 point or higher to 500 ° C. or lower. When the cooling start temperature is lower than the Ar 3 point or the average cooling rate is lower than 5 ° C./second, a large amount of ferrite is generated, and it becomes difficult to harden the surface layer portion. The average cooling rate is preferably 7 ° C./second or more, more preferably 9 ° C./second or more. The reason why the cooling stop temperature is set to 500 ° C. or lower is to complete the transformation completely.

本発明の鋼材は、脆性亀裂伝播停止特性(更には、疲労特性)に優れているため、例えば、橋梁、建築物、船舶、タンク、海洋構造物、ラインパイプなどの構造物の材料として使用できる。この鋼材は、小〜中入熱溶接はもとより、入熱量が50kJ/mm以上の大入熱溶接においても溶接熱影響部の靱性劣化を防ぐことができる。   Since the steel material of the present invention is excellent in brittle crack propagation stop characteristics (and fatigue characteristics), it can be used as a material for structures such as bridges, buildings, ships, tanks, offshore structures, line pipes, and the like. . This steel material can prevent toughness deterioration of the weld heat affected zone not only in small to medium heat input welding but also in large heat input welding with a heat input of 50 kJ / mm or more.

本発明の鋼材は、引張強度が530MPa以上(特に、600MPa以上)であることが好ましい。また、表層部の硬さの最小値は、160Hv以上(特に、190Hv以上)であることが好ましい。   The steel material of the present invention preferably has a tensile strength of 530 MPa or more (particularly 600 MPa or more). Moreover, it is preferable that the minimum value of the hardness of a surface layer part is 160 Hv or more (especially 190 Hv or more).

本発明の鋼材は、板厚が3mm以上(特に20mm以上、更には40mm以上)の厚鋼板を対象としている。   The steel material of the present invention is intended for a thick steel plate having a plate thickness of 3 mm or more (particularly 20 mm or more, and further 40 mm or more).

以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the following examples are not intended to limit the present invention, and may be implemented with appropriate modifications within a range that can meet the purpose described above and below. These are all possible and are within the scope of the present invention.

下記表1に示す成分組成の鋼(残部は鉄および不可避不純物)を転炉で溶製し、得られたスラブを下記表2に示す条件で熱間圧延した。具体的な条件は次の通りである。溶製して得られたスラブを下記表1に示す温度に加熱した後、1050℃から下記表2に示す熱間圧延開始温度まで加速冷却し、この温度から下記表2に示す累積圧下率で熱間圧延した。   Steels having the composition shown in Table 1 below (the balance being iron and inevitable impurities) were melted in a converter, and the resulting slab was hot rolled under the conditions shown in Table 2 below. Specific conditions are as follows. After the slab obtained by melting was heated to the temperature shown in Table 1 below, it was accelerated and cooled from 1050 ° C. to the hot rolling start temperature shown in Table 2 below, and from this temperature, the cumulative rolling reduction shown in Table 2 below was applied. Hot rolled.

熱間圧延後は、復熱によって昇温させてから冷却し、下記表2に示す板厚の鋼板を製造した。下記表2に、復熱させたときの鋼材の最高温度と、各鋼種における再結晶温度(即ち、結晶粒が再結晶開始する温度)を示す。再結晶温度は、加工フォーマスター試験機で測定した。また、下記表2に、冷却開始温度および平均冷却速度を示す。なお、下記表2のNo.7、8は、復熱によって昇温させた後、下記表2に示す圧下率で圧延してから冷却した例である。   After hot rolling, the steel sheet was cooled by raising the temperature by recuperation, and steel sheets having the thicknesses shown in Table 2 below were produced. Table 2 below shows the maximum temperature of the steel material when reheated and the recrystallization temperature (that is, the temperature at which the crystal grains start recrystallization) in each steel type. The recrystallization temperature was measured with a processing for master tester. Table 2 below shows the cooling start temperature and the average cooling rate. In Table 2 below, No. 7 and 8 are examples in which the temperature was raised by recuperation, and then rolled at the rolling reduction shown in Table 2 below and then cooled.

本実施例では、上記温度は、全て平均温度で管理した。平均温度の算出方法は次の通りである。   In this example, all of the above temperatures were controlled at an average temperature. The calculation method of the average temperature is as follows.

