JP6064897B2 - High-strength steel material with excellent fatigue crack propagation resistance and its determination method - Google Patents

High-strength steel material with excellent fatigue crack propagation resistance and its determination method Download PDF

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  • Heat Treatment Of Steel (AREA)

Description

本発明は、船舶、海洋構造物、橋梁、建設機械、建築物、タンクなど各種溶接構造物用として好適な鋼材に係り、とくに、繰返し荷重を受ける部材用として好適な、耐疲労き裂伝ぱ特性に優れた高強度鋼材およびその判定方法に関する。ここでいう「鋼材」とは、厚鋼板、形鋼、鋼管、冷延鋼板、熱延鋼板を含むものとする。   The present invention relates to a steel material suitable for various welded structures such as ships, offshore structures, bridges, construction machines, buildings, tanks, and particularly suitable for members subjected to repeated loads, fatigue crack propagation resistance. The present invention relates to a high-strength steel material excellent in and a method for determining the same. The “steel material” here includes thick steel plates, section steels, steel pipes, cold-rolled steel plates, and hot-rolled steel plates.

近年、船舶、海洋構造物、橋梁、建設機械、建築物、タンクなど各種の溶接構造物においては、設計の合理化や鋼材重量の低減、薄肉化や溶接の省力化などを目的として、高強度鋼材が適用される事例が多くなってきている。このため、それら高強度鋼材には、優れた延性、靭性を有していることに加えて、さらに構造安全性を確保するため、優れた耐疲労特性を有していることが要求される。   In recent years, various types of welded structures such as ships, offshore structures, bridges, construction machines, buildings, and tanks have been used to streamline design, reduce steel weight, reduce wall thickness, and save labor in welding. There are an increasing number of cases where is applied. For this reason, in addition to having excellent ductility and toughness, these high-strength steel materials are required to have excellent fatigue resistance properties in order to further ensure structural safety.

溶接構造物においては、溶接止端部から疲労き裂が発生し、鋼材中を伝ぱして構造物が破壊(疲労破壊)するケースが多い。これは、溶接止端部がその形状から応力集中部となりやすいことに加えて、溶接後に引張の残留応力が生じることなどに起因するとされている。
このため、溶接止端部からのき裂発生を抑制する手段として、付加溶接を施すなどして形状を改善し応力集中を低減させる技術や、ショットピーニングなどで圧縮の残留応力を導入する技術などが広く知られている。
In a welded structure, a fatigue crack is often generated from the weld toe and propagates through the steel material, causing the structure to break (fatigue failure) in many cases. This is attributed to the fact that the weld toe portion tends to be a stress concentration portion due to its shape, and that a tensile residual stress is generated after welding.
For this reason, as a means to suppress crack generation from the weld toe, techniques such as additional welding to improve the shape and reduce stress concentration, techniques to introduce compressive residual stress by shot peening, etc. Is widely known.

しかし、このような技術を、多数存在する溶接止端部に工業的規模で施すことは、多大の労力と時間とを必要とし、生産性の観点やコスト面からも現実的とは言いがたい。そこで、仮に、疲労き裂が発生したとしても、その後の鋼材中でのき裂伝ぱ速度を低減させることができれば、溶接構造物の疲労寿命を延長することができるため、鋼材自身の耐疲労き裂伝ぱ特性を向上させることが強く要望されている。   However, applying such a technique to a large number of weld toes on an industrial scale requires a great deal of labor and time, and is not practical from the viewpoint of productivity and cost. . Therefore, even if a fatigue crack occurs, if the subsequent crack propagation rate in the steel material can be reduced, the fatigue life of the welded structure can be extended. There is a strong demand for improved crack propagation characteristics.

このような要望に対して、例えば、非特許文献1には、低炭素鋼における疲労き裂の成長(疲労き裂伝ぱ)に及ぼすミクロ組織の影響についての研究が記載されている。非特許文献1に記載された研究では、軟質相(ビッカース硬さ:149HV)を硬質相(ビッカース硬さ:546HV、分率:39.2%)で網目状に取り囲んだ組織とすることにより、軟質相(ビッカース硬度:148)中に硬質相(ビッカース硬さ:565HV、分率:36.4%、平均サイズ:149μm)を均一分散させた組織よりも、疲労き裂伝播速度が大きく低減するとしている。しかしながら、非特許文献1に記載された鋼板組織は、5段階もの複雑な熱処理を施されて得られたものであり、非特許文献1に記載された複雑な熱処理を通常の鋼板製造に適用するには、生産性の観点から非常に難しいという問題がある。さらに、非特許文献1に記載された組織を有する鋼板では延性が低下しており、このような鋼板を構造物へ適用することについては問題を残していた。   In response to such a demand, for example, Non-Patent Document 1 describes a study on the influence of the microstructure on the growth of fatigue cracks (fatigue crack propagation) in low-carbon steel. In the study described in Non-Patent Document 1, the soft phase (Vickers hardness: 149 HV) is made into a structure surrounded by a hard phase (Vickers hardness: 546 HV, fraction: 39.2%) in the form of a mesh. It is said that the fatigue crack propagation rate is greatly reduced compared to a structure in which a hard phase (Vickers hardness: 565 HV, fraction: 36.4%, average size: 149 μm) is uniformly dispersed in (Vickers hardness: 148). However, the steel sheet structure described in Non-Patent Document 1 is obtained by performing five stages of complicated heat treatment, and the complex heat treatment described in Non-Patent Document 1 is applied to normal steel sheet production. Has a problem that it is very difficult from the viewpoint of productivity. Further, the steel sheet having the structure described in Non-Patent Document 1 has reduced ductility, and there remains a problem with applying such a steel sheet to a structure.

また、特許文献1には、疲労亀裂進展抑制効果を有する鋼板が記載されている。特許文献1に記載された技術では、特定な組成を有するとともに、硬質部の素地とこの素地に分散した軟質部とからな複合組織を有し、かつ硬質部と軟質部との硬度差をビッカース硬さで150HV以上としている。これにより、亀裂先端の転位の移動が、硬質部と軟質部の界面で阻止され、鋼板の亀裂進展抑制特性が向上するとしている。しかし、特許文献1には、延性、靭性等の機械的特性について言及されておらず、特許文献1に記載された技術で製造された鋼板が、構造物用鋼板として十分な特性を具備しているかどうかについては不明のままである。   Patent Document 1 describes a steel sheet having a fatigue crack progress suppressing effect. The technique described in Patent Document 1 has a specific composition, a composite structure composed of a base of a hard part and a soft part dispersed in the base, and the hardness difference between the hard part and the soft part is determined by Vickers. Hardness is over 150HV. Thereby, the movement of dislocations at the crack tip is prevented at the interface between the hard part and the soft part, and the crack growth suppression characteristics of the steel sheet are improved. However, Patent Document 1 does not mention mechanical properties such as ductility and toughness, and the steel plate manufactured by the technique described in Patent Document 1 has sufficient properties as a structural steel plate. Whether it remains unknown.

また、特許文献2には、耐疲労き裂伝播特性に優れた厚鋼材とその製造方法が記載されている。特許文献2に記載された厚鋼材は、質量%で、C:0.04〜0.3%、Si:0.01〜2%、Mn:0.1〜3%、Al:0.001〜0.1%、N:0.001〜0.01%を含む組成で、軟質相と該軟質相を網目状に囲む硬質第二相からなる二相組織を有し、軟質相と硬質第二相とが、次の条件
(1)軟質相がフェライト、焼戻しべーナイト、焼戻しマルテンサイトの1種または2種以上から構成され、かつ平均ビッカース硬さが150以下であること。
Patent Document 2 describes a thick steel material having excellent fatigue crack propagation characteristics and a method for producing the same. The thick steel materials described in Patent Document 2 are, in mass%, C: 0.04 to 0.3%, Si: 0.01 to 2%, Mn: 0.1 to 3%, Al: 0.001 to 0.1%, N: 0.001 to 0.01%. It has a two-phase structure consisting of a soft phase and a hard second phase surrounding the soft phase in a network structure, and the soft phase and the hard second phase have the following conditions. (1) The soft phase is ferrite and tempered. It is composed of one or more of banite and tempered martensite, and the average Vickers hardness is 150 or less.

(2)硬質第二相がベイナイト、マルテンサイト、焼戻しベイナイト、焼戻しマルテンサイトの1種または2種以上から構成され、かつ平均ビッカース硬さが250以上であること。
(3)硬質第二相の粒界占有率(硬質第二相が占めている粒界長さの総和/総粒界長さ)が0.5以上であること。
を全て満足する耐疲労き裂伝播特性に優れた厚鋼材である。特許文献2に記載された技術で製造された厚鋼材を溶接構造部材に用いれば、母材における疲労き裂進展速度をいずれのき裂進展方向においても顕著に抑制できるとしている。しかし、特許文献2に記載された技術では、バンド組織の抑制のため、高温で長時間の拡散焼鈍を必要としており、工程が複雑となり、生産性が低下するという問題を残していた。
(2) The hard second phase is composed of one or more of bainite, martensite, tempered bainite, and tempered martensite, and the average Vickers hardness is 250 or more.
(3) Grain boundary occupancy ratio (total sum of grain boundary lengths occupied by hard second phase / total grain boundary length) of the hard second phase is 0.5 or more.
It is a thick steel material with excellent fatigue crack propagation characteristics that satisfies all the requirements. If a thick steel material manufactured by the technique described in Patent Document 2 is used for a welded structural member, the fatigue crack growth rate in the base metal can be significantly suppressed in any crack propagation direction. However, the technique described in Patent Document 2 requires diffusion annealing at a high temperature for a long time in order to suppress the band structure, which leaves the problem that the process becomes complicated and the productivity is lowered.

また、特許文献3には、疲労強度に優れた厚鋼板が記載されている。特許文献3に記載された厚鋼板は、質量%で、C:0.04〜0.3%、Si:0.01〜2%、Mn:0.1〜3%、Al:0.001〜0.1%、N:0.001〜0.01%を含む組成と、少なくともフェライトと硬質第二相とを含む組織を有し、かつ、表面に平行な断面組織において、(a)硬質第二相の分率:20〜80%、(b)硬質第二相の平均ビッカース硬さ:250〜800、(c)硬質第二相の平均円相当径:10〜200μm、(d)硬質第二相間の最大間隔:500μm以下、を全て満足し、硬質第二相の組織がベイナイト、マルテンサイトのいずれか又は両者の混合組織である厚鋼板である。特許文献3に記載された技術によれば、特殊なあるいは高価な合金元素の多量含有や、複雑な工程を経ることなく、また引張強さや鋼板板厚に大きな制限を受けずに、母材の耐疲労き裂伝播特性を向上させることができるとしている。なお、特許文献3に記載された技術では、厚鋼板の板厚方向での疲労亀裂進展を抑制する特性を向上させることができるが、特許文献3には、厚鋼板の幅方向、長手方向における疲労亀裂進展抑制特性についてまでの言及はなく、厚鋼板の幅方向、長手方向における疲労亀裂進展抑制特性の低下が懸念されるという問題がある。   Patent Document 3 describes a thick steel plate having excellent fatigue strength. The thick steel plate described in Patent Document 3 is in mass%, C: 0.04 to 0.3%, Si: 0.01 to 2%, Mn: 0.1 to 3%, Al: 0.001 to 0.1%, N: 0.001 to 0.01%. And a composition containing at least ferrite and a hard second phase, and having a cross-sectional structure parallel to the surface, (a) a fraction of the hard second phase: 20 to 80%, (b) a hard first The two-phase average Vickers hardness: 250 to 800, (c) the average equivalent circle diameter of the hard second phase: 10 to 200 μm, (d) the maximum distance between the hard second phases: 500 μm or less, It is a thick steel plate whose two-phase structure is either bainite, martensite, or a mixed structure of both. According to the technique described in Patent Document 3, a large amount of a special or expensive alloy element, a complicated process, and a large limit on the tensile strength and the steel plate thickness are not required. It is said that the fatigue crack propagation resistance can be improved. In addition, in the technique described in patent document 3, although the characteristic which suppresses the fatigue crack progress in the plate | board thickness direction of a thick steel plate can be improved, in patent document 3, in the width direction and longitudinal direction of a thick steel plate. There is no mention of the fatigue crack growth inhibition characteristics, and there is a problem that the fatigue crack growth inhibition characteristics in the width direction and the longitudinal direction of the thick steel plate may be lowered.

また、特許文献4には、耐疲労亀裂進展性に優れた鋼板が記載されている。特許文献4に記載された鋼板は、C:0.030〜0.30%、Si:0.50%以下、Mn:0.8〜2.0%、Al:0.01〜0.10%、N:0.010%以下を含む組成を有し、板厚1/4位置において、アスペクト比が2以上で、γ粒内方向に成長した針状フェライトを面積分率で1〜60%含み、長径が5〜100μmの範囲にある針状フェライトの個数割合が80%以上である組織を有する鋼板である。特許文献4に記載された技術では、1面積%以上の針状フェライトを存在させることにより、優れた耐疲労亀裂進展性を有する鋼板になるとしている。しかし、特許文献4では、延性、靭性等の特性について言及されておらず、特許文献4に記載された技術で製造された鋼板が、構造物用鋼板として、耐疲労亀裂進展性以外に必要な特性をバランスよく具備しているかどうかは不明のままである。   Patent Document 4 describes a steel plate having excellent fatigue crack growth resistance. The steel sheet described in Patent Document 4 has a composition including C: 0.030 to 0.30%, Si: 0.50% or less, Mn: 0.8 to 2.0%, Al: 0.01 to 0.10%, N: 0.010% or less, Number ratio of needle-shaped ferrite having an aspect ratio of 2 or more, acicular ferrite grown in the γ grain direction in an area fraction of 1 to 60%, and a major axis ranging from 5 to 100 μm Is a steel sheet having a structure of 80% or more. In the technique described in Patent Document 4, the presence of acicular ferrite having an area of 1 area% or more results in a steel sheet having excellent fatigue crack growth resistance. However, Patent Document 4 does not mention properties such as ductility and toughness, and a steel sheet manufactured by the technique described in Patent Document 4 is necessary as a structural steel sheet in addition to fatigue crack resistance. It remains unclear whether the properties are well balanced.

