JP5874290B2 - 耐延性亀裂進展特性に優れた溶接継手用鋼材およびその製造方法 - Google Patents
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Description
この非特許文献1は、高強度鋼管円周溶接部の延性破壊クライテリオンに関するもので、X80およびX100グレード高強度鋼管の母材および円周溶接継手の延性破壊挙動を切欠丸棒試験片と表面切欠付広幅試験片によって調査する技術が開示されている。母材および円周溶接継手に共通して、切欠丸棒試験片で得られた亀裂発生限界歪み(限界相当の塑性歪み)に、表面切欠付広幅試験片のノッチ先端歪が達したときに延性亀裂が発生することから、限界相当塑性歪が試験片サイズに依存しない破壊クライテリオンとして有効であることが述べられている。
従って、この技術は、実際に生じる延性破壊の対応策としてはやはり疑問が残る。
その結果、溶接継手の溶接止端部欠陥からの延性亀裂は、欠陥最深部より発生し、板厚方向に進展し、最終的な亀裂が貫通することで破断に至るが、延性亀裂が進展する過程では亀裂とは反対側の板厚部位に局部的な材料くびれが発生し、この局所くびれにより板厚が減少することで、より亀裂の板厚貫通へと至り易い状況になっていることが判明した。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。
1.内圧がかかり、大きな変形を受けるラインパイプに用いられる鋼材であって、
質量%で、
C:0.03〜0.15%、
Si:0.01〜1%及び
Mn:0.5〜2%
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなり、3〜6%の塑性ひずみ領域において、次式(1)で示される加工硬化率nが0.12以上を満足することを特徴とする耐延性亀裂進展特性に優れた溶接継手用鋼材。
σ=K・εn --- (1)
ここで、σ:真応力(MPa)
ε:真塑性ひずみ(−)
K:定数
n:加工硬化率(%)
Nb:0.005〜0.1%、
V:0.005〜0.1%及び
Ti:0.005〜0.1%
の群から選択された1種または2種以上を含有することを特徴とする上記1に記載の耐延性亀裂進展特性に優れた溶接継手用鋼材。
Cu:0.05〜0.5%、
Ni:0.05〜0.5%、
Cr:0.05〜0.5%及び
Mo:0.05〜0.5%
の群から選択された1種または2種以上を含有することを特徴とする上記1または2に記載の耐延性亀裂進展特性に優れた溶接継手用鋼材。
前記1〜3のいずれかに示す種々の成分組成になる鋼スラブを、1000〜1200℃に加熱し、未再結晶温度域での熱間圧延を行い、熱間圧延された鋼板をAr3〜(Ar3−80℃)の温度域から、5℃/秒以上の平均冷却速度で、500℃以下250℃以上の温度域まで冷却することを特徴とする耐延性亀裂進展特性に優れた溶接継手用鋼材の製造方法。
従って、本発明によれば、鋼構造物が大きな外力(変形量)を受けた場合にも、応力集中部や欠陥からの延性亀裂の進展を効果的に抑制して、鋼構造物の機能維持を図ると共に、許容欠陥寸法(点検・補修に必要な欠陥寸法)を大きくすることが可能となるため、補修等のメンテナンスの長期化も達成でき、鋼構造物の長寿命化および維持コストの削減にも偉効を奏する。
前述したとおり、溶接継手の溶接止端部欠陥からの延性亀裂は、欠陥最深部より発生し、この亀裂が板厚方向に進展して、最終的に板厚を貫通することで破断に至るが、この延性亀裂が進展する過程で亀裂とは反対側の板厚位置に局部的な材料くびれが発生する。
この現象を、図1に示す。
図1は、切欠(初期欠陥)を付与した小型試験片に対し引張試験を行ったときの断面の状態を模式的に示したもので、1が小型試験片であり、10で切欠(初期欠陥)、10aで切欠最深部、20で延性亀裂、30で局所くびれを示す。また、δeffは有効開口変位、a0は初期欠陥深さ、Δaは延性亀裂長さ、Raは局所くびれ量を表わす。
具体的は、3〜6%の塑性ひずみ領域において、次式(1)
σ=K・εn --- (1)
ここで、σ:真応力(MPa)
ε:真塑性ひずみ(−)
K:定数
n:加工硬化率(%)
で示される加工硬化率nを0.12以上に規定することである。
このデータは、溶接部止端部の表面欠陥から延性亀裂が進展するときの延性亀裂の開口変位と進展量の関係について考察したものである。
同図に示したとおり、(Δa+Ra)/tが大きくなると有効開口変位(δeff)量も次第に増大する。
同図に示したとおり、n値が大きくなるほどRa/t比すなわち局所くびれ量は小さくなり、延性亀裂の進展部の抵抗を高めることができる。特にn値が0.12以上になる場合は局所くびれ比(Ra/t)0.11以下となり、溶接継手の板厚に対してくびれ量が10%以下となる優れた値を得ることができた。
本発明の溶接継手用鋼材は、490MPa以上の高強度材であることが好ましいので、成分組成もそれに見合う組成とする必要がある。なお、鋼材中の元素の含有量の単位は何れも「質量%」であるが、以下、特に断らない限り単に「%」で示す。
また、本発明では、その他にも、Nb:0.005〜0.1%、V:0.005〜0.1%及びTi:0.005〜0.1%の群から選択された1種または2種以上、さらにはCu:0.05〜0.5%、Ni:0.05〜0.5%、Cr:0.05〜0.5%及びMo:0.05〜0.5%の群から選択された1種または2種以上を適宜含有させることができる。
C:0.03〜0.15%
Cは、鋼材の強度を確保するとともに、島状マルテンサイトの生成を促進するために必要な元素である。しかしながら、含有量が0.03%未満では島状マルテンサイトの量が不足し、一方0.15%を超えて添加すると溶接性が劣化するので、C量は0.03〜0.15%とする。