《平均温度》
(1)プロセスコンピュータを用い、加熱開始から加熱終了までの雰囲気温度と在炉時間に基づき、鋼片の表面から裏面までの板厚方向における任意の位置の加熱温度を算出する。
(2)算出した加熱温度を用い、圧延中の圧延パススケジュールやパス間の冷却方法(水冷または空冷)のデータに基づいて、板厚方向の任意の位置における圧延温度を差分法など計算に適した方法を用いて算出しつつ、圧延する。
(3)鋼片の表面温度は、圧延ライン上に設置された放射型温度計を用いて実測する。但し、プロセスコンピュータにおいても表面温度を計算する。
(4)粗圧延開始時、粗圧延終了時、および仕上圧延開始時に夫々実測した鋼片の表面温度を、プロセスコンピュータで計算した表面温度と照合する。
(5)計算表面温度と実測した鋼片の表面温度の差が±30℃以上の場合は、実測した鋼片の表面温度を上記計算表面温度に置き換えてプロセスコンピュータ上の計算表面温度とし、±30℃未満の場合は、プロセスコンピュータで計算した表面温度をそのまま用いる。
(6)算出された計算表面温度を用い、板厚方向の平均温度を求める。
《Average temperature》
(1) Using a process computer, based on the atmospheric temperature from the start of heating to the end of heating and the in-furnace time, the heating temperature at an arbitrary position in the thickness direction from the front surface to the back surface of the steel slab is calculated.
(2) Using the calculated heating temperature, based on the rolling pass schedule during rolling and the data of the cooling method (water cooling or air cooling) between passes, the rolling temperature at an arbitrary position in the plate thickness direction is suitable for calculations such as the difference method. Rolling while calculating using the above method.
(3) The surface temperature of the steel slab is measured using a radial thermometer installed on the rolling line. However, the surface temperature is also calculated in the process computer.
(4) The surface temperature of the steel slab measured at the start of rough rolling, at the end of rough rolling, and at the start of finish rolling is collated with the surface temperature calculated by the process computer.
(5) If the difference between the calculated surface temperature and the measured steel slab surface temperature is ± 30 ° C or more, replace the measured steel slab surface temperature with the above calculated surface temperature to obtain the calculated surface temperature on the process computer, ± When the temperature is lower than 30 ° C., the surface temperature calculated by the process computer is used as it is.
(6) Using the calculated calculated surface temperature, an average temperature in the plate thickness direction is obtained.

下記表2には、表1に示した成分組成および鋼板の板厚(製品厚)に基づき、上記式(3)を用いて算出したAr3点の値を示す。 Table 2 below shows the value of the Ar 3 point calculated using the above formula (3) based on the component composition shown in Table 1 and the plate thickness (product thickness) of the steel plate.

次に、得られた鋼板の金属組織を下記手順で観察し、結晶方位差が15°以上の大角粒界で囲まれた結晶粒の平均円相当直径Dと、大角粒界に占めるランダム粒界の割合Rを求めた。D(μm)とR(面積%)の値を下記表3に示す。   Next, the metallographic structure of the obtained steel sheet is observed by the following procedure, and the average equivalent circle diameter D of the crystal grains surrounded by the large angle grain boundaries having a crystal orientation difference of 15 ° or more and the random grain boundaries occupying the large angle grain boundaries The ratio R was determined. The values of D (μm) and R (area%) are shown in Table 3 below.

《D値》
(1)得られた鋼板の表面と裏面の両方を含むように、圧延方向(長手方向)に平行に切断したサンプルを準備する。
(2)#150〜#1000までの湿式エメリー研磨紙、或いはそれと同等の機能を有する研磨方法で研磨し、ダイヤモンドスラリーなどの研磨剤を用いて鏡面仕上げを施す。
(3)鏡面研磨面を、TexSEM Laboratories社製のEBSP(Electron Back Scattering Pattern)装置で、板厚方向の深さt/8位置からt/4位置(tは鋼板の厚み)までの領域において測定範囲を200μm×200μm、ピッチを0.5μmとして2つの結晶の方位差を測定し、結晶方位差が15°以上の境界を大角粒界とする。測定は、上記領域において5視野で行う。なお、測定方位の信頼性を示すコンフィデンス・インデックスが0.1よりも小さい測定点は解析対象から除外する。
(4)Grain distribution mapにおいて、結晶方位差が15°以上の大角粒界で囲まれた結晶粒の最大幅(通常板厚方向に沿った長さ)と最大長さ(通常圧延方向に沿った長さ)を測定し、結晶粒の面積を算出して結晶粒の円相当直径を算出し、平均値を求める。
<< D value >>
(1) A sample cut in parallel to the rolling direction (longitudinal direction) is prepared so as to include both the front and back surfaces of the obtained steel sheet.
(2) Polishing with a wet emery polishing paper of # 150 to # 1000 or a polishing method having the same function as that, and a mirror finish using a polishing agent such as diamond slurry.
(3) The mirror-polished surface is measured in the region from the depth t / 8 position in the thickness direction to the t / 4 position (t is the thickness of the steel sheet) with an EBSP (Electron Back Scattering Pattern) device manufactured by TexSEM Laboratories. The orientation difference between two crystals is measured with a range of 200 μm × 200 μm and a pitch of 0.5 μm, and a boundary where the crystal orientation difference is 15 ° or more is defined as a large-angle grain boundary. The measurement is performed with 5 fields of view in the above region. Note that measurement points whose confidence index indicating the reliability of the measurement direction is smaller than 0.1 are excluded from the analysis target.
(4) In the grain distribution map, the maximum width (usually along the plate thickness direction) and the maximum length (usually along the rolling direction) of the crystal grain surrounded by the large-angle grain boundary having a crystal orientation difference of 15 ° or more. Length), the area of the crystal grains is calculated, the equivalent circle diameter of the crystal grains is calculated, and the average value is obtained.