特許文献5には、耐疲労き裂進展性に優れた鋼板が記載されている。特許文献5に記載された鋼板は、C:0.01〜0.1%、Si:0.03〜0.6%、Mn:0.3〜2%、sol.Al:0.001〜0.1%、N:0.0005〜0.008%を含む組成と、面積率で60〜85%のベイナイトと、合計で0〜5%のマルテンサイトとパーライトと、残部がフェライトである組織を有する鋼板である。特許文献5に記載された技術では、疲労き裂がベイナイトと遭遇すると、その境界でき裂が停留したり、ベイナイトを避けるように屈曲したりしながら進展するため、疲労き裂進展速度が小さくなり、耐疲労き裂進展特性が向上するとしている。しかし、特許文献5には、耐疲労き裂進展特性、靭性についての記載はあるが、構造物用鋼板として重要な、延性、溶接性等についての記載はなく、特許文献5に記載された技術で製造された鋼板が、構造物用鋼板として必要な特性をバランスよく具備しているかどうかについては不明のままである。   Patent Document 5 describes a steel plate having excellent fatigue crack growth resistance. The steel sheet described in Patent Document 5 has a composition containing C: 0.01 to 0.1%, Si: 0.03 to 0.6%, Mn: 0.3 to 2%, sol. Al: 0.001 to 0.1%, N: 0.0005 to 0.008%. , A bainite having an area ratio of 60 to 85%, a total of 0 to 5% martensite and pearlite, and a steel sheet having a structure in which the balance is ferrite. In the technique described in Patent Document 5, when a fatigue crack encounters bainite, the crack propagates at the boundary and is bent while avoiding bainite, so that the fatigue crack growth rate is reduced. The fatigue crack growth resistance is improved. However, in Patent Document 5, there is a description of fatigue crack growth characteristics and toughness, but there is no description of ductility, weldability, etc., which is important as a structural steel sheet, and the technique described in Patent Document 5 It remains unclear whether or not the steel plate manufactured in (1) has the properties necessary for a structural steel plate in a well-balanced manner.

また、特許文献6には、母材靭性と疲労亀裂進展特性に優れた厚鋼板が記載されている。特許文献6に記載された厚鋼板は、質量%で、C:0.030〜0.300%、Si:0.50%以下、Mn:0.80〜2.00%、Al:0.01〜0.10%、N:0.0100%以下を含む組成と、再結晶フェライトからなる軟質部と、マルテンサイトとベイナイトの1種以上からなる硬質部とで主に構成された複相組織とを有し、硬質部の面積分率が15〜85%、平均円相当径が10μm以上、平均硬さがHv200〜700で、かつ硬質部と軟質部の平均硬さの差がHv100以上であり、さらに再結晶フェライト粒の平均円相当径が20μm以下、マルテンサイトとベイナイトの平均ラス長さが5μm以下である厚鋼板である。特許文献6に記載された技術では、十分微細化したフェライトと、加工γから変態したラス長さの短い低温変態相とを組み合わせた複相組織にすることにより、疲労亀裂進展特性と靭性の両特性を両立させることができるとしている。しかし、特許文献6には、疲労亀裂進展速度、靭性以外の実構造物用鋼板として必要な、延性、溶接性等の特性をバランスよく具備しているかどうかについては不明のままである。   Patent Document 6 describes a thick steel plate excellent in base metal toughness and fatigue crack growth characteristics. The thick steel plate described in Patent Document 6 is a composition containing C: 0.030 to 0.300%, Si: 0.50% or less, Mn: 0.80 to 2.00%, Al: 0.01 to 0.10%, N: 0.0100% or less in mass%. And having a soft part composed of recrystallized ferrite and a multiphase structure mainly composed of a hard part composed of one or more of martensite and bainite, and the area fraction of the hard part is 15 to 85%, The average equivalent circle diameter is 10 μm or more, the average hardness is Hv 200 to 700, the difference in average hardness between the hard part and the soft part is Hv 100 or more, and the average equivalent circle diameter of the recrystallized ferrite grains is 20 μm or less. This is a thick steel plate with an average lath length of sight and bainite of 5 μm or less. In the technique described in Patent Document 6, both a fatigue crack growth characteristic and a toughness are obtained by forming a double-phase structure in which a sufficiently refined ferrite and a low-temperature transformation phase with a short lath length transformed from processed γ are combined. It is said that the characteristics can be made compatible. However, Patent Document 6 remains unclear as to whether or not it has a well-balanced property such as ductility and weldability necessary for a steel sheet for actual structures other than fatigue crack growth rate and toughness.

また、特許文献7には、疲労亀裂進展抑制特性に優れた厚鋼板が記載されている。特許文献7に記載された厚鋼板は、重量%で、C:0.04〜0.25%、Si:0.1〜0.5%、Mn:0.4〜2%、sol.Al:0.005〜0.1%、N:0.001〜0.005%、Ti:0〜0.03%、B:0〜0.0025%、Cu:0〜1%、Ni:0〜0.5%、Cr:0〜1%、Mo:0〜0.5%、Nb:0〜0.06%、V:0〜0.1%を含む組成を有し、フェライト相及び1種以上の硬質相からなる混合組織で、フェライト相と各々の硬質相と硬度差がビッカース硬さで150以上、1種以上の硬質相からなる硬質相の集合体はフェライト相のなかで塊状であり、その平均径が6〜50μmである組織を有する厚鋼板である。特許文献7に記載された技術によれば、疲労亀裂が伝播しフェライトと硬質相の界面近傍に到達すると、亀裂先端での塑性変形が抑制されて疲労亀裂の停留が起こり、中程度のΔKの範囲においても、疲労亀裂進展抑制効果に優れるため、溶接部から疲労亀裂が発生した場合でも、従来に比べて疲れ寿命の延長が十分に期待できるとしている。   Patent Document 7 describes a thick steel plate having excellent fatigue crack growth suppression characteristics. The thick steel plate described in Patent Document 7 is, by weight, C: 0.04-0.25%, Si: 0.1-0.5%, Mn: 0.4-2%, sol.Al: 0.005-0.1%, N: 0.001-0.005. %, Ti: 0 to 0.03%, B: 0 to 0.0025%, Cu: 0 to 1%, Ni: 0 to 0.5%, Cr: 0 to 1%, Mo: 0 to 0.5%, Nb: 0 to 0.06% , V: a composition containing 0 to 0.1%, a mixed structure comprising a ferrite phase and one or more hard phases, and the hardness difference between the ferrite phase and each hard phase is 150 or more in terms of Vickers hardness, one or more An aggregate of hard phases composed of the hard phases is a thick steel plate having a structure in which the average diameter is 6 to 50 μm, which is massive in the ferrite phase. According to the technique described in Patent Document 7, when the fatigue crack propagates and reaches the vicinity of the interface between the ferrite and the hard phase, the plastic deformation at the crack tip is suppressed, and the fatigue crack is retained. Even in the range, since the fatigue crack progress suppressing effect is excellent, even when a fatigue crack is generated from the welded portion, it is said that the fatigue life can be sufficiently extended as compared with the conventional case.

また、特許文献8には、疲労き裂伝播特性に優れた厚鋼板が記載されている。特許文献8に記載された厚鋼板は、質量%で、C:0.03〜0.2%、Si:0.01〜1.6%、Mn:0.5〜2%、Al:0.001〜0.1%、N:0.001〜0.008%を含む組成と、ビッカース硬さが150以上のフェライトを母相とし、ビッカース硬さが400〜900、面積率が5〜30%、アスペクト比が3以上の偏平なマルテンサイトを第二相とした層状組織で、フェライトとマルテンサイトの板厚方向の平均層間隔が3〜50μmである疲労き裂伝播特性に優れた厚鋼板である。特許文献8に記載された技術によれば、このような組織の厚鋼板を使用して溶接継手を形成すれば、溶接継手寿命を従来の2倍以上に向上させることができ、溶接構造物の疲労破壊に対する信頼性を向上させることができるとしている。   Patent Document 8 describes a thick steel plate having excellent fatigue crack propagation characteristics. The thick steel plate described in Patent Document 8 is, in mass%, C: 0.03-0.2%, Si: 0.01-1.6%, Mn: 0.5-2%, Al: 0.001-0.1%, N: 0.001-0.008%. A layered composition comprising a ferrite containing a Vickers hardness of 150 or more as a parent phase, a flat martensite having a Vickers hardness of 400 to 900, an area ratio of 5 to 30%, and an aspect ratio of 3 or more as a second phase. It is a steel plate with excellent fatigue crack propagation characteristics with an average layer spacing of 3-50 μm in the thickness direction of ferrite and martensite in the structure. According to the technique described in Patent Document 8, if a welded joint is formed using a thick steel plate having such a structure, the life of the welded joint can be improved more than twice that of the conventional structure. It is said that reliability against fatigue failure can be improved.

また、特許文献9には、疲労亀裂進展抑制効果を有する鋼板が記載されている。特許文献9に記載された鋼板は、質量%で、C:0.03〜0.30%、Si:0.01〜0.5%、Mn:0.3〜2.0%、sol.Al:0.001〜0.1%を含む組成を有し、硬質部Aと軟質部Bとからなり、硬質部が組織全体に占める割合(%)fA、軟質部が組織全体に占める割合(%)fBと、硬質部のビッカース硬さでの平均硬さHA、軟質部のビッカース硬さでの平均硬さHBとが、fA・HA−fB・HB≧−3500を満足する組織を有する鋼板である。特許文献9に記載された技術によれば、中程度のΔKの範囲においても、良好な疲労亀裂進展抑制効果を有する鋼板が得られ、溶接部から疲労亀裂が発生した場合でも、従来に比べて疲れ寿命を延長することができるとしている。   Further, Patent Document 9 describes a steel plate having a fatigue crack progress suppressing effect. The steel sheet described in Patent Document 9 has a composition containing C: 0.03 to 0.30%, Si: 0.01 to 0.5%, Mn: 0.3 to 2.0%, sol. Al: 0.001 to 0.1% in mass%. It consists of hard part A and soft part B. Hard part occupies the whole structure (%) fA, soft part occupies the whole structure (%) fB, and hard part average hardness HA in Vickers hardness HA A steel sheet having a structure in which the average hardness HB in terms of the Vickers hardness of the soft part satisfies fA · HA−fB · HB ≧ −3500. According to the technique described in Patent Document 9, a steel plate having a good fatigue crack progress suppressing effect can be obtained even in a moderate ΔK range, and even when fatigue cracks are generated from the welded portion, compared to the conventional case. The fatigue life can be extended.

また、特許文献10には、疲労き裂伝播遅延鋼材が、また、特許文献11には、疲労き裂進展抑制に優れる鋼材が記載されている。特許文献10、11に記載された鋼材は、質量%で、C:0.02〜0.20%、Si:0.01〜0.45%、Mn:0.5〜2.0%を含み、さらにCu:0.01〜3.0%、Ni:0.01〜1.0%、Cr:0.01〜3.0%、Mo:0.01〜1.0%の一種または二種以上を含む組成と、硬質相と軟質相から構成される組織とを有し、硬質相の組織分率に関連するパラメータVpと、硬質相と軟質相のビッカース硬さ差ΔHvとの積が50以上となる鋼材である。特許文献10、11に記載された技術では、疲労き裂は、き裂前方に硬質相が存在すると、塑性域の拘束などを介して、疲労き裂が硬質相を避けて進展するようになり、き裂の屈曲や分岐が生じるとし、疲労き裂進展速度の低下は、硬質相に遭遇する頻度や、硬質相に遭遇した際に局所的に伝播速度が低下する度合が相乗的に関与しているもの考えられるとしている。   Further, Patent Document 10 describes a fatigue crack propagation delayed steel material, and Patent Document 11 describes a steel material excellent in suppressing fatigue crack propagation. The steel materials described in Patent Documents 10 and 11 contain, in mass%, C: 0.02 to 0.20%, Si: 0.01 to 0.45%, Mn: 0.5 to 2.0%, and Cu: 0.01 to 3.0%, Ni: 0.01. ~ 1.0%, Cr: 0.01 ~ 3.0%, Mo: 0.01 ~ 1.0% of the composition containing one or more and a structure composed of a hard phase and a soft phase. This is a steel material in which the product of the related parameter Vp and the Vickers hardness difference ΔHv between the hard phase and the soft phase is 50 or more. In the techniques described in Patent Documents 10 and 11, when a hard phase is present in front of the crack, the fatigue crack propagates while avoiding the hard phase via restraint of the plastic region. Suppose that crack bending and branching occur, and the decrease in fatigue crack growth rate is synergistically related to the frequency of encountering the hard phase and the extent to which the propagation velocity is locally reduced when encountering the hard phase. It is supposed to be considered.

特許2962134号公報Japanese Patent No. 2962134 特許3785392号公報Japanese Patent No. 3753992 特許3860763号公報Japanese Patent No. 3860763 特許4976749号公報Japanese Patent No. 4976749 特許4466196号公報Japanese Patent No. 4466196 特許4721956号公報Japanese Patent No.4721956 特開平10−60575号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-60575 特開2005−320619号公報JP 2005-320619 特開2002−121640号公報JP 2002-121640 A 特開2008−255468号公報JP 2008-255468 A 特開2008−255469号公報JP 2008-255469 A

H.SUZUKI and A.J.McEVILY : Met. Trans. A, vol.10A(1979), p.475−481H.SUZUKI and A.J.McEVILY: Met. Trans. A, vol.10A (1979), p.475-481

しかしながら、特許文献7には、疲労亀裂進展速度以外の特性についての言及はなく、特許文献7に記載された厚鋼板が、優れた疲労亀裂進展抑制特性とともに、実構造物用鋼板として必要な、強度、延性、靭性、溶接性等の特性をバランスよく具備しているかどうかについては不明のままである。
また、特許文献8に記載された技術によれば、厚鋼板の板厚方向の疲労き裂進展を抑制することができるが、厚鋼板の圧延方向あるいは幅方向の疲労き裂進展までも抑制できるかどうかは不明のままである。また、特許文献8に記載された技術では、硬さ:400HV以上の偏平なマルテンサイトを得るために、仕上圧延温度を低温とし、累積圧下率を高く限定し、しかも急速な加速冷却を施すとしており、製造負荷が大きく、生産性が低下するという問題があった。
However, in Patent Document 7, there is no mention of characteristics other than the fatigue crack growth rate, and the thick steel sheet described in Patent Document 7 is necessary as a steel sheet for actual structures, together with excellent fatigue crack growth suppression characteristics. It remains unclear as to whether the properties such as strength, ductility, toughness and weldability are well balanced.
Further, according to the technique described in Patent Document 8, it is possible to suppress the fatigue crack growth in the thickness direction of the thick steel plate, but it is also possible to suppress the fatigue crack growth in the rolling direction or the width direction of the thick steel plate. Whether it remains unknown. Moreover, in the technique described in Patent Document 8, in order to obtain flat martensite having a hardness of 400 HV or more, the finish rolling temperature is set to a low temperature, the cumulative rolling reduction is limited to a high level, and rapid accelerated cooling is performed. Therefore, there is a problem that the manufacturing load is large and the productivity is lowered.