Siは、強度を高めるため、また製鋼工程における脱酸剤として添加する。しかしながら、含有量が0.01%未満ではその効果が十分でなく、一方1%を超えて添加すると溶接部の靭性が劣化するので、Si量は0.01〜1%とする。
Mnは、強度を高めるために添加する。しかしながら、含有量が0.5%未満では強度が不足し、一方2%を超えて添加すると母材と溶接部の靭性、さらには溶接性が劣化するので、Mn量は0.5〜2%とする。
Cu,Ni,Cr及びMoは、選択元素であり、強度を高める場合に1種または2種以上を添加する。しかしながら、いずれの元素も、含有量が0.05%未満では効果がなく、一方0.5%を超えると溶接性が劣化するので、これらの元素は単独添加または複合添加いずれの場合も0.05〜0.5%とする。
Nb,V及びTiは、選択元素であり、靭性および強度を高める場合に1種または2種以上を添加する。しかしながら、いずれの元素も、含有量が0.005%未満では効果がなく、一方0.1%を超えると溶接部の靭性が劣化するので、これらの元素は単独添加または複合添加いずれの場合も0.005〜0.1%とする。
上記の好適成分組成に調整した溶鋼を、好ましくは連続鋳造によってスラブとする。ついで得られた鋼スラブを、1000〜1200℃に加熱する。加熱温度が1000℃に満たないと効率低下により製造コストが上昇することになり、一方1200℃を超えるとミクロ組織の粗大化の問題が生じる。上記のスラブ加熱後、未再結晶温度域において熱間圧延を行ったのち、Ar3〜(Ar3−80℃)の温度域から5℃/秒以上の平均冷却速度で500℃以下250℃以上の温度域まで冷却する。
ここに、熱間圧延温度を未再結晶温度域としたのは、最終的なミクロ組織微細化し強度と靱性を両立する理由による。なお、本発明の鋼種における未再結晶温度は概ね950℃〜Ar3の範囲である。また、冷却開始温度を、Ar3〜(Ar3−80℃)の温度域としたのは、冷却開始温度がAr3より高い場合、冷却前のフェライトの析出量が少なくn値を確保できなくなるからであり、一方(Ar3−80℃)より低くなるとパーライトが生成するようになり鋼材の強度が低くなるからである。上記の温度域からの平均冷却速度を5℃/秒以上としたのは、平均冷却速度が5℃/秒に満たないとパーライトが生成するようになり鋼材の所定の強度が確保できなくなるからである。さらに、上記の制御冷却停止温度を500℃以下250℃以上の範囲としたのは、制御冷却停止温度が500℃超ではフェライト主体の組織となりn値を確保するために必要な高強度組織の分率が低下するためであり、一方250℃未満では鋼材の延性が低下するからである。
なお、本発明の鋼材は、溶接継手として使用されるものであるため、板厚は12〜50mm程度とするのが好適である。
実施例1
表1に示す種々の成分組成になる鋼スラブを、加熱後、未再結晶温度域で熱間圧延したのち、Ar3〜(Ar3−80℃)の温度域から、種々の平均冷却速度で、500℃以下250℃以上の温度域まで冷却して鋼板を作製した。スラブ加熱温度、冷却開始温度、冷却速度および冷却停止温度を表2に示す。
得られた鋼板から、同じ溶接材料および溶接条件の下に溶接継手を作製した。この溶接継手の止端部に表面欠陥として長さ:30mm、深さ:4mmの予亀裂を導入し、大変形を与えたときの欠陥からの延性亀裂発生・進展に伴う、くびれの発生およびその成長の様子を観察した。
上記した延性亀裂発生・進展試験にて得られた結果を表2に併記する。
10 切欠(初期欠陥)
10a 切欠最深部
20 延性亀裂
30 局所くびれ
a0 初期欠陥深さ
Δa 延性亀裂長さ
Ra 局所くびれ量
t 初期の板厚と初期欠陥深さとの差
T 初期の板厚
δeff 有効開口変位
Claims (4)
- 内圧がかかり、大きな変形を受けるラインパイプに用いられる鋼材であって、
質量%で、
C:0.03〜0.15%、
Si:0.01〜1%及び
Mn:0.5〜2%
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなり、3〜6%の塑性ひずみ領域において、次式(1)で示される加工硬化率nが0.12以上を満足することを特徴とする耐延性亀裂進展特性に優れた溶接継手用鋼材。
σ=K・εn --- (1)
ここで、σ:真応力(MPa)
ε:真塑性ひずみ(−)
K:定数
n:加工硬化率(%) - 前記鋼材が、質量%で、さらに
Nb:0.005〜0.1%、
V:0.005〜0.1%及び
Ti:0.005〜0.1%
の群から選択された1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の耐延性亀裂進展特性に優れた溶接継手用鋼材。 - 前記鋼材が、質量%で、さらに
Cu:0.05〜0.5%、
Ni:0.05〜0.5%、
Cr:0.05〜0.5%及び
Mo:0.05〜0.5%
の群から選択された1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の耐延性亀裂進展特性に優れた溶接継手用鋼材。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の溶接継手用鋼材の製造方法であって、
請求項1〜3のいずれかに示す種々の成分組成になる鋼スラブを、1000〜1200℃に加熱し、未再結晶温度域での熱間圧延を行い、熱間圧延された鋼板をAr3〜(Ar3−80℃)の温度域から、5℃/秒以上の平均冷却速度で、500℃以下250℃以上の温度域まで冷却することを特徴とする耐延性亀裂進展特性に優れた溶接継手用鋼材の製造方法。
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