《R値》
(1)大角粒界に占めるランダム粒界の割合Rは、上記Dを算出するときと同じ条件で鏡面仕上げを施したサンプルを用い、TexSEM Laboratories社製のEBSP装置で、鏡面研磨面のうち板厚方向の深さt/8位置からt/4位置(tは鋼板の厚み)までの領域において測定範囲を200μm×200μm、ピッチを0.5μmとして2つの結晶の方位差を測定する。測定は、上記領域において5視野で行う。なお、測定方位の信頼性を示すコンフィデンス・インデックスが0.1よりも小さい測定点は解析対象から除外する。
(2)測定結果のうち、結晶方位差が5.5°未満のものはノイズと考えて削除し、62.5°までの各方位差における分布を求める。
(3)上記(2)の工程で作成した結晶方位差分布と対応粒界マップ(各対応粒界の個数が記載されている表)を対応させることにより、各板厚位置における大角粒界に占めるランダム粒界の割合Rを算出する。具体的には、各対応粒界(Σ1〜49)を結晶方位分布より得られる方位差15°以上の大角粒界の個数で割ることにより、各対応粒界の分布を求め、これを合計し、100%から差し引きくことで、各板厚位置における大角粒界に占めるランダム粒界の割合Rを算出する。各板厚位置における最大のランダム粒界の割合Rを、その圧延材におけるランダム粒界の割合Rとする[対応粒界以外をランダム粒界とする(>Σ49)]。
<< R value >>
(1) The ratio R of the random grain boundaries in the large-angle grain boundaries is a EBSP apparatus manufactured by TexSEM Laboratories, using a sample that has been mirror-finished under the same conditions as when D is calculated. In the region from the depth direction depth t / 8 to t / 4 (where t is the thickness of the steel sheet), the measurement range is 200 μm × 200 μm, the pitch is 0.5 μm, and the orientation difference between the two crystals is measured. The measurement is performed with 5 fields of view in the above region. Note that measurement points whose confidence index indicating the reliability of the measurement direction is smaller than 0.1 are excluded from the analysis target.
(2) Among the measurement results, those having a crystal orientation difference of less than 5.5 ° are considered to be noise and deleted, and the distribution at each orientation difference up to 62.5 ° is obtained.
(3) By associating the crystal orientation difference distribution created in the step (2) with the corresponding grain boundary map (a table in which the number of each corresponding grain boundary is described), the large-angle grain boundary at each plate thickness position The ratio R of the occupied random grain boundary is calculated. Specifically, the distribution of each corresponding grain boundary is obtained by dividing each corresponding grain boundary (Σ1 to 49) by the number of large-angle grain boundaries having an orientation difference of 15 ° or more obtained from the crystal orientation distribution, and summing these distributions. By subtracting from 100%, the ratio R of random grain boundaries to the large angle grain boundaries at each plate thickness position is calculated. The maximum random grain boundary ratio R at each plate thickness position is defined as the random grain boundary ratio R in the rolled material [other than the corresponding grain boundary is set as a random grain boundary (> Σ49)].

なお、対応粒界の測定には、株式会社TSL社の「TSL OIM Data Collection ver5.2」を用い、解析には、株式会社TSL社の「TSL OIM Analysis ver5.0」を用いた。   In addition, “TSL OIM Data Collection ver5.2” manufactured by TSL Co., Ltd. was used for the measurement of the corresponding grain boundary, and “TSL OIM Analysis ver5.0” manufactured by TSL Co., Ltd. was used for the analysis.