また、特許文献9に記載された技術では、良好な疲労亀裂進展抑制効果を有する鋼板とするために、軟質相と硬質相との硬さの差を大きくすることを指向している。また、特許文献10、特許文献11に記載された技術では、疲労き裂進展速度が低下するように、硬質相(あるいは軟質相)を面積率で50%近くとなる組織としてVpを大きくし、さらに、軟質相のビッカース硬さと硬質相のビッカース硬さとの差ΔHvを大きくしてVp×ΔHvを大きくし、鋼材の疲労き裂進展速度を低下させている。   Moreover, in the technique described in patent document 9, in order to make it the steel plate which has a favorable fatigue crack progress inhibitory effect, it aims at enlarging the difference of the hardness of a soft phase and a hard phase. Further, in the techniques described in Patent Document 10 and Patent Document 11, Vp is increased as a structure in which the hard phase (or soft phase) is close to 50% in area ratio so that the fatigue crack growth rate is reduced, Furthermore, the difference ΔHv between the Vickers hardness of the soft phase and the Vickers hardness of the hard phase is increased to increase Vp × ΔHv, thereby reducing the fatigue crack growth rate of the steel material.

しかし、特許文献9〜11に記載された技術で製造された、上記したような組織を有する鋼材は、降伏強さや降伏比が極端に低くなる恐れがあり、橋梁などのように、基本的に弾性設計を行う構造物の部材への適用は不向きであるという問題がある。
本発明は、このような従来技術の問題を有利に解決し、高強度で、延性、靱性、溶接性に優れるとともに、耐疲労き裂伝ぱ特性に優れた高強度鋼材およびその判定方法を提供することを目的とする。なお、ここでいう「高強度」とは、降伏点YS(または0.2%耐力)が315MPa以上である高降伏点を有する場合をいうものとする。また、ここでいう「耐疲労き裂伝ぱ特性に優れた」とは、具体的に、疲労き裂伝ぱ速度da/dNが、少なくとも、ΔKI=15MPa√mで1.75×10-8(m/cycle)以下、ΔKI=20MPa√mで4.26×10-8(m/cycle)以下、好ましくはΔKI=25MPa√mで8.50×10-8(m/cycle)以下、となる場合をいう。
However, the steel material having the above-described structure manufactured by the techniques described in Patent Documents 9 to 11 may have extremely low yield strength and yield ratio, and basically, like a bridge. There is a problem that application to a member of a structure that performs elastic design is unsuitable.
The present invention advantageously solves such problems of the prior art, and provides a high-strength steel material having high strength, excellent ductility, toughness, weldability, and excellent fatigue crack propagation characteristics, and a method for determining the same. For the purpose. Here, “high strength” refers to a case where the yield point YS (or 0.2% yield strength) has a high yield point of 315 MPa or more. In addition, “excellent fatigue crack propagation characteristics” mentioned here specifically means that the fatigue crack propagation rate da / dN is at least 1.75 × 10 −8 (m / min) when ΔK I = 15 MPa√m. cycle) and below, ΔK I = 20 MPa√m and 4.26 × 10 −8 (m / cycle) or less, preferably ΔK I = 25 MPa√m and 8.50 × 10 −8 (m / cycle) or less.

また、ここでいう「高靭性」とは、供用期間中に疲労を受ける溶接構造物用鋼材の代表として要求される、日本海事協会「鋼船規則(NK船級)のKA32」の規定に準拠して行ったシャルピー衝撃試験における試験温度:0℃での吸収エネルギーvEが31J以上である場合をいうものとする。 The term “high toughness” as used herein conforms to the provisions of “KA 32 of the Steel Ship Rules (NK class)” required by representatives of steels for welded structures that are subject to fatigue during the service period. The test temperature in the Charpy impact test conducted in this way: the case where the absorbed energy vE 0 at 0 ° C. is 31 J or more.

本発明者らは、上記した目的を達成するために、まず、強度、延性、靱性、溶接性と、耐疲労き裂伝ぱ特性とをバランスよく向上させるためのマトリクス組織について、検討した。その結果、降伏点YS:315MPa以上の強度を有する鋼材では、延性、靱性等と耐疲労き裂伝ぱ特性とをバランスよく兼備させるためには、マトリクス組織をフェライト相を主体とする組織とすることが好ましいとの知見を得た。   In order to achieve the above-described object, the present inventors first examined a matrix structure for improving the strength, ductility, toughness, weldability, and fatigue crack propagation characteristics in a well-balanced manner. As a result, in steel materials having a yield point YS: 315 MPa or more, the matrix structure should be made mainly of ferrite phase in order to have a good balance between ductility, toughness, and fatigue crack propagation characteristics. It was found that is preferable.

そして、フェライト相を主体とする組織を有する鋼材の耐疲労き裂伝ぱ特性に及ぼす各種要因について鋭意研究した。その結果、繰返し応力負荷により発生した疲労き裂先端の塑性域寸法に着目し、疲労き裂先端の塑性域寸法と組織の有効組織単位との関係が、疲労き裂伝ぱ速度に大きく影響するという知見を得た。
まず、本発明の基礎となった実験結果について説明する。
In addition, we have intensively studied various factors affecting the fatigue crack propagation characteristics of steel materials with a structure mainly composed of ferrite phase. As a result, paying attention to the plastic zone size at the tip of a fatigue crack generated by repeated stress loading, the relationship between the plastic zone size at the tip of the fatigue crack and the effective structural unit of the structure greatly affects the fatigue crack propagation rate. Obtained knowledge.
First, the experimental results on which the present invention is based will be described.

特定組成の鋼素材に、条件を種々変化させた処理を施して、フェライト単相で、粒径や形態が種々変化した組織を有する鋼板(板厚:25mm)を製造した。得られた鋼板から、図6に示す3種の方向、位置の組合せで、CT試験片および三点曲げ試験片を採取した。CT試験片(T−L)は、負荷方向が鋼板幅方向(T方向)、き裂伝ぱ方向が鋼板圧延方向(L方向)となるように採取した試験片であり、CT試験片(L−T)は、負荷方向が鋼板圧延方向(L方向)、き裂伝ぱ方向が鋼板幅方向(T方向)となるように採取した試験片である。また、三点曲げ試験片(L−Z)は、負荷方向が板厚方向(Z方向)、き裂伝ぱ方向が板厚方向(Z方向)となるように採取した試験片である。なお、試験片厚さは全厚とした。   A steel material having a specific composition was subjected to treatments under various conditions to produce a steel sheet (plate thickness: 25 mm) having a structure with a single ferrite phase and various grain sizes and shapes. From the obtained steel plate, a CT test piece and a three-point bending test piece were collected in a combination of three directions and positions shown in FIG. The CT test piece (TL) is a test piece taken so that the load direction is the steel plate width direction (T direction) and the crack propagation direction is the steel plate rolling direction (L direction). T) is a test piece sampled so that the load direction is the steel plate rolling direction (L direction) and the crack propagation direction is the steel plate width direction (T direction). The three-point bending test piece (L-Z) is a test piece taken so that the load direction is the plate thickness direction (Z direction) and the crack propagation direction is the plate thickness direction (Z direction). Note that the thickness of the test piece was the total thickness.

採取した試験片を用いて、疲労き裂伝ぱ試験を実施した。なお、試験片サイズ、応力拡大係数の算出方法、疲労き裂伝ぱ試験方法等は、CT試験片を用いる場合にはASTM E647の規定に準拠して、また、三点曲げ試験片を用いる場合には、BS 7448 Part1の規定を参照して、それぞれ決定した。なお、疲労き裂伝ぱ試験は、大気中(室温)で、応力比R=0.1、周波数:20Hzで行った。   A fatigue crack propagation test was performed using the collected specimens. Note that the specimen size, stress intensity factor calculation method, fatigue crack propagation test method, etc. conform to ASTM E647 when using CT specimens, and when using three-point bending specimens. Were determined with reference to the provisions of BS 7448 Part 1. The fatigue crack propagation test was performed in the atmosphere (room temperature) at a stress ratio R = 0.1 and a frequency of 20 Hz.

得られた結果から、モードIの応力拡大係数範囲ΔKI=15MPa√mの時の疲労き裂伝ぱ速度da/dNを求めるとともに、試験片厚さ中央部でΔKI=15MPa√m近辺での500μm区間内における疲労き裂伝ぱ経路を断面観察(図2におけるx−y平面)して疲労き裂の屈曲回数を測定した。得られた結果から、ΔKI=15MPa√mでの疲労き裂伝ぱ速度da/dNとき裂の屈曲回数との関係を求めた。なお、同時に、き裂屈曲時の屈曲長さとき裂進展方向に対する屈曲角度も求めた。得られた結果を図1に示す。 From the obtained results, the fatigue crack propagation rate da / dN in the mode I stress intensity factor range ΔK I = 15 MPa√m was obtained, and at the center of the specimen thickness, ΔK I = 15 MPa√m The fatigue crack propagation path in the 500 μm section was observed in a cross section (xy plane in FIG. 2), and the number of bending of the fatigue crack was measured. From the obtained results, the relationship between the fatigue crack propagation rate da / dN and the number of bending of the crack at ΔK I = 15 MPa√m was obtained. At the same time, the bending length and the bending angle with respect to the crack propagation direction were also determined. The obtained results are shown in FIG.

図1から、疲労き裂の屈曲回数が増加すればするほど、疲労き裂伝ぱ速度が低下することがわかる。このことから、本発明者らは、耐疲労き裂伝ぱ特性を向上させるには、疲労き裂の屈曲回数が増加するような組織とする必要があることに思い至った。
そこで、ΔK=15MPa√mにおける疲労き裂伝ぱ速度da/dNが、目標値である1.75×10−8m/cycle以下の、9.57×10−9m/cycleである鋼材について、観察した疲労き裂の屈曲挙動から、き裂屈曲時の屈曲長さrと、き裂進展方向に対する屈曲角度θとの関係を○印で、図3に示す。なお、屈曲長さr、屈曲角度θは、図2に示すモードI(開口型)の変形様式でのき裂先端を原点とするr−θ−zの円柱座標系で求め、図3ではr−θ座標系で示している。なお、図2には、モードI(開口型)の変形様式について用いる、き裂先端を原点とするx−y−z直交座標系、r−θ−zの円柱座標系を示す。
From FIG. 1, it can be seen that the fatigue crack propagation rate decreases as the number of fatigue crack flexures increases. From this, the present inventors have come to realize that in order to improve the fatigue crack propagation resistance, it is necessary to have a structure in which the number of bending of the fatigue crack is increased.
Therefore, the observed fatigue of a steel material with a fatigue crack propagation rate da / dN at ΔK I = 15 MPa√m of 9.57 × 10 −9 m / cycle, which is the target value of 1.75 × 10 −8 m / cycle or less. From the bending behavior of the crack, the relationship between the bending length r at the time of crack bending and the bending angle θ with respect to the crack propagation direction is shown by a circle in FIG. The bending length r and the bending angle θ are obtained by a cylindrical coordinate system of r−θ−z with the crack tip in the mode I (opening type) deformation mode shown in FIG. 2 as the origin, and r in FIG. It is shown in the -θ coordinate system. FIG. 2 shows an xyz orthogonal coordinate system having a crack tip as an origin and an r-θ-z cylindrical coordinate system used for the mode I (opening type) deformation mode.

図3には、使用した鋼材の平均フェライト粒径を、き裂伝ぱ方向とそれと直角な方向(図2のx方向、y方向)で求め、これを長辺と短辺とし楕円近似して、疲労き裂先端に配置した場合に、r−θ座標系で結晶粒界が示す軌跡を実線で示している。
つぎに、疲労き裂伝ぱ速度に及ぼす、疲労き裂先端での塑性域寸法と組織との関係に着目し、まず、平面歪みでのvon Misesの降伏条件に基づいたき裂先端での塑性域寸法γ(θ)を求めた。γp(θ)は、図2の円柱座標系において、き裂先端から弾塑性境界までの距離を表し、次(6)式
γ(θ)={(KImax×10/4πσ }×{(3/2)sinθ+(1−2ν)(1+cosθ)}‥(6)
で定義される。なお、θは角度(°)、KImaxは対象とするモードIの最大応力拡大係数、σは鋼材の降伏応力(MPa)、νはポアソン比である。ここで、KImaxは、応力比Rと応力拡大係数範囲ΔKとの関係で、次式
KImax=ΔK/(1−R)
を満足する。本発明では、KImaxは5〜35(MPa√m)の範囲内の値とする。
In FIG. 3, the average ferrite grain size of the steel material used is determined in the crack propagation direction and the direction perpendicular to it (x direction, y direction in FIG. 2), and this is approximated as an ellipse with the long side and the short side, When arranged at the tip of a fatigue crack, the locus indicated by the grain boundary in the r-θ coordinate system is indicated by a solid line.
Next, paying attention to the relationship between the plastic zone size at the fatigue crack tip and the microstructure on the fatigue crack propagation rate, first, the plastic zone size at the crack tip based on the von Mises yield condition under plane strain. γ p (θ) was determined. γ p (θ) represents the distance from the crack tip to the elastoplastic boundary in the cylindrical coordinate system of FIG. 2, and the following equation (6) γ p (θ) = {(K Imax ) 2 × 10 6 / 4πσ Y 2 } × {(3/2) sin 2 θ + (1−2ν) 2 (1 + cos θ)} (6)
Defined by Incidentally, theta angle (°), K Imax is the maximum stress intensity factor of mode I of interest, sigma Y is steel yield stress (MPa), [nu is the Poisson's ratio. Here, K Imax is the relationship between the stress ratio R and the stress intensity factor range ΔK I ,
K Imax = ΔK I / (1-R)
Satisfied. In the present invention, K Imax is set to a value in the range of 5 to 35 (MPa√m).