次に、鋼板の深さt/8位置からt/4位置(tは鋼板の厚み)までの領域から、鋼板の圧延方向に平行で且つ鋼板の表面に対して垂直な面が露出するようにサンプルを切り出し、これを#150〜#1000までの湿式エメリー研磨紙を用いて研磨し、次いで研磨剤としてダイヤモンドスラリーを用いて鏡面仕上げした。この鏡面研磨面を、2%硝酸−エタノール溶液(ナイタール溶液)でエッチングした後、150μm×200μmの視野を倍率400倍で観察し、画像解析してフェライト分率を測定した。フェライト以外のラス状組織は全てベイナイトと見なした。5視野についてフェライト分率を求め、その平均値を下記表3に示す。   Next, a plane parallel to the rolling direction of the steel plate and perpendicular to the surface of the steel plate is exposed from the region from the depth t / 8 position of the steel plate to the t / 4 position (t is the thickness of the steel plate). A sample was cut and polished using # 150 to # 1000 wet emery polishing paper, and then mirror-finished using diamond slurry as an abrasive. After this mirror-polished surface was etched with a 2% nitric acid-ethanol solution (Nital solution), a 150 μm × 200 μm field of view was observed at a magnification of 400 times, and image analysis was performed to measure the ferrite fraction. All lath structures other than ferrite were regarded as bainite. The ferrite fraction was determined for 5 fields of view, and the average value is shown in Table 3 below.

次に、鋼板の最表面から深さt/4位置(tは鋼板の厚み)までの領域における硬さ、および鋼板の機械的特性(降伏点および引張強度)を測定した。   Next, the hardness in the area | region from the outermost surface of a steel plate to depth t / 4 position (t is the thickness of a steel plate), and the mechanical characteristics (a yield point and tensile strength) of a steel plate were measured.

《硬さ》
鋼板の硬さは、上記Dを算出するときと同じ条件で鏡面仕上げしたサンプルを用い、ビッカース硬さ試験機で測定した。測定は、鋼板の最表面からt/4位置(tは鋼材の厚み)までの領域を1mm間隔で、荷重を98N(10kgf)、測定箇所を20箇所で行った。測定結果のうち最小値を下記表3に示す。
"Hardness"
The hardness of the steel sheet was measured with a Vickers hardness tester using a sample that was mirror-finished under the same conditions as when D was calculated. The measurement was performed at an interval of 1 mm in the region from the outermost surface of the steel plate to the t / 4 position (t is the thickness of the steel material), the load was 98 N (10 kgf), and the measurement locations were 20 locations. The minimum value among the measurement results is shown in Table 3 below.

《機械的特性》
鋼板の深さt/4部位(圧延方向に垂直な方向。C方向。)からNK(日本海事協会)船級が定めるU14A試験片を採取し、JIS Z2241に従って引張試験を行い、降伏点(YP)および引張強度(TS)を測定した。測定結果を下記表3に示す。
《Mechanical properties》
A U14A specimen determined by the NK (Japan Maritime Association) classification is taken from the depth t / 4 part (direction perpendicular to the rolling direction, direction C) of the steel sheet, and subjected to a tensile test according to JIS Z2241, yield point (YP). And tensile strength (TS) was measured. The measurement results are shown in Table 3 below.

次に、鋼板の脆性亀裂伝播停止特性および疲労特性を次の手順で評価した。   Next, the brittle crack propagation stop characteristics and fatigue characteristics of the steel sheet were evaluated by the following procedure.

《脆性亀裂伝播停止特性》
脆性亀裂伝播停止特性は、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」に従って行った。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、この試験片に−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試験体分行い、Kca値を下記式(4)で算出した。下記式(4)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。
《Brittle crack propagation stop characteristics》
The brittle crack propagation stop property was performed in accordance with the “brittle fracture propagation stop test” defined by the steel type certification test method (established on March 31, 2003) published by the Japan Welding Association (WES). In the test, a test piece having the shape shown in FIG. 7.2 of the brittle fracture propagation stop test method is used, and a temperature gradient is applied to the test piece in an arbitrary temperature range selected from the range of −190 ° C. to + 60 ° C. The four Kca values were calculated by the following formula (4). In the following formula (4), c represents the length from the propagation portion entrance to the brittle crack tip, σ represents the length from the propagation portion entrance to the brittle crack tip, and W represents the propagation portion width.

Figure 0005759109
Figure 0005759109

Tを脆性亀裂先端の温度(単位はK)とし、X軸を1/T、Y軸を算出したKca値として1/TとKca値の相関関係を示すグラフを作成し、4点の近似曲線と273Kとの交点を−10℃でのKca値とした。−10℃でのKca値を下記表3に示す。本発明では、−10℃でのKcaが7000N/mm1.5以上の場合を合格(脆性亀裂伝播停止特性に優れる)とする。 Create a graph showing the correlation between 1 / T and Kca value, where T is the temperature of the brittle crack tip (unit is K), X axis is 1 / T, and Y axis is the calculated Kca value. And the Kca value at -10 ° C. The Kca value at −10 ° C. is shown in Table 3 below. In the present invention, a case where Kca at −10 ° C. is 7000 N / mm 1.5 or more is regarded as acceptable (excellent in brittle crack propagation stopping characteristics).

《疲労特性》
疲労特性は、鋼板のt/4部位から採取した図2に示すミニチュア引張疲労試験片を用い、繰返し数200万回を廻し切りとし、試験停止時における疲労強度を疲労限として測定して評価した。試験条件は、下記の通りである。
<試験条件>
試験環境 :室温、大気中
試験機荷重容量:10kN
負荷様式 :軸力
制御方式 :荷重制御
制御波形 :正弦波
応力比 :R=σmin/σmax=0.1
試験速度 :10〜20Hz
破断繰返数範囲:104〜2×106
測定回数 :4回
試験停止条件 :破断または最大繰返し数到達時(未破断)
《Fatigue properties》
The fatigue characteristics were evaluated by using the miniature tensile fatigue test piece shown in FIG. 2 taken from the t / 4 part of the steel sheet, measuring the fatigue strength at the time of stopping the test as the fatigue limit, with 2 million cycles. . The test conditions are as follows.
<Test conditions>
Test environment: Room temperature, atmospheric test machine load capacity: 10kN
Load mode: Axial force control method: Load control control waveform: Sine wave stress ratio: R = σ min / σ max = 0.1
Test speed: 10-20Hz
Breaking repetition number range: 10 4 to 2 × 10 6
Number of measurements: 4 times Test stop condition: Breaking or when the maximum number of repetitions is reached (unbreaked)

次に、鋼板の衝撃特性と、この鋼板を溶接したときのHAZ靱性を評価した。評価手順を以下に示す。   Next, the impact characteristics of the steel sheet and the HAZ toughness when this steel sheet was welded were evaluated. The evaluation procedure is shown below.

《衝撃特性》
鋼板の衝撃特性は、Vノッチシャルピー試験を行い、脆性破面遷移温度(vTrs)を測定して評価した。測定は、t/4位置からNK(日本海事協会)船級が定めるU4号試験片を採取し、JIS Z2242に従って行った。測定結果を下記表3に示す。
《Shock characteristics》
The impact characteristics of the steel sheet were evaluated by performing a V-notch Charpy test and measuring the brittle fracture surface transition temperature (vTrs). The measurement was performed in accordance with JIS Z2242 by collecting U4 test pieces defined by the NK (Japan Maritime Association) classification from the t / 4 position. The measurement results are shown in Table 3 below.

《HAZ靱性》
溶接時に熱影響を受ける部位(HAZ)の靱性を評価するために、大入熱溶接を模擬して下記に示す溶接再現試験を行った。溶接再現試験は、鋼板のt/4位置から切り出したサンプルが1400℃になる様に加熱し、この温度で30秒間保持した後、冷却する熱サイクルを与えた。冷却速度は、800℃から500℃への冷却時間が300秒となるように調整した。
<< HAZ toughness >>
In order to evaluate the toughness of the part (HAZ) that is affected by heat during welding, the following welding reproduction test was performed by simulating high heat input welding. In the welding reproduction test, a sample cut from the t / 4 position of the steel plate was heated to 1400 ° C., held at this temperature for 30 seconds, and then given a heat cycle for cooling. The cooling rate was adjusted so that the cooling time from 800 ° C. to 500 ° C. was 300 seconds.

冷却後のサンプルの衝撃特性をVノッチシャルピー試験にて測定した。試験は、−20℃において行い、−20℃における吸収エネルギー(vE-20)を測定した。本発明では、vE-20が100J以上の場合を「HAZ靱性に優れている」と評価した。測定結果を下記表3に示す。 The impact characteristics of the sample after cooling were measured by a V-notch Charpy test. The test was performed at −20 ° C., and the absorbed energy (vE −20 ) at −20 ° C. was measured. In the present invention, the case where vE- 20 is 100 J or more was evaluated as “excellent in HAZ toughness”. The measurement results are shown in Table 3 below.

まず、熱間圧延時の累積圧下率と、大角粒界で囲まれた結晶粒の平均円相当直径Dとの関係を図3に示す。図3から、熱間圧延時の累積圧下率を50%以上とすれば、上記平均円相当直径Dを8μm以下にできることが分かる。   First, FIG. 3 shows the relationship between the cumulative rolling reduction during hot rolling and the average equivalent circle diameter D of crystal grains surrounded by large-angle grain boundaries. FIG. 3 shows that the average equivalent circle diameter D can be made 8 μm or less if the cumulative rolling reduction during hot rolling is 50% or more.