得られたき裂先端から弾塑性境界までの距離γ(θ)、すなわち弾塑性境界を、図3中に破線で示す。
図3から、疲労き裂の屈曲は、概ね実線の範囲内、すなわち結晶粒内で生じており、しかもき裂進展方向(θ:0°)近傍に集中する傾向にあることがわかる。また、き裂進展方向(θ:0°)近傍では、き裂先端での塑性域寸法(破線)と、結晶粒界の軌跡(実線)とが近接している。このことから、本発明者らは、き裂先端での塑性域寸法と結晶粒の大きさ(組織単位ともいう)とが、疲労き裂の屈曲を介して、疲労き裂伝ぱ速度に密接に関連していると考えた。なお、ΔK=15MPa√mにおける疲労き裂伝ぱ速度が、目標値である1.75×10−8(m/cycle)を超える鋼材では、き裂の屈曲頻度が少なく、しかも屈曲は結晶粒以外の位置でも多発していた。さらに、き裂先端での塑性域寸法と結晶粒界の軌跡は大きくかけ離れていた。しかも、き裂先端での塑性域と結晶粒界の軌跡は、近接しておらず大きく離れていた。
The obtained distance γ p (θ) from the crack tip to the elastoplastic boundary, that is, the elastoplastic boundary is shown by a broken line in FIG.
From FIG. 3, it can be seen that the bending of the fatigue crack occurs in the range of the solid line, that is, in the crystal grains, and tends to concentrate in the vicinity of the crack propagation direction (θ: 0 °). In the vicinity of the crack propagation direction (θ: 0 °), the plastic zone size (broken line) at the crack tip and the locus (solid line) of the crystal grain boundary are close to each other. From this, the present inventors found that the plastic zone size at the crack tip and the crystal grain size (also referred to as a structural unit) are closely related to the fatigue crack propagation rate through bending of the fatigue crack. I thought it was related. It should be noted that in steel materials where the fatigue crack propagation rate at ΔK I = 15 MPa√m exceeds the target value of 1.75 × 10 −8 (m / cycle), the bending frequency of cracks is low, and the bending is other than for crystal grains. There were many occurrences in the position. In addition, the plastic zone size at the crack tip and the locus of the grain boundary were greatly different. Moreover, the locus of the plastic zone and the grain boundary at the crack tip was not close but far apart.

そこで、本発明者らは、得られた鋼板について実施した疲労き裂伝ぱ試験での、き裂進展方向(θ=0°)でのき裂先端における塑性域寸法を(6)式を用いて算出し、γ*とした。すなわち、γ*は、次(1)式
γ*={(KImax×10/(2πσ )}×(1−2ν)‥‥(1)
で定義される。
Therefore, the present inventors used the equation (6) to determine the plastic zone size at the crack tip in the crack propagation direction (θ = 0 °) in the fatigue crack propagation test conducted on the obtained steel sheet. Calculated and set as γ p *. That is, γ p * is expressed by the following formula (1) γ p * = {(K Imax ) 2 × 10 6 / (2πσ Y 2 )} × (1−2ν) 2 (1)
Defined by

一方、得られた各鋼板について、実施した疲労き裂伝ぱ試験の3種のき裂進展方向(θ=0°)における結晶粒(フェライト粒)の平均値(組織単位)を測定し、(Dαと定義した。
得られたγ*と得られた(Dαとの比、γ*/(Dαを算出し、疲労き裂伝ぱ速度に及ぼすγ*/(Dαの影響を求め、図4に示す。なお、図4には、ΔKI=15MPa√m以外に、ΔKI=20MPa√m、ΔKI=25MPa√mの場合についても示した。γp *は、当然ながらKImaxのレベルに応じて変化している。
On the other hand, for each steel plate obtained, the average value (structure unit) of crystal grains (ferrite grains) in the three crack propagation directions (θ = 0 °) of the fatigue crack propagation test carried out was measured, and (D P ) defined as α .
The ratio of the obtained γ p * to the obtained (D P ) α , γ p * / (D P ) α was calculated, and the effect of γ p * / (D P ) α on the fatigue crack propagation rate Is shown in FIG. In FIG. 4, in addition ΔK I = 15MPa√m, ΔK I = 20MPa√m, also shown for the case of ΔK I = 25MPa√m. Of course, γ p * varies according to the level of KI max .

図4から、応力拡大係数のレベルによらず疲労き裂伝ぱ速度は、とくにγp */(Dαが10以下の領域では、γp */(Dαで一義的に整理可能であり、γp */(Dαが小さくなるにしたがい、疲労き裂伝ぱ速度は明らかに低下するという知見を得た。しかし、γp */(Dαが10を超える領域では、γp */(Dαが増加しても疲労き裂伝ぱ速度の増加は少なく、曲線の傾きは小さく、むしろほぼ水平となり、そして、データのばらつきも大きくなる。すなわち、γp */(Dαが10を超える領域では、γp */(Dαの疲労き裂伝ぱ速度への影響は小さいといえる。これは、き裂先端の塑性域に対し、結晶粒単位が小さくなり、結晶粒単位がき裂の屈曲を起す要因になり難いことを意味する。このような領域ではき裂の進展は、き裂先端の応力場のみによって支配されていると考えられる。 From Fig. 4, the fatigue crack propagation rate is unambiguously organized as γ p * / (D P ) α , especially in the region where γ p * / (D P ) α is 10 or less, regardless of the level of the stress intensity factor. It was possible, and it was found that as γ p * / (D P ) α becomes smaller, the fatigue crack propagation rate clearly decreases. However, γ p * / (D P ) in the region where alpha is greater than 10, γ p * / (D P ) α is small increase in fatigue crack propagation speed increases, the slope of the curve is small, rather substantially It becomes horizontal, and the variation of data becomes large. That, gamma p * / In region (D P) alpha exceeds 10, γ p * / (D P) effects on the Fatigue Crack Growth rate of alpha can be said to be small. This means that the crystal grain unit becomes smaller than the plastic region at the crack tip, and the crystal grain unit is unlikely to cause the crack to be bent. In such a region, the crack growth is considered to be governed only by the stress field at the crack tip.

上記した知見は、フェライト単相組織を有する鋼板について得られたものである。実構造物に適用する鋼材は、使用目的に応じてパーライト、ベイナイト、マルテンサイトのような硬質相を導入した組織として、所望の高強度、高延性、高靱性、さらに優れた溶接性等をバランスよく保持した鋼材としている。
そこで、まず、面積率で50%以上のフェライト相を主相とし、第二相として、パーライト、ベイナイト、マルテンサイトのような硬質相を含む、複合組織を有する鋼材について、疲労き裂伝ぱ挙動を調査した。その結果、疲労き裂は、フェライトからパーライト、ベイナイト、マルテンサイト、あるいはベイナイトからマルテンサイトのように、より硬質な組織へ伝ぱする際には、き裂の屈曲や分岐が生じ、疲労き裂伝ぱ速度が低減することを見出した。さらに、より詳細な観察を行った結果、パーライトでは塊状や層状の境界でもき裂の屈曲が生じていること、ベイナイト、マルテンサイトではパケット境界、ブロック境界などでき裂の屈曲が生じていることを知見した。
The above findings have been obtained for steel sheets having a ferrite single phase structure. The steel material applied to the actual structure balances the desired high strength, high ductility, high toughness, and excellent weldability as a structure with a hard phase such as pearlite, bainite, and martensite, depending on the purpose of use. The steel material is well held.
Therefore, fatigue crack propagation behavior is first observed for steel materials with a composite structure that includes a ferrite phase with an area ratio of 50% or more as the main phase and the second phase as a hard phase such as pearlite, bainite, and martensite. investigated. As a result, when a fatigue crack propagates to a harder structure such as ferrite to pearlite, bainite, martensite, or bainite to martensite, the crack bends and branches, causing fatigue crack propagation. It has been found that the speed is reduced. Furthermore, as a result of more detailed observations, it was confirmed that cracks occurred at the boundaries of massive or layered layers in pearlite, and that cracks occurred at packet boundaries, block boundaries, etc. at bainite and martensite. I found out.

このような知見から、本発明者らは、複合組織においても、フェライト単相組織におけるフェライト結晶粒と同様に、各相にそれぞれき裂の屈曲を生じさせる有効な組織単位があると考えた。そして、本発明者らは、この組織単位を、フェライトでは(Dα、パーライトでは(D、ベイナイトでは(D、マルテンサイトでは(D、とそれぞれ定義した。そして、複合組織全体では、各相のき裂の屈曲への寄与を重み付けできれば、混合則が成り立ち、複合組織における有効組織単位MUeffが新たに定義できることに思い至った。 From such knowledge, the present inventors considered that there is an effective structural unit that causes bending of a crack in each phase, as in the ferrite crystal grains in the ferrite single phase structure, even in the composite structure. Then, the present inventors have found that the organizational unit in the ferrite (D P) alpha, in pearlite (D P) P, a bainite (D P) B, the martensite defined respectively (D P) M, and . Then, in the entire composite structure, if the contribution to the crack bending of each phase can be weighted, the mixing rule is established, and the effective structural unit MU eff in the composite structure can be newly defined.

そして、各相のき裂屈曲への寄与は、各相の組織単位と、各相の面積割合(AR)α、(AR)、(AR)、(AR)に応じて、決定されると考え、各相の組織単位と各相の面積割合の積をその指標として用いることにした。さらにその積に、主相に対する各相の硬さ比を乗じることで、き裂の屈曲への各相の寄与を、主相を基準として重み付けできることを見出した。なお、ここでいう「主相」とは、面積率で50%以上を超える相をいうものとする。 The contribution of each phase to crack bending is determined according to the structural unit of each phase and the area ratio (AR) α , (AR) P , (AR) B , (AR) M of each phase. Therefore, the product of the structural unit of each phase and the area ratio of each phase was used as the index. Furthermore, it has been found that by multiplying the product by the hardness ratio of each phase with respect to the main phase, the contribution of each phase to crack bending can be weighted on the basis of the main phase. Here, the “main phase” refers to a phase with an area ratio exceeding 50%.

すなわち、フェライト相を主相とし、フェライト相より硬質のパーライト相、マルテンサイト相、ベイナイト相を第二相とする複合組織における有効組織単位MUeffは、次式
MUeff=(AR)α×(Dα+(AR)×(D×{(Hv)/(Hv)α}+(AR)×(D×{(Hv)/(Hv)α}+(AR)×(D×{(Hv)/(Hv)α}‥‥(2)
ここで、(AR)α、(AR)、(AR)、(AR):フェライト(α)、パーライト(P)、ベイナイト(B)、マルテンサイト(M)、各相の面積割合(0〜1)、
(Dα、(D、(D、(D:フェライト(α)、パーライト(P)、ベイナイト(B)、マルテンサイト(M)、各相のき裂進展方向における組織単位(μm)、
(Hv)α、(Hv)、(Hv)、(Hv):フェライト(α)、パーライト(P)、ベイナイト(B)、マルテンサイト(M)、各相の平均ビッカース硬さ
で表せることになる。なお、上記した(2)式は、フェライト単相組織である鋼材の場合には、第1項のみとなり、図4に示す結果とも整合する。
That is, the effective structural unit MU eff in a composite structure having a ferrite phase as a main phase and a pearlite phase, a martensite phase, and a bainite phase that are harder than the ferrite phase as
MU eff = (AR) α × (D P ) α + (AR) P × (D P ) P × {(Hv) P / (Hv) α } + (AR) B × (D P ) B × {( Hv) B / (Hv) α } + (AR) M × (D P) M × {(Hv) M / (Hv) α} ‥‥ (2)
Here, (AR) α , (AR) P , (AR) B , (AR) M : ferrite (α), pearlite (P), bainite (B), martensite (M), area ratio of each phase ( 0-1),
(D P ) α , (D P ) P , (D P ) B , (D P ) M : Ferrite (α), pearlite (P), bainite (B), martensite (M), crack of each phase Organizational units in the direction of development (μm),
(Hv) α , (Hv) P , (Hv) B , (Hv) M : Ferrite (α), pearlite (P), bainite (B), martensite (M), expressed in average Vickers hardness of each phase It will be. In the case of a steel material having a ferrite single phase structure, the above formula (2) is only the first term and is consistent with the result shown in FIG.