次に、復熱による昇温の有無と、大角粒界に占めるランダム粒界の割合Rとの関係を図4に示す。図4から、圧延後に復熱することによって、大角粒界に占めるランダム粒界の割合Rが50面積%以上に増加することが分かる。   Next, FIG. 4 shows the relationship between the presence or absence of temperature rise due to recuperation and the ratio R of random grain boundaries in the large-angle grain boundaries. It can be seen from FIG. 4 that the ratio R of random grain boundaries in the large-angle grain boundaries increases to 50 area% or more by reheating after rolling.

次に、復熱によって昇温した後の平均冷却速度と、鋼板の最表面から深さt/4位置までの領域における硬さの最小値との関係を図5に示す。図5には、下記表2、表3のNo.3〜12の結果をプロットした。図5から、昇温後の平均冷却速度を5℃/秒以上にすれば、表層部の硬さの最小値を190Hv以上できることが分かる。   Next, FIG. 5 shows the relationship between the average cooling rate after the temperature is raised by recuperation and the minimum hardness value in the region from the outermost surface of the steel plate to the depth t / 4 position. FIG. 5 shows the numbers in Tables 2 and 3 below. Results from 3 to 12 were plotted. FIG. 5 shows that the minimum value of the hardness of the surface layer portion can be 190 Hv or more by setting the average cooling rate after the temperature rise to 5 ° C./second or more.

次に、大角粒界で囲まれた結晶粒の平均円相当直径Dと、−10℃でのKca値との関係を図6に示す。図6中、◆は大角粒界に占めるランダム粒界の割合Rが50面積%以上の結果を示しており、■は大角粒界に占めるランダム粒界の割合Rが50面積%未満の結果を示している。図6から、上記平均円相当直径Dを8μm以下に抑えることによって、−10℃におけるKca値を7000N/mm1.5以上にでき、脆性亀裂伝播停止特性を改善できることが分かる。 Next, FIG. 6 shows the relationship between the average equivalent circle diameter D of the crystal grains surrounded by the large-angle grain boundaries and the Kca value at −10 ° C. In FIG. 6, ◆ indicates the result that the ratio R of the random grain boundaries occupying the large angle boundaries is 50 area% or more, and ■ indicates the result that the ratio R of the random grain boundaries occupying the large angle boundaries is less than 50 area%. Show. FIG. 6 shows that by suppressing the average equivalent circle diameter D to 8 μm or less, the Kca value at −10 ° C. can be increased to 7000 N / mm 1.5 or more, and the brittle crack propagation stop characteristic can be improved.

次に、大角粒界に占めるランダム粒界の割合Rと、−10℃でのKca値との関係を図7に示す。図7には、No.1〜3、12、13、14、17、18の結果を示した。図7から、上記ランダム粒界の割合Rを50面積%以上にすることによって、−10℃におけるKca値を7000N/mm1.5以上にでき、脆性亀裂伝播停止特性を改善できることが分かる。 Next, FIG. 7 shows the relationship between the ratio R of random grain boundaries in the large-angle grain boundaries and the Kca value at −10 ° C. In FIG. The results of 1-3, 12, 13, 14, 17, 18 were shown. From FIG. 7, it can be seen that by setting the ratio R of the random grain boundaries to 50 area% or more, the Kca value at −10 ° C. can be made 7000 N / mm 1.5 or more, and the brittle crack propagation stop characteristic can be improved.

次に、鋼板の最表面から深さt/4位置までの領域における硬さの最小値と、疲労限との関係を図8に示す。図8から、表層部における硬さの最小値を190Hv以上とすることによって、疲労限を400MPa以上にでき、疲労特性を改善できることが分かる。   Next, FIG. 8 shows the relationship between the minimum hardness value in the region from the outermost surface of the steel plate to the depth t / 4 position and the fatigue limit. It can be seen from FIG. 8 that by setting the minimum hardness value of the surface layer portion to 190 Hv or more, the fatigue limit can be set to 400 MPa or more, and the fatigue characteristics can be improved.

次に、表3に基づいて考察する。   Next, consideration will be given based on Table 3.

No.1〜3、5〜10、12は、本発明で規定する要件を満足する例であり、表層部における金属組織を適切に制御しているため、脆性亀裂伝播停止特性を改善できている。また、衝撃特性も優れており、鋼材自体の靱性は良好である。特に、No.1〜3、5〜8は、HAZ靱性にも優れている。なお、No.9は、鋼板に含まれるNbがやや多いため、HAZ靱性が若干劣っている。   No. 1-3, 5-10, and 12 are examples that satisfy the requirements defined in the present invention, and because the metallographic structure in the surface layer part is appropriately controlled, the brittle crack propagation stopping characteristics can be improved. Moreover, the impact characteristics are also excellent and the toughness of the steel material itself is good. In particular, no. 1-3 and 5-8 are excellent also in HAZ toughness. In addition, No. No. 9 is slightly inferior in HAZ toughness because Nb contained in the steel plate is slightly more.

本発明で規定する要件を満足する例のうち、No.1〜3、5〜9は、表層部における硬さの最小値を190Hv以上としているため、脆性亀裂伝播停止特性加えて疲労特性にも優れている。一方、No.10、12は、表層部の硬さの最小値が190Hvを下回っているため、疲労特性は改善できていない。   Of the examples satisfying the requirements defined in the present invention, No. 1 to 3 and 5 to 9 are excellent in fatigue characteristics in addition to brittle crack propagation stopping characteristics because the minimum value of the hardness in the surface layer portion is 190 Hv or more. On the other hand, no. In Nos. 10 and 12, since the minimum value of the hardness of the surface layer portion is lower than 190 Hv, the fatigue characteristics cannot be improved.

一方、No.13〜18は、本発明で規定する要件を満足しない例である。これらのうち、No.13、15、16は、大角粒界で囲まれた結晶粒の平均円相当直径Dが、8μmを超えているため、脆性亀裂伝播停止特性を改善できていない。   On the other hand, no. 13 to 18 are examples that do not satisfy the requirements defined in the present invention. Of these, No. In Nos. 13, 15, and 16, since the average equivalent circle diameter D of the crystal grains surrounded by the large-angle grain boundaries exceeds 8 μm, the brittle crack propagation stopping characteristics cannot be improved.

No.14、17、18は、大角粒界で囲まれた結晶粒の平均円相当直径Dは、8μm以下であるが、大角粒界に占めるランダム粒界の割合Rが50面積%を下回っているため、脆性亀裂伝播停止特性を改善できていない。   No. In Nos. 14, 17, and 18, the average circle equivalent diameter D of the crystal grains surrounded by the large-angle grain boundaries is 8 μm or less, but the ratio R of the random grain boundaries in the large-angle grain boundaries is less than 50 area%. The brittle crack propagation stop characteristic has not been improved.

No.10、12は、大角粒界で囲まれた結晶粒の平均円相当直径Dは、8μm以下で、且つ大角粒界に占めるランダム粒界の割合Rが50面積%以上になっているため、脆性亀裂伝播停止特性は優れているが、表層部の硬さの最小値が190Hvを下回っているため、疲労特性を改善できていない。   No. 10 and 12, the average equivalent circle diameter D of the crystal grains surrounded by the large-angle grain boundaries is 8 μm or less, and the ratio R of the random grain boundaries in the large-angle grain boundaries is 50 area% or more. Although the crack propagation stop property is excellent, the fatigue property cannot be improved because the minimum hardness value of the surface layer is less than 190 Hv.

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Claims (9)