さらに、フェライト相を主相とし、残部第二相が硬質相からなる複合組織鋼材について、フェライト単相組織の場合と同様に疲労き裂伝ぱ試験を実施し、疲労き裂伝ぱ速度を求めた。得られた疲労き裂伝ぱ速度とγp */MUeffとの関係を算出し、図5に示す。なお、図5中には、フェライト単相組織の場合(○、△、□印)も併記した。図5から、フェライト相を主相とする複合組織においても、フェライト単相同様に、疲労き裂伝ぱ速度は、γp */MUeffで整理でき、そして、γp */MUeffが10以下の領域では、比較的狭いバンド内に整理でき、しかもγp */MUeffが小さくなるほど疲労き裂伝ぱ速度が明確に低下するという知見を得た。すなわち、フェライト相を主相とする複合組織を有する鋼材においても、γp */MUeffが10以下となるような領域では、γp */MUeffが小さくなるほど疲労き裂伝ぱ速度が低下し耐疲労き裂伝ぱ特性が向上するという知見を得た。このことから、使用条件下でγp */MUeffが10以下となるような鋼材は、疲労き裂伝ぱ速度が低下した耐疲労き裂伝ぱ特性が優れた鋼材であるといえることになり、γp */MUeffが10以下という基準が、優れた耐疲労き裂伝ぱ特性を有する鋼材の判定基準として利用可能であることにも思い至った。 Further, a fatigue crack propagation test was performed on the composite structure steel material having the ferrite phase as the main phase and the remaining second phase consisting of the hard phase in the same manner as in the ferrite single-phase structure, and the fatigue crack propagation rate was obtained. The relationship between the obtained fatigue crack propagation rate and γ p * / MU eff was calculated and shown in FIG. In FIG. 5, the case of a ferrite single-phase structure (marks ◯, Δ, □) is also shown. From Figure 5, also in the composite structure of ferrite phase as a main phase, similarly a ferrite single phase, Fatigue Crack Growth rate can organize with γ p * / MU eff, and, γ p * / MU eff is 10 or less In this region, it was found that the fatigue crack propagation rate was clearly reduced as γ p * / MU eff became smaller and could be arranged in a relatively narrow band. That is, even in a steel material having a composite structure with a ferrite phase as the main phase, the fatigue crack propagation rate decreases as γ p * / MU eff decreases in the region where γ p * / MU eff is 10 or less. The knowledge that fatigue crack propagation resistance is improved was obtained. From this, it can be said that steel materials with γ p * / MU eff of 10 or less under the use conditions are steel materials with excellent fatigue crack propagation characteristics with reduced fatigue crack propagation rates. It has also been thought that the criterion that γ p * / MU eff is 10 or less can be used as a criterion for steel materials having excellent fatigue crack propagation resistance.

本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨はつぎの通りである。
(1)質量%で、C:0.02〜0.4%、Si:0.01〜1.0%、Mn:0.5〜3.0%、P:0.05%以下、S:0.05%以下、Sol.Al:0.10%以下を含み、残部Fe及び不可避的不純物からなる組成と、板厚1/4位置において、面積率で50%を超えるフェライトを主相とし、該主相と残部硬質相とからなる組織とを有し、降伏点:315MPa以上の高強度とシャルピー衝撃試験における試験温度:0℃での吸収エネルギーvEが31J以上の高靭性とを有し、次(1)式
γ*={(KImax×10/(2πσ )}×(1−2ν) ‥‥(1)
ここで、KImax:モードIの最大応力拡大係数で、5〜35の範囲内の値(MPa√m)、σ:降伏応力(MPa)、ν:ポアソン比
で定義されるき裂先端塑性域寸法γp *(μm)と、次(2)式
MUeff=(AR)α×(Dα+(AR)×(D×{(Hv)/(Hv)α}+(AR)×(D×{(Hv)/(Hv)α}+(AR)×(D×{(Hv)/(Hv)α}‥‥(2)
ここで、(AR)α、(AR)、(AR)、(AR):フェライト(α)、パーライト(P)、ベイナイト(B)、マルテンサイト(M)、各相の面積割合(0〜1)、
(Dα、(D、(D、(D:フェライト(α)、パーライト(P)、ベイナイト(B)、マルテンサイト(M)、各相のき裂進展方向における組織単位(μm)、ここでいう「き裂進展方向における組織単位」は、き裂進展方向に測定した、き裂の屈曲と密接な関連のある組織単位で、簡便には、フェライト(α)の組織単位(D α はき裂進展方向のフェライト粒径の平均値、パーライト(P)の組織単位(D はき裂進展方向の塊状パーライトの大きさまたは層状パーライトの厚さの平均値、ベイナイト(B)の組織単位(D はき裂進展方向のパケットサイズの平均値、マルテンサイト(M)の組織単位(D はき裂進展方向のパケットサイズの平均値とする、
(Hv)α、(Hv)、(Hv)、(Hv):フェライト(α)、パーライト(P)、ベイナイト(B)、マルテンサイト(M)、各相の平均ビッカース硬さ
で定義されるき裂進展方向における有効組織単位MUeff(μm)とが、次(3)〜(5)式
γ*/MUeff ≦ 10 ‥‥(3)
γ* ≦ 250 ‥‥(4)
MUeff ≦ 150 ‥‥(5)
を満足し、疲労き裂伝ぱ速度da/dNが、少なくとも、ΔK I =15MPa√mで1.75×10 -8 (m/cycle)以下、ΔK I =20MPa√mで4.26×10 -8 (m/cycle)以下であることを特徴とする耐疲労き裂伝ぱ特性に優れた高強度鋼材。
(2)(1)において、前記組成に加えてさらに、質量%で、Cu:3.0%以下、Ni:10%以下、Cr:3.0%以下、Mo:2.0%以下、Nb:0.1%以下、V:0.1%以下、Ti:0.1%以下、B:0.005%以下のうちから選ばれた1種または2種以上を含有することを特徴とする高強度鋼材。
(3)(1)または(2)において、前記組成に加えてさらに、質量%で、Ca:0.010%以下、REM:0.010%以下のうちから選ばれた1種または2種を含有することを特徴とする高強度鋼材
質量%で、C:0.02〜0.4%、Si:0.01〜1.0%、Mn:0.5〜3.0%、P:0.05%以下、S:0.05%以下、Sol.Al:0.10%以下を含み、残部Fe及び不可避的不純物からなる組成と、フェライトが面積率で50%を超え、残部が硬質相からなる組織を有し、降伏点:315MPa以上の高強度を有する高強度鋼材を対象とし、該対象とする高強度鋼材について、組織観察、ビッカース硬さ測定を行って、想定する疲労き裂進展方向における組織を構成する各相の面積割合(AR)、各相の組織単位(DP)、各相の平均ビッカース硬さ(HV)を求め、次(1)式
γ*={(KImax×10/(2πσ )}×(1−2ν) ‥‥(1)
ここで、KImax:モードIの最大応力拡大係数で、5〜35の範囲内の値(MPa√m)、σ:降伏応力(MPa)、ν:ポアソン比(=0.3)
で定義されるき裂先端塑性域寸法γp *(μm)、次(2)式
MUeff=(AR)α×(Dα+(AR)×(D×{(Hv)/(Hv)α}+(AR)×(D×{(Hv)/(Hv)α}+(AR)×(D×{(Hv)/(Hv)α}‥‥(2)
ここで、(AR)α、(AR)、(AR)、(AR):フェライト(α)、パーライト(P)、ベイナイト(B)、マルテンサイト(M)、各相の面積割合(0〜1)、
(Dα、(D、(D、(D:フェライト(α)、パーライト(P)、ベイナイト(B)、マルテンサイト(M)、各相のき裂進展方向における組織単位(μm)、ここでいう「き裂進展方向における組織単位」は、き裂進展方向に測定した、き裂の屈曲と密接な関連のある組織単位で、簡便には、フェライト(α)の組織単位(D α はき裂進展方向のフェライト粒径の平均値、パーライト(P)の組織単位(D はき裂進展方向の塊状パーライトの大きさまたは層状パーライトの厚さの平均値、ベイナイト(B)の組織単位(D はき裂進展方向のパケットサイズの平均値、マルテンサイト(M)の組織単位(D はき裂進展方向のパケットサイズの平均値とする、
(Hv)α、(Hv)P、(Hv)、(Hv):フェライト(α)、パーライト(P)、ベイナイト(B)、マルテンサイト(M)、各相の平均ビッカース硬さ
で定義されるき裂進展方向における有効組織単位MUeff(μm)を算出して、次(3)〜(5)式
γ*/MUeff ≦ 10 ‥‥(3)
γ* ≦ 250 ‥‥(4)
MUeff ≦ 150 ‥‥(5)
を満足する場合を、疲労き裂伝ぱ速度da/dNが、少なくとも、ΔK I =15MPa√mで1.75×10 -8 (m/cycle)以下、ΔK I =20MPa√mで4.26×10 -8 (m/cycle)以下である耐疲労き裂伝ぱ特性に優れた鋼材と判定することを特徴とする耐疲労き裂伝ぱ特性に優れた高強度鋼材の判定方法
)()において、前記組成に加えてさらに、質量%で、Cu:3.0%以下、Ni:10%以下、Cr:3.0%以下、Mo:2.0%以下、Nb:0.1%以下、V:0.1%以下、Ti:0.1%以下、B:0.005%以下のうちから選ばれた1種または2種以上を含有することを特徴とする高強度鋼材の判定方法。
)()または()において、前記組成に加えてさらに、質量%で、Ca:0.010%以下、REM:0.010%以下のうちから選ばれた1種または2種を含有することを特徴とする高強度鋼材の判定方法。
The present invention has been completed based on such findings and further studies. That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) In mass%, C: 0.02-0.4%, Si: 0.01-1.0%, Mn: 0.5-3.0%, P: 0.05% or less, S: 0.05% or less, Sol.Al: 0.10% or less, It has a composition composed of the remaining Fe and inevitable impurities, a ferrite having an area ratio of more than 50% as a main phase at a thickness of 1/4, and a structure composed of the main phase and the remaining hard phase. : High strength of 315 MPa or more and test temperature in Charpy impact test: Absorbed energy vE 0 at 0 ° C and high toughness of 31 J or more.
γ P * = {(K Imax ) 2 × 10 6 / (2πσ Y 2 )} × (1−2ν) 2 (1)
Where K Imax is the maximum stress intensity factor in mode I and is in the range of 5 to 35 (MPa√m), σ Y is the yield stress (MPa), and ν is the crack tip plasticity defined by the Poisson's ratio. Dimension γ p * (μm) and the following equation (2)
MU eff = (AR) α × (D P ) α + (AR) P × (D P ) P × {(Hv) P / (Hv) α } + (AR) B × (D P ) B × {( Hv) B / (Hv) α } + (AR) M × (D P) M × {(Hv) M / (Hv) α} ‥‥ (2)
Here, (AR) α , (AR) P , (AR) B , (AR) M : ferrite (α), pearlite (P), bainite (B), martensite (M), area ratio of each phase ( 0-1),
(D P ) α , (D P ) P , (D P ) B , (D P ) M : Ferrite (α), pearlite (P), bainite (B), martensite (M), crack of each phase The structural unit (μm) in the propagation direction, the “structural unit in the crack propagation direction” here, is a structural unit closely related to the bending of the crack measured in the crack propagation direction. organizational unit (D P) of the (alpha) alpha feeling crack propagation direction of the average of the ferrite grain size, organizational unit (D P) P wear of crack propagation direction of the bulk perlite size or layered pearlite pearlite (P) Mean thickness, bainite (B) structural unit (D P ) B is the average packet size in the crack propagation direction, martensite (M) structural unit (D P ) M is the crack propagation direction The average packet size,
(Hv) α , (Hv) P , (Hv) B , (Hv) M : Defined as ferrite (α), pearlite (P), bainite (B), martensite (M), average Vickers hardness of each phase The effective structural unit MU eff (μm) in the crack propagation direction is expressed by the following equations (3) to (5)
γ P * / MU eff ≤ 10 (3)
γ P * ≦ 250 (4)
MU eff ≦ 150 (5)
Satisfies the fatigue crack propagation rate da / dN is at least, ΔK I = 1.75 × 10 -8 (m / cycle) or less 15MPa√m, ΔK I = 20MPa√m at 4.26 × 10 -8 (m / cycle) following der Rukoto-out fatigue and wherein the crack propagation strength steel with excellent properties.
(2) In (1), in addition to the above composition, in terms of mass%, Cu: 3.0% or less, Ni: 10% or less, Cr: 3.0% or less, Mo: 2.0% or less, Nb: 0.1% or less, V : High strength steel material characterized by containing one or more selected from 0.1% or less, Ti: 0.1% or less, B: 0.005% or less.
(3) In (1) or (2), in addition to the above-mentioned composition, it further contains, by mass%, one or two selected from Ca: 0.010% or less, REM: 0.010% or less Characteristic high strength steel .
( 4 ) In mass%, C: 0.02-0.4%, Si: 0.01-1.0%, Mn: 0.5-3.0%, P: 0.05% or less, S: 0.05% or less, Sol.Al: 0.10% or less, The composition consisting of the balance Fe and inevitable impurities, ferrite is more than 50% in area ratio, the balance has a structure consisting of a hard phase, the yield point: high strength steel material having a high strength of 315 MPa or more, For high-strength steel materials of interest, the microstructure observation, Vickers hardness measurement are performed, the area ratio (AR) of each phase constituting the structure in the assumed fatigue crack growth direction, the structural unit (DP) of each phase, each Obtain the average Vickers hardness (HV) of the phase and use the following formula (1)
γ P * = {(K Imax ) 2 × 10 6 / (2πσ Y 2 )} × (1−2ν) 2 (1)
Where K Imax is the maximum stress intensity factor in mode I and is a value in the range of 5 to 35 (MPa√m), σ Y is the yield stress (MPa), and ν is Poisson's ratio (= 0.3).
Crack tip plastic zone dimension γ p * (μm) defined by the following equation (2)
MU eff = (AR) α × (D P ) α + (AR) P × (D P ) P × {(Hv) P / (Hv) α } + (AR) B × (D P ) B × {( Hv) B / (Hv) α } + (AR) M × (D P) M × {(Hv) M / (Hv) α} ‥‥ (2)
Here, (AR) α , (AR) P , (AR) B , (AR) M : ferrite (α), pearlite (P), bainite (B), martensite (M), area ratio of each phase ( 0-1),
(D P ) α , (D P ) P , (D P ) B , (D P ) M : Ferrite (α), pearlite (P), bainite (B), martensite (M), crack of each phase The structural unit (μm) in the propagation direction, the “structural unit in the crack propagation direction” here, is a structural unit closely related to the bending of the crack measured in the crack propagation direction. organizational unit (D P) of the (alpha) alpha feeling crack propagation direction of the average of the ferrite grain size, organizational unit (D P) P wear of crack propagation direction of the bulk perlite size or layered pearlite pearlite (P) Mean thickness, bainite (B) structural unit (D P ) B is the average packet size in the crack propagation direction, martensite (M) structural unit (D P ) M is the crack propagation direction The average packet size,
(Hv) α , (Hv) P , (Hv) B , (Hv) M : Defined by ferrite (α), pearlite (P), bainite (B), martensite (M), average Vickers hardness of each phase The effective structural unit MU eff (μm) in the crack propagation direction is calculated, and the following equations (3) to (5)
γ P * / MU eff ≤ 10 (3)
γ P * ≦ 250 (4)
MU eff ≦ 150 (5)
A case that satisfies the fatigue crack propagation rate da / dN is at least, ΔK I = 1.75 × 10 -8 (m / cycle) or less 15MPa√m, ΔK I = 4.26 in 20MPa√m × 10 -8 ( m / cycle) A method for determining a high strength steel material having excellent fatigue crack propagation characteristics, characterized in that it is determined as a steel material having excellent fatigue crack propagation characteristics .
( 5 ) In ( 4 ), in addition to the above composition, in addition to mass, Cu: 3.0% or less, Ni: 10% or less, Cr: 3.0% or less, Mo: 2.0% or less, Nb: 0.1% or less, V : 0.1% or less, Ti: 0.1% or less, B: One or two or more types selected from 0.005% or less are contained.
( 6 ) In ( 4 ) or ( 5 ), in addition to the above-mentioned composition, it further contains, in mass%, one or two selected from Ca: 0.010% or less and REM: 0.010% or less A method for judging a high strength steel material.

本発明によれば、降伏点:315MPa以上という高い降伏強さを有する高強度鋼材の耐疲労き裂伝ぱ特性を判定でき、強度、延性、靱性、溶接性とをバランスよく兼備し、耐疲労き裂伝ぱ特性に優れた高強度鋼材を提供でき、産業上格段の効果を奏する。また、本発明になる高強度鋼材を、船舶、橋梁、建築物に代表されるような溶接構造物の主要部材に適用すれば、溶接構造物の疲労破壊の安全裕度を拡大できるという効果もある。   According to the present invention, it is possible to determine the fatigue crack propagation characteristics of a high strength steel material having a high yield strength of yield point: 315 MPa or more, and it has a good balance of strength, ductility, toughness, and weldability. High-strength steel material with excellent crack propagation characteristics can be provided. Moreover, if the high-strength steel material according to the present invention is applied to a main member of a welded structure such as a ship, a bridge, or a building, an effect that the safety margin of fatigue fracture of the welded structure can be expanded. is there.

フェライト単相組織鋼板における疲労き裂伝ぱ速度と疲労き裂の屈曲回数との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the fatigue crack propagation rate in a ferrite single phase structure steel plate, and the bending frequency of a fatigue crack. モードI型き裂開口と座標系の関係を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the relationship between a mode I crack opening and a coordinate system. フェライト単相組織鋼板における疲労き裂の屈曲角度θと屈曲き裂長さとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the bending angle (theta) of the fatigue crack in a ferrite single phase structure steel plate, and a bending crack length. フェライト単相組織鋼板の疲労き裂伝ぱ速度とγ*/(Dαとの関係を示すグラフである。Fatigue ferrite single-phase structure steel sheet Crack Propagation speed and gamma P * / is a graph showing the relationship between (D P) α. 複合組織鋼板の疲労き裂伝ぱ速度とγ*/MUeffとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the fatigue crack propagation rate of a structure steel plate, and (gamma) P * / MUeff . 疲労き裂伝ぱ試験片の採取要領を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the sampling procedure of the fatigue crack propagation test piece.

本発明鋼材は、C:0.02〜0.4%、Si:0.01〜1.0%、Mn:0.5〜3.0%、P:0.05%以下、S:0.05%以下、Sol.Al:0.10%以下を含み、残部Fe及び不可避的不純物からなる組成を有する。
まず、本発明鋼材の組成限定理由について説明する。なお、以下、とくに断わらない限り、質量%は単に%で記す。
The steel of the present invention contains C: 0.02 to 0.4%, Si: 0.01 to 1.0%, Mn: 0.5 to 3.0%, P: 0.05% or less, S: 0.05% or less, Sol.Al: 0.10% or less, and the balance Fe And a composition comprising inevitable impurities.
First, the reasons for limiting the composition of the steel of the present invention will be described. Hereinafter, unless otherwise specified, mass% is simply expressed as%.

C:0.02〜0.4%
Cは、強度を増加させる元素であり、所望の高強度を確保するためには、0.02%以上の含有を必要とする。一方、0.4%を超える含有は、溶接性を阻害する。このため、Cは、0.02〜0.4%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.02〜0.35%である。
C: 0.02-0.4%
C is an element that increases the strength, in order to ensure high strength of Nozomu Tokoro require inclusion of 0.02% or more. On the other hand, the content exceeding 0.4% impairs weldability. For this reason, C was limited to the range of 0.02 to 0.4%. In addition, Preferably it is 0.02 to 0.35%.

Si:0.01〜1.0%
Siは、脱酸剤として有効に作用するとともに、強度を増加させ高強度化に寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.01%以上の含有を必要とする。一方、1.0%を超えて含有すると、溶接性、靭性が低下する。このため、Siは0.01〜1.0%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.05〜0.8%である。
Si: 0.01-1.0%
Si is an element that effectively acts as a deoxidizer and contributes to increase in strength by increasing strength. In order to acquire such an effect, 0.01% or more of content is required. On the other hand, when it contains exceeding 1.0%, weldability and toughness will fall. For this reason, Si was limited to the range of 0.01 to 1.0%. In addition, Preferably it is 0.05 to 0.8%.

Mn:0.5〜3.0%
Mnは、焼入れ性の向上を介して強度増加に寄与するとともに、靭性向上に寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.5%以上の含有を必要とする。一方、3.0%を超えて多量に含有すると、溶接性の低下を招く。このため、Mnは0.5〜3.0%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.5〜2.5%である。
Mn: 0.5-3.0%
Mn is an element that contributes to an increase in strength through improvement in hardenability and also contributes to an improvement in toughness. In order to acquire such an effect, 0.5% or more of content is required. On the other hand, if it contains more than 3.0%, weldability is lowered. For this reason, Mn was limited to the range of 0.5 to 3.0%. In addition, Preferably it is 0.5 to 2.5%.

P:0.05%以下
Pは、鋼の靭性を劣化させる元素であり、できるだけ低減することが望ましいが、0.05%までは許容できる。このようなことから、Pは0.05%以下の限定とした。なお、好ましくは0.03%以下である。
S:0.05%以下
Sは、鋼中では硫化物系介在物として存在し、鋼の延性、靭性を低下させる。このため、Sはできるだけ低減することが望ましいが、0.05%までは許容できる。このようなことから、Sは0.05%以下に限定した。なお、好ましくは0.03%以下である。
P: 0.05% or less
P is an element that degrades the toughness of steel, and it is desirable to reduce it as much as possible, but it is acceptable up to 0.05%. Therefore, P is limited to 0.05% or less. In addition, Preferably it is 0.03% or less.
S: 0.05% or less
S exists as sulfide inclusions in steel, and lowers the ductility and toughness of the steel. For this reason, it is desirable to reduce S as much as possible, but 0.05% is acceptable. For these reasons, S is limited to 0.05% or less. In addition, Preferably it is 0.03% or less.

Sol.Al:0.10%以下
Sol.Alは、脱酸剤として作用する元素であり、また、結晶粒の微細化にも寄与する。このような効果を得るためには0.01%以上含有することが望ましいが、0.10%を超えて多量に含有すると、酸化物系介在物が増加し靭性、延性が低下する。このため、Sol.Alは0.10%に限定した。なお。好ましくは0.08%以下である。
Sol.Al: 0.10% or less
Sol.Al is an element that acts as a deoxidizer and also contributes to refinement of crystal grains. In order to acquire such an effect, it is desirable to contain 0.01% or more, but when it contains more than 0.10%, an oxide inclusion will increase and toughness and ductility will fall. For this reason, Sol.Al was limited to 0.10%. Note that. Preferably it is 0.08% or less.

上記した成分が基本の成分であるが、本発明では、上記した基本の組成に加えてさらに、強度、靭性、溶接性、さらには耐候性、耐熱性等の調整を目的として、Cu:3.0%以下、Ni:10%以下、Cr:3.0%以下、Mo:2.0%以下、Nb:0.1%以下、V:0.1%以下、Ti:0.1%以下、B:0.005%以下のうちから選ばれた1種または2種以上、およびまたは、Ca:0.010%以下、REM:0.010%以下のうちから選ばれた1種または2種を、必要に応じて選択して含有できる。   Although the above components are basic components, in the present invention, in addition to the above basic composition, for the purpose of adjusting strength, toughness, weldability, further weather resistance, heat resistance, etc., Cu: 3.0% Below, Ni: 10% or less, Cr: 3.0% or less, Mo: 2.0% or less, Nb: 0.1% or less, V: 0.1% or less, Ti: 0.1% or less, B: 0.005% or less 1 One or two or more species selected from Ca or 0.010% or less and REM or 0.010% or less can be selected and contained as necessary.

Cu:3.0%以下、Ni:10%以下、Cr:3.0%以下、Mo:2.0%以下、Nb:0.1%以下、V:0.1%以下、Ti:0.1%以下、B:0.005%以下のうちから選ばれた1種または2種以上
Cu、Ni、Cr、Mo、Nb、V、Ti、Bは、いずれも強度増加に寄与する元素であり、必要に応じて1種または2種以上を選択して含有できる。
Cuは、固溶して強度増加に寄与するとともに、耐候性向上にも寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.01%以上含有することが望ましい。一方、3.0%を超える多量の含有は、溶接性を低下させるとともに、熱間加工性を低下させ、疵が発生しやすくなる。このため、含有する場合には、Cuは3.0%以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは2.5%以下である。
Cu: 3.0% or less, Ni: 10% or less, Cr: 3.0% or less, Mo: 2.0% or less, Nb: 0.1% or less, V: 0.1% or less, Ti: 0.1% or less, B: 0.005% or less One or more selected
Cu, Ni, Cr, Mo, Nb, V, Ti, and B are all elements that contribute to an increase in strength, and can be selected from one or more as required.
Cu is an element that contributes to increase in strength by solid solution and also contributes to improvement in weather resistance. In order to acquire such an effect, it is desirable to contain 0.01% or more. On the other hand, a large content exceeding 3.0% lowers weldability and hot workability, and tends to generate flaws. For this reason, when it contains, it is preferable to limit Cu to 3.0% or less. More preferably, it is 2.5% or less.

Niは、靭性を向上させるとともに、強度増加にも寄与する元素である。また、Niは、耐候性向上や、Cuを添加した場合に生ずる熱間脆性の改善に有効に寄与する。このような効果を得るためには、0.01%以上含有することが望ましい。一方、10%を超えて含有すると、溶接性が低下するとともに、材料コストの高騰を招く。このようなことから、含有する場合には、Niは10%以下に限定することが好ましい。   Ni is an element that improves toughness and contributes to an increase in strength. Ni also contributes effectively to improving weather resistance and improving hot brittleness that occurs when Cu is added. In order to acquire such an effect, it is desirable to contain 0.01% or more. On the other hand, if the content exceeds 10%, the weldability deteriorates and the material cost increases. For these reasons, when Ni is contained, Ni is preferably limited to 10% or less.

Crは、強度増加に寄与するとともに、耐候性や耐熱性の向上にも寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.01%以上含有することが望ましい。一方、3.0%を超えて多量に含有すると、溶接性、靭性が低下する。このため、含有する場合には、Crは3.0%以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは2.5%以下である。
Moは、強度の増加に寄与するとともに、耐熱性の向上にも寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.01%以上含有することが望ましい。一方、2.0%を超えて含有すると、溶接性、靭性の低下を招く。このため、含有する場合には、Moは2.0%以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは1.5%以下である。
Cr is an element that contributes to an increase in strength and also contributes to an improvement in weather resistance and heat resistance. In order to acquire such an effect, it is desirable to contain 0.01% or more. On the other hand, when it contains more than 3.0%, weldability and toughness are lowered. For this reason, when contained, Cr is preferably limited to 3.0% or less. More preferably, it is 2.5% or less.
Mo is an element that contributes to an increase in strength and an improvement in heat resistance. In order to acquire such an effect, it is desirable to contain 0.01% or more. On the other hand, if the content exceeds 2.0%, weldability and toughness are reduced. For this reason, when it contains, it is preferable to limit Mo to 2.0% or less. More preferably, it is 1.5% or less.

Nbは、熱間圧延時のオーステナイト粒の再結晶を抑制し組織の細粒化を介して、また、固溶強化や析出強化を介して、強度増加に寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.001%以上含有することが望ましい。一方、0.1%を超えて含有すると、靭性の低下を招く。このため、含有する場合には、Nbは0.1%以下に限定することが好ましい。このため、含有する場合にはNbは0.1%以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.07%以下である。   Nb is an element that contributes to an increase in strength through refining of the structure by suppressing recrystallization of austenite grains during hot rolling, and through solid solution strengthening and precipitation strengthening. In order to acquire such an effect, it is desirable to contain 0.001% or more. On the other hand, if it exceeds 0.1%, toughness is reduced. For this reason, when it contains, it is preferable to limit Nb to 0.1% or less. For this reason, when it contains, it is preferable to limit Nb to 0.1% or less. More preferably, it is 0.07% or less.

Vは、Nbと同様に、析出強化により強度増加に寄与する元素である。このような効果を得るためには0.001%以上含有することが望ましい。一方、0.1%を超えて多量に含有すると、靭性、溶接性の低下を招く。このため、含有する場合には、Vは0.1%以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.07%以下である。
Tiは、Nbと同様に析出強化を介して強度増加に寄与するとともに、溶接部靭性の改善にも寄与する。このような効果を得るためには、0.001%以上含有することが望ましい。一方、0.1%を超えて多量に含有すると、材料コストの高騰を招く。このようなことから、含有する場合には、Tiは0.1%以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.07%以下である。
V, like Nb, is an element that contributes to an increase in strength by precipitation strengthening. In order to acquire such an effect, it is desirable to contain 0.001% or more. On the other hand, if the content exceeds 0.1%, the toughness and weldability are lowered. For this reason, when it contains, it is preferable to limit V to 0.1% or less. More preferably, it is 0.07% or less.
Ti, like Nb, contributes to an increase in strength through precipitation strengthening and also contributes to an improvement in weld toughness. In order to acquire such an effect, it is desirable to contain 0.001% or more. On the other hand, if the content exceeds 0.1%, the material cost increases. For these reasons, when Ti is contained, Ti is preferably limited to 0.1% or less. More preferably, it is 0.07% or less.