C :0.02〜0.12%(「質量%」の意味。以下、化学成分について同じ。)、
Si:0.5%以下(0%を含む)、
Mn:1〜2%、
Nb:0.005〜0.04%、
B :0.0005〜0.003%、
Ti:0.005〜0.02%、
N :0.0040〜0.01%、
P :0.02%以下(0%を含まない)、
S :0.015%以下(0%を含まない)、
Al:0.01〜0.06%を満足し、
残部が鉄および不可避不純物からなる鋼材であり、
前記鋼材の深さt/8位置からt/4位置(tは鋼材の厚み。以下、同じ。)までの領域で金属組織を電子顕微鏡で観察したとき、ベイナイト分率が80面積%以上で、フェライト分率が8面積%以下で、且つ前記金属組織を後方散乱電子回折像法(EBSP法)で観察したとき、下記式(1)および式(2)を満足することを特徴とする脆性亀裂伝播停止特性に優れた鋼材。
D≦8μm ・・・(1)
R≧50面積% ・・・(2)
[但し、式(1)中、Dは、EBSP法で隣接する2つの結晶の方位差を測定し、結晶方位差が15°以上の大角粒界で囲まれた結晶粒の平均円相当直径(μm)を意味する。
また、式(2)中、Rは、上記大角粒界に占めるランダム粒界の割合(面積%)を意味する。]
C: 0.02 to 0.12% (meaning “mass%”; hereinafter the same for chemical components),
Si: 0.5% or less (including 0%),
Mn: 1-2%
Nb: 0.005 to 0.04%,
B: 0.0005-0.003%,
Ti: 0.005 to 0.02%,
N: 0.0040 to 0.01%
P: 0.02% or less (excluding 0%),
S: 0.015% or less (excluding 0%),
Al: 0.01 to 0.06% is satisfied,
The balance is steel consisting of iron and inevitable impurities,
When the metal structure was observed with an electron microscope in the region from the depth t / 8 position of the steel material to the t / 4 position (t is the thickness of the steel material, hereinafter the same), the bainite fraction was 80 area% or more, A brittle crack having a ferrite fraction of 8 area% or less and satisfying the following formulas (1) and (2) when the metal structure is observed by a backscattered electron diffraction image method (EBSP method): Steel material with excellent propagation stop characteristics.
D ≦ 8 μm (1)
R ≧ 50 area% (2)
[However, in the formula (1), D is an orientation difference between two adjacent crystals measured by the EBSP method, and an average equivalent circle diameter of a crystal grain surrounded by a large-angle grain boundary with a crystal orientation difference of 15 ° or more ( μm).
Moreover, in Formula (2), R means the ratio (area%) of the random grain boundary which occupies for the said large angle grain boundary. ]
前記鋼材が、更に他の元素として、
Ni:0.7%以下(0%を含まない)、
Cu:0.3%以下(0%を含まない)、
Cr:1.5%以下(0%を含まない)、および
Mo:1%以下(0%を含まない)よりなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する請求項1に記載の鋼材。
The steel material is still another element,
Ni: 0.7% or less (excluding 0%),
Cu: 0.3% or less (excluding 0%),
The steel material according to claim 1, comprising at least one selected from the group consisting of Cr: 1.5% or less (not including 0%) and Mo: 1% or less (not including 0%).
前記鋼材が、更に他の元素として、
V :0.1%以下(0%を含まない)を含有する請求項1または2に記載の鋼材。
The steel material is still another element,
The steel material according to claim 1 or 2, containing V: 0.1% or less (not including 0%).
前記鋼材の最表面から深さt/4位置までの領域で硬さを測定したとき、最小値が190Hv以上である請求項1〜3のいずれかに記載の鋼材。   The steel material according to any one of claims 1 to 3, wherein the minimum value is 190 Hv or more when the hardness is measured in a region from the outermost surface of the steel material to a depth t / 4 position. 請求項1〜4のいずれかに記載の鋼材を製造する方法であって、
上記成分組成の鋼材を加熱し、
Ar3点+30℃以下、Ar3点以上の温度範囲で累積圧下率50%以上の圧延を行い、
次いで復熱によってAr3点+30℃超、再結晶温度+20℃以下の温度範囲に昇温した後、
Ar3点以上の温度から500℃以下までを平均速度5℃/秒以上20℃/秒以下で冷却することを特徴とする脆性亀裂伝播停止特性に優れた鋼材の製造方法。
A method for producing the steel material according to any one of claims 1 to 4,
Heat the steel material of the above component composition,
Rolling with a cumulative reduction of 50% or more in a temperature range of Ar 3 point + 30 ° C. or lower and Ar 3 point or higher,
Next, after reheating to a temperature range of Ar 3 point + 30 ° C. and recrystallization temperature + 20 ° C. or lower,
A method for producing a steel material excellent in brittle crack propagation stopping characteristics, characterized in that cooling is carried out at a mean speed of 5 ° C./second or more and 20 ° C./second or less from a temperature of 3 Ar or higher to 500 ° C. or lower.
前記鋼材の加熱温度を1050℃以上とし、加速冷却によって鋼材がAr3点+30℃以下になってからAr3点以上の温度範囲で前記累積圧下率50%以上の圧延を行い、
復熱によって前記Ar3点+30℃超、再結晶温度+20℃以下の温度範囲に昇温する請求項5に記載の製造方法。
The heating temperature of the steel material is set to 1050 ° C. or higher, and rolling is performed at a cumulative reduction ratio of 50% or more in a temperature range of Ar 3 point or higher after the steel material becomes Ar 3 point + 30 ° C. or lower by accelerated cooling.
The manufacturing method according to claim 5, wherein the temperature is raised to a temperature range of Ar 3 point + 30 ° C. and recrystallization temperature + 20 ° C. or less by recuperation.
前記昇温では、Ar3点+30℃超、再結晶温度以下の温度範囲にする請求項5または6に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 5 or 6, wherein the temperature rise is within a temperature range of Ar 3 point + 30 ° C or more and a recrystallization temperature or less. 前記昇温では、再結晶温度−30℃以上、再結晶温度未満の温度範囲にする請求項5〜7のいずれかに記載の製造方法。   The manufacturing method according to any one of claims 5 to 7, wherein the temperature rise is set to a recrystallization temperature of -30 ° C or higher and lower than a recrystallization temperature. 前記昇温の後、圧延してから前記冷却を行う請求項5〜8のいずれかに記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 5, wherein the cooling is performed after rolling after the temperature rise.
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