Bは、焼入れ性向上を介して強度増加に寄与する元素である。このような効果を得るためには0.0005%以上含有することが望ましい。一方、0.005%を超えて多量に含有すると、溶接性が低下する。このため、含有する場合には、Bは0.005%以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.003%以下である。   B is an element that contributes to an increase in strength through improved hardenability. In order to acquire such an effect, it is desirable to contain 0.0005% or more. On the other hand, if the content exceeds 0.005%, weldability decreases. For this reason, when contained, B is preferably limited to 0.005% or less. More preferably, it is 0.003% or less.

Ca:0.010%以下、REM:0.010%以下のうちから選ばれた1種または2種
Ca、REMはいずれも、介在物の形態制御を介して鋼材の延性、靱性向上に寄与する元素であり、必要に応じて選択して1種または2種を含有できる。
Caは、介在物の形態制御を介して鋼材の延性、靱性向上に寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.001%以上含有することが望ましいが、0.010%を超える多量の含有は、靱性の低下を招く。このため、含有する場合には、Caは0.010%以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.005%以下である。
REMは、Caと同様に、介在物の形態制御を介して鋼材の延性、靱性向上に寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.001%以上含有することが望ましいが、0.010%を超える多量の含有は、靱性の低下を招く。このため、含有する場合には、REMは0.010%以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.005%以下である。
One or two selected from Ca: 0.010% or less, REM: 0.010% or less
Both Ca and REM are elements that contribute to the improvement of the ductility and toughness of the steel material through the control of the form of inclusions, and can be selected as necessary to contain one or two kinds.
Ca is an element that contributes to improving the ductility and toughness of steel through the control of the form of inclusions. In order to acquire such an effect, it is desirable to contain 0.001% or more, but when it contains a large amount exceeding 0.010%, the toughness is reduced. For this reason, when it contains, it is preferable to limit Ca to 0.010% or less. More preferably, it is 0.005% or less.
REM, like Ca, is an element that contributes to improving the ductility and toughness of steel materials through the control of the form of inclusions. In order to acquire such an effect, it is desirable to contain 0.001% or more, but when it contains a large amount exceeding 0.010%, the toughness is reduced. For this reason, when it contains, it is preferable to limit REM to 0.010% or less. More preferably, it is 0.005% or less.

上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。なお、不可避的不純物としては、N:0.01%以下、O:0.01%以下が許容できる。
本発明鋼材は、上記した組成を有し、平均的な組織形態となる板厚1/4位置において、面積率で50%を超えるフェライトを主相とし、該主相と残部硬質相とからなる組織を有する。本発明では、耐疲労き裂伝ぱ特性と、強度、延性、靱性、さらには溶接性との両立を図るために、主相としてフェライトを選定した。なお、ここでいう主相とは、面積率で50%を超える分率を有する相をいうものとする。フェライト相の組織分率の上限はとくに限定する必要はないが、所望の降伏強さ:315MPa以上を確保するためには、95%以下とすることが好ましい。また、主相以外の残部は硬質相とする。硬質相としては、パーライト、ベイナイト、マルテンサイトが例示できる。本発明鋼材では、硬質相として、それらのうちの少なくとも1種を含むものとする。このような鋼材であれば、溶接構造物用として必要なvEが31J以上の靭性も確保できる。
The balance other than the above components is Fe and inevitable impurities. Inevitable impurities include N: 0.01% or less and O: 0.01% or less.
The steel material of the present invention has the above-described composition, and has a main phase of ferrite exceeding 50% in terms of area ratio at the position of 1/4 of the plate thickness that is an average microstructure, and consists of the main phase and the remaining hard phase. Have an organization. In the present invention, ferrite is selected as the main phase in order to achieve both fatigue crack propagation resistance and strength, ductility, toughness, and weldability. The main phase here means a phase having a fraction exceeding 50% in area ratio. The upper limit of the structure fraction of the ferrite phase is not particularly limited, but is preferably 95% or less in order to ensure the desired yield strength: 315 MPa or more. The remainder other than the main phase is a hard phase. Examples of the hard phase include pearlite, bainite, and martensite. The steel material of the present invention includes at least one of them as a hard phase. With such a steel material, it is possible to secure a toughness of vJ 0 required for a welded structure of 31 J or more.

そして、本発明鋼材は、上記した組成と上記した組織を有し、かつ降伏強さ:315MPa以上の高強度とvE:31J以上の高靭性とを有し、次(1)式
γ*={(KImax×10/(2πσ )}×(1−2ν) ‥‥(1)
ここで、KImax:モードIの最大応力拡大係数で、5〜35の範囲内の値(MPa√m)、σ:降伏応力(MPa)、ν:ポアソン比
で定義されるき裂先端塑性域寸法γp *(μm)と、次(2)式
MUeff=(AR)α×(Dα+(AR)×(D×{(Hv)/(Hv)α}+(AR)×(D×{(Hv)/(Hv)α}+(AR)×(D×{(Hv)/(Hv)α}‥‥(2)
ここで、(AR)α、(AR)、(AR)、(AR):フェライト(α)、パーライト(P)、ベイナイト(B)、マルテンサイト(M)、各相の面積割合(0〜1)、
(Dα、(D、(D、(D:フェライト(α)、パーライト(P)、ベイナイト(B)、マルテンサイト(M)、各相のき裂進展方向における組織単位(μm)、
(Hv)α、(Hv)、(Hv)、(Hv):フェライト(α)、パーライト(P)、ベイナイト(B)、マルテンサイト(M)、各相の平均ビッカース硬さ
で定義されるき裂進展方向における有効組織単位MUeff(μm)とが、次(3)〜(5)式
γ*/MUeff ≦ 10 ‥‥(3)
γ* ≦ 250 ‥‥(4)
MUeff ≦ 150 ‥‥(5)
を満足する。
And this invention steel material has the above-mentioned composition and the above-mentioned structure, yield strength: high strength of 315 MPa or more, and high toughness of vE 0 : 31 J or more.
γ P * = {(K Imax ) 2 × 10 6 / (2πσ Y 2 )} × (1−2ν) 2 (1)
Where K Imax is the maximum stress intensity factor in mode I and is in the range of 5 to 35 (MPa√m), σ Y is the yield stress (MPa), and ν is the crack tip plasticity defined by the Poisson's ratio. Dimension γ p * (μm) and the following equation (2)
MU eff = (AR) α × (D P ) α + (AR) P × (D P ) P × {(Hv) P / (Hv) α } + (AR) B × (D P ) B × {( Hv) B / (Hv) α } + (AR) M × (D P) M × {(Hv) M / (Hv) α} ‥‥ (2)
Here, (AR) α , (AR) P , (AR) B , (AR) M : ferrite (α), pearlite (P), bainite (B), martensite (M), area ratio of each phase ( 0-1),
(D P ) α , (D P ) P , (D P ) B , (D P ) M : Ferrite (α), pearlite (P), bainite (B), martensite (M), crack of each phase Organizational units in the direction of development (μm),
(Hv) α , (Hv) P , (Hv) B , (Hv) M : Defined as ferrite (α), pearlite (P), bainite (B), martensite (M), average Vickers hardness of each phase The effective structural unit MU eff (μm) in the crack propagation direction is expressed by the following equations (3) to (5)
γ P * / MU eff ≤ 10 (3)
γ P * ≦ 250 (4)
MU eff ≦ 150 (5)
Satisfied.

γ*/MUeffが10以下となる領域では、疲労き裂伝ぱ速度を低減することが可能となり、γ*/MUeffが低下するとともに優れた耐疲労き裂伝ぱ特性を有する鋼材となる。γ*/MUeffが10以下となる領域では、有効組織単位MUeffとき裂先端塑性域寸法γ*とが比較的近い値を示し、き裂の屈曲が組織の方位や異相境界に依存して頻繁に生じるため、疲労き裂伝ぱ速度が急激に低下する。このため、(3)式を満足する鋼材は、耐疲労き裂伝ぱ特性に優れた鋼材であるといえる。一方、γ*/MUeffが10を超えて大きくなる場合には、γ*/MUeffと疲労き裂伝ぱ速度との相関がなくなり、MUeffが低下しても鋼材の耐疲労き裂伝ぱ特性の向上が難しくなる。このようなことから、γ*/MUeffを10以下に限定した。 In the region where γ P * / MU eff is 10 or less, the fatigue crack propagation rate can be reduced, and the steel material has excellent fatigue crack propagation resistance as γ P * / MU eff decreases. . In the region where γ P * / MU eff is 10 or less, the effective structural unit MU eff and the crack tip plastic zone dimension γ P * show relatively close values, and the bending of the crack depends on the orientation of the structure and the phase boundary Therefore, the fatigue crack propagation rate decreases rapidly. For this reason, it can be said that the steel material satisfying the expression (3) is a steel material having excellent fatigue crack propagation characteristics. On the other hand, when γ P * / MU eff exceeds 10 and there is no correlation between γ P * / MU eff and fatigue crack propagation rate, even if MU eff decreases, fatigue crack resistance of steel It becomes difficult to improve propagation characteristics. Therefore, γ P * / MU eff is limited to 10 or less.

したがって、上記した(3)式を満足する鋼材は、耐疲労き裂伝ぱ特性に優れた鋼材であるといえる。そこで、本発明では、上記した(3)式を、耐疲労き裂伝ぱ特性に優れた鋼材の判定のための基本の式とし、(3)式を満足するか否かで、鋼材の耐疲労き裂伝ぱ特性を判定することにした。
つぎに、き裂先端塑性域寸法γ*について説明する。
Therefore, it can be said that the steel material satisfying the above-described expression (3) is a steel material excellent in fatigue crack resistance. Therefore, in the present invention, the above-described equation (3) is used as a basic equation for determining a steel material having excellent fatigue crack propagation characteristics, and the fatigue resistance of the steel material is determined by whether or not the equation (3) is satisfied. It was decided to determine the crack propagation characteristics.
Next, the crack tip plastic zone dimension γ P * will be described.

γ*は、き裂進展方向でのき裂先端における塑性域寸法であり、次(1)式
γ*={(KImax×10/(2πσ )}×(1−2ν) ‥‥(1)
で定義される。ここで、「KImax」は、モードIの最大応力拡大係数であり、5〜35MPa√mの範囲の値とする。「モードI」は、図2に示したようにき裂が開口する変形様式であり、疲労き裂進展に対して支配的なモードである。
γ p * is a plastic zone size at the crack tip in the crack propagation direction, and the following equation (1) γ p * = {(K Imax ) 2 × 10 6 / (2πσ Y 2 )} × (1− 2ν) 2 (1)
Defined by Here, “K Imax ” is the maximum stress intensity factor of mode I, and is a value in the range of 5 to 35 MPa√m. “Mode I” is a deformation mode in which a crack opens as shown in FIG. 2, and is a mode dominant to fatigue crack growth.

なお、KImaxは、次式
KImax=ΔKI/(1-R)
で計算できる。ここで、ΔKIはモードI応力拡大係数範囲(MPa√m)、Rは応力比である。
疲労き裂伝ぱ速度は、一般に、応力拡大係数との関係で3つの領域(領域A〜C)に分けられる。領域Aでは、き裂の進展が認められなくなる下限界へと至る領域であり、領域Bは、き裂が安定的に伝ぱし、き裂伝ぱ速度(対数)と応力拡大係数(対数)の関係で線形的な関係が認められる領域であり、領域Cは、応力拡大係数の増加に伴い疲労き裂伝ぱ速度が急激に増加し不安定破壊へと至る領域である。本発明では、領域Bにおける疲労き裂伝ぱ速度を低減することを目的としている。この領域Bは、通常、最大応力拡大係数KImaxが、5〜35MPa√mの範囲に相当し、このため、鋼材の使用状態に応じてKImaxを、5〜35MPa√mの範囲の値で設定するものとする。KImaxが5MPa√m未満では疲労き裂が停留し、35MPa√mを超えると不安定破壊が生じる。なお、好ましくは10〜30MPa√mの範囲である。また、ここでσは降伏強さまたは0.2%耐力で、疲労き裂の開口方向で測定することが好ましいが、それが困難である場合には、引張試験片が採取できる方向としてもよい。また、νは鋼材のポアソン比で、通常0.3である。
K Imax is the following formula:
K Imax = ΔK I / (1-R)
It can be calculated with Here, ΔK I is the mode I stress intensity factor range (MPa√m), and R is the stress ratio.
The fatigue crack propagation rate is generally divided into three regions (regions A to C) in relation to the stress intensity factor. In region A, the region reaches the lower limit where no crack growth is observed. In region B, the crack propagates stably, and the relationship between the crack propagation rate (logarithm) and the stress intensity factor (logarithm). The region C is a region where a linear relationship is recognized, and the region C is a region where the fatigue crack propagation rate rapidly increases with the increase of the stress intensity factor and leads to unstable fracture. The object of the present invention is to reduce the fatigue crack propagation rate in the region B. In this region B, the maximum stress intensity factor K Imax usually corresponds to a range of 5 to 35 MPa√m. For this reason, the K Imax is a value in the range of 5 to 35 MPa√m depending on the state of use of the steel material. Shall be set. If K Imax is less than 5 MPa√m, the fatigue crack will stop, and if it exceeds 35 MPa√m, unstable fracture occurs. In addition, Preferably it is the range of 10-30 MPa√m. Here, σ Y is the yield strength or 0.2% proof stress, and is preferably measured in the direction of fatigue crack opening. However, if this is difficult, it may be the direction in which a tensile specimen can be collected. Further, ν is the Poisson's ratio of the steel material and is usually 0.3.

なお、本発明鋼材では、γ*は、次(4)式
γ* ≦ 250 ‥‥(4)
を満足する範囲に限定した。γ*が250(μm)を超えて大きくなると、(1)式よりσ:315MPa以上とKImax:5〜35MPa√mの組合せの範疇を超える領域に近くなり、所望の疲労き裂伝ぱ特性の確保が困難となる。また、(3)式を満足する最大のMUeffも大きくなり、強度や靭性との両立が難しくなる。そこで、γ*の上限を250(μm)に限定した。
In the steel of the present invention, γ p * is expressed by the following equation (4)
γ P * ≦ 250 (4)
Is limited to a range that satisfies the above. When gamma P * increases beyond 250 (μm), (1) from equation sigma Y: 315 MPa or more and K Imax: closer to a region beyond the scope of combinations of 5~35MPa√m, Crack Propagation-out desired Fatigue It becomes difficult to ensure the characteristics. In addition, the maximum MU eff that satisfies equation (3) also increases, making it difficult to achieve both strength and toughness. Therefore, the upper limit of γ P * is limited to 250 (μm).

次に、有効組織単位MUeffについて説明する。
本発明でいう「有効組織単位MUeff」は、疲労き裂の屈曲に寄与する組織単位をいう。具体的には、疲労き裂伝ぱ経路と構成組織を参照しながら決定される屈曲を開始する頻度がもっとも高い組織単位をいう。
複合組織を有する鋼材において、疲労き裂の屈曲、すなわち疲労き裂伝ぱ速度の低下は、各相の組織単位の大きさ(D)と、各相の面積割合(AR)に応じて決定されると考え、各相の組織単位(D)と各相の面積割合(AR)の積(AR)×(D)をその指標とした。そして、その積に、主相に対する各相の硬さ比{(Hv)/(Hv)α}を乗じることにより、主相を基準とした各相の組織単位の重み付けができる。これにより、混合則に従って、主相と、主相より硬質の各相を第二相とし、それらの総和をとり、複合組織の有効組織単位MUeffとした。
Next, the effective organizational unit MU eff will be described.
The “effective structural unit MU eff ” in the present invention refers to a structural unit that contributes to bending of a fatigue crack. Specifically, it refers to the tissue unit having the highest frequency of starting bending determined with reference to the fatigue crack propagation path and the constituent structure.
In steel materials having a composite structure, fatigue crack bending, that is, a decrease in fatigue crack propagation rate, is determined in accordance with the size of the structural unit of each phase (D P ) and the area ratio (AR) of each phase. Therefore, the product (AR) × (D P ) of the structural unit (D P ) of each phase and the area ratio (AR) of each phase was used as the index. Then, by multiplying the product by the hardness ratio {(Hv) / (Hv) α } of each phase with respect to the main phase, the weight of the structural unit of each phase based on the main phase can be obtained. Thus, according to the mixing rule, the main phase and each phase harder than the main phase were set as the second phase, and their sum was taken as the effective structural unit MU eff of the composite structure.

主相をフェライト、主相以外の第二相をフェライトより硬質な、パーライト、ベイナイト、マルテンサイトとする複合組織の有効組織単位MUeffは、次(2)式
MUeff=(AR)α×(Dα+(AR)×(D×{(Hv)/(Hv)α}+(AR)×(D×{(Hv)/(Hv)α}+(AR)×(D×{(Hv)/(Hv)α}‥‥(2)
で定義する。
The effective structural unit MU eff of the composite structure in which the main phase is ferrite, the second phase other than the main phase is harder than ferrite, and pearlite, bainite, martensite is expressed by the following equation (2)
MU eff = (AR) α × (D P ) α + (AR) P × (D P ) P × {(Hv) P / (Hv) α } + (AR) B × (D P ) B × {( Hv) B / (Hv) α } + (AR) M × (D P) M × {(Hv) M / (Hv) α} ‥‥ (2)
Define in.

ここで、(AR)α、(AR)、(AR)、(AR)は、フェライト(α)、パーライト(P)、ベイナイト(B)、マルテンサイト(M)、各相の面積割合(0〜1)であり、(各相の面積分率(%))/100で算出される。なお、面積割合は、板厚1/4位置で図2に示したx−y平面において、組織観察を行って、例えば市販の画像解析ソフトを用いて演算し、算出することができる。 Here, (AR) α , (AR) P , (AR) B , (AR) M are ferrite (α), pearlite (P), bainite (B), martensite (M), and the area ratio of each phase (0 to 1) and calculated by (area fraction of each phase (%)) / 100. The area ratio can be calculated by performing tissue observation on the xy plane shown in FIG. 2 at the position of the plate thickness ¼, and using, for example, commercially available image analysis software.

(Dα、(D、(D、(Dは、フェライト(α)、パーライト(P)、ベイナイト(B)、マルテンサイト(M)、各相のき裂進展方向における組織単位(μm)である。
ここでいう「き裂進展方向における組織単位」とは、き裂進展方向に測定した、き裂の屈曲と密接な関連のある組織単位である。
(D P ) α , (D P ) P , (D P ) B , (D P ) M are ferrite (α), pearlite (P), bainite (B), martensite (M), and each phase It is a structural unit (μm) in the crack propagation direction.
The “structural unit in the crack propagation direction” here is a structural unit closely related to the bending of the crack measured in the crack propagation direction.

き裂の屈曲と密接な関係がある組織単位は、組織の特定をも含めて光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡SEM、透過電子顕微鏡TEM、後方散乱電子回折法(EBSD)等を用いた組織観察から組織単位を決定することができる。なお、必要に応じて、疲労き裂伝ぱ経路の観察により、き裂屈曲長さや屈曲頻度等と組織単位との関係を統計解析して組織単位を決定することが好ましい。   Tissue units closely related to crack bending include structural observation using optical microscope, scanning electron microscope SEM, transmission electron microscope TEM, backscattered electron diffraction (EBSD), etc. Organizational units can be determined. If necessary, it is preferable to determine the tissue unit by statistically analyzing the relationship between the crack bending length, the bending frequency, and the like and the tissue unit by observing the fatigue crack propagation path.

具体的には、フェライト(α)の組織単位(Dαは、疲労き裂の屈曲のほとんどがフェライト結晶粒界と関連していたことから、簡便には、き裂進展方向のフェライト粒径の平均値とする。また、パーライト(P)では、疲労き裂の屈曲と密接な関係があるのは、パーライトコロニーサイズ、塊状パーライトの大きさ、層状のパーライト厚さであるが、本発明では、塊状パーライトであればその大きさ、層状パーライトの場合にはその厚さを疲労き裂進展方向に測定し、その平均値を、パーライト(P)の組織単位(Dとした。また、ベイナイト(B)では、き裂の屈曲と密接な関係があるのは、パケットサイズ,ブロックサイズ,旧オーステナイト粒径であるが、疲労き裂の屈曲のほとんどが、パケットと関連しており、本発明では、簡便には、き裂進展方向のパケットサイズを測定し、その平均値をベイナイトの組織単位(Dとした。また、マルテンサイト(M)では、き裂の屈曲と密接な関係があるのは、パケットサイズ,ブロックサイズ,旧オーステナイト粒径であるが、疲労き裂の屈曲のほとんどが、パケットと関連しており、本発明では、簡便に、き裂進展方向のパケットサイズを測定し、その平均値をマルテンサイトの組織単位(Dとした。 Specifically, since the ferrite (α) structural unit (D P ) α is related to the ferrite grain boundaries, most of the fatigue crack bending is related to the ferrite grains in the crack propagation direction. Use the average diameter. In pearlite (P), the pearlite colony size, bulk pearlite size, and layered pearlite thickness are closely related to fatigue crack flexion. In the case of layered pearlite, its size was measured in the direction of fatigue crack propagation, and the average value was defined as the pearlite (P) structural unit (D P ) P. In bainite (B), the packet size, block size, and prior austenite grain size are closely related to crack bending, but most fatigue crack bending is related to the packet. In the present invention, for convenience, the packet size in the crack propagation direction was measured, and the average value was defined as the bainite structural unit (D P ) B. In martensite (M), the packet size, block size, and prior austenite grain size are closely related to the crack bending, but most of the fatigue crack bending is related to the packet. Therefore, in the present invention, the packet size in the crack propagation direction was measured simply, and the average value was defined as the martensite structural unit (D P ) M.

組織単位の測定方法は、例えば、JIS G 0551(2013)に規定される切断法を用いて統計解析する方法が好ましい。
なお、使用条件が不明の場合には、KImax:5〜35MPa√mの範囲内で任意のKImaxを定め、想定されるき裂進展方向と直角をなす方向(図2のy方向)で引張試験を行い、σを求め、(1)式を用いてき裂先端塑性域寸法γ*を算出し、さらに主相および第二相について想定されるき裂進展方向の組織単位、面積割合、および平均硬さを測定し、(2)式を用いてMUeffを算出することが好ましい。
As a method for measuring the tissue unit, for example, a statistical analysis method using a cutting method defined in JIS G 0551 (2013) is preferable.
Note that when use conditions is unknown, K Imax: set any K Imax within the 5~35MPa√m, in a direction forming a crack propagation direction perpendicular to Ki envisioned (y direction in FIG. 2) Perform a tensile test to determine σ Y , calculate the crack tip plastic zone size γ P * using equation (1), and further assume the structural unit and area ratio in the crack growth direction assumed for the main phase and the second phase It is preferable to measure average hardness and calculate MU eff using equation (2).

なお、本発明の範囲であれば、組織はフェライトを主相とし、パーライト、ベイナイト、マルテンサイトが複合した組織を呈するが、本発明の組織限定範囲をはずれ、ベイニティックフェライト、アシキュラーフェライト、グラニュラーベイナイト等の中間的組織が生じる場合も、組織観察、疲労き裂の経路観察を介して、疲労き裂の屈曲に寄与する各相の組織単位を決定し、各相の面積割合と各相の硬さ測定により、本発明におけると同様に有効組織単位MUeffを決定すればよい。 In addition, within the scope of the present invention, the structure has a ferrite as a main phase, and a structure in which pearlite, bainite, and martensite are combined, but is outside the structure limited range of the present invention, bainitic ferrite, acicular ferrite, Even when an intermediate structure such as granular bainite is generated, the structural unit of each phase that contributes to bending of the fatigue crack is determined through the observation of the structure and the path of the fatigue crack, and the area ratio of each phase and each phase The effective tissue unit MU eff may be determined by measuring the hardness of the same as in the present invention.

なお、有効結晶粒単位MUeffは、150(μm)以下に限定した。MUeffが150を超えて大きくなると、所望の降伏強さ(315MPa)以上を確保できなくなる。また、MUeffが150を超えると靭性が低下し、溶接構造用として適用できなくなる。このため、MUeffは次(5)式
MUeff ≦ 150 ‥‥(5)
を満足するように限定した。なお、好ましくは120(μm)以下である。
The effective grain unit MU eff was limited to 150 (μm) or less. If MU eff exceeds 150, the desired yield strength (315 MPa) or more cannot be secured. Also, if MU eff exceeds 150, the toughness decreases and it cannot be applied for welded structures. Therefore, MU eff is the following equation (5)
MU eff ≦ 150 (5)
It was limited to satisfy. In addition, Preferably it is 120 (micrometer) or less.

また、(Hv)α、(Hv)、(Hv)、(Hv)は、フェライト(α)、パーライト(P)、ベイナイト(B)、マルテンサイト(M)、各相の平均ビッカース硬さ、である。
なお、硬さ測定は、板厚1/4位置にて図2に示したx−y平面において、少なくとも各相5点以上ビッカース硬度計を用いて実施し、その平均値を各相の硬さ(Hv)とする。また、硬さ測定は、粒界や相境界では安定した値を得難いため、粒界間、相境界間の距離が圧痕の4倍以上となるように試験荷重を調整して行うことが好ましい。
Further, (Hv) α , (Hv) P , (Hv) B , (Hv) M are ferrite (α), pearlite (P), bainite (B), martensite (M), average Vickers hardness of each phase That's it.
In addition, hardness measurement is implemented in the xy plane shown in FIG. 2 at a thickness of 1/4 by using a Vickers hardness meter at least 5 points for each phase, and the average value is the hardness of each phase. (Hv). In addition, since it is difficult to obtain a stable value at the grain boundaries and phase boundaries, it is preferable to perform the hardness measurement by adjusting the test load so that the distance between the grain boundaries and the phase boundaries is at least four times the indentation.

本発明では、上記した(1)式で求めたγ*、上記した(2)式で求めたMUeffを用いて、(3)式で疲労き裂伝ぱ特性を判定する。
本発明鋼材は、上記した組成、上記した組織を有し、降伏点YS:315MPa以上、vE:31J以上で、き裂先端塑性域寸法γ*と有効結晶粒単位MUeffとの関係で、(3)〜(5)式を満足する耐疲労き裂伝ぱ特性に優れた高強度鋼材である。
In the present invention, the fatigue crack propagation characteristics are determined by equation (3) using γ P * obtained by the above equation (1) and MU eff obtained by the above equation (2).
The steel of the present invention has the above-described composition and the above-described structure, the yield point YS: 315 MPa or more, vE 0 : 31 J or more, and the relationship between the crack tip plastic zone size γ P * and the effective grain unit MU eff , (3) to (5) are high strength steel materials with excellent fatigue crack propagation characteristics.

次に、本発明鋼材の好ましい製造方法について説明する。
まず、上記した組成を有する溶鋼を、転炉等の常用の溶製方法で溶製し、連続鋳造法等の常用の鋳造方法を用いて鋼素材とする。鋼素材の製造方法はとくに限定されないことはいうまでもない。
得られた鋼素材を、950〜1300℃の温度範囲の温度に加熱した後、900℃以上の温度域での累積圧下率が50%以上で、仕上圧延終了温度を(Ar3変態点−150℃)以上とする熱間圧延を施し、該熱間圧延終了後、5℃/s以上の冷却速度で650℃以下まで冷却する加速冷却を施し、所定形状の鋼材とすることが好ましい。なお、加速冷却を施した後、さらに、Ac1変態点未満の温度で焼戻処理を施してもよい。なお、温度は、鋼材表面温度、冷却速度は鋼材厚さ方向での平均冷却速度とする。
Next, the preferable manufacturing method of this invention steel material is demonstrated.
First, molten steel having the above-described composition is melted by a conventional melting method such as a converter, and is made into a steel material by using a conventional casting method such as a continuous casting method. Needless to say, the manufacturing method of the steel material is not particularly limited.
After the obtained steel material is heated to a temperature in the temperature range of 950 to 1300 ° C, the cumulative rolling reduction in the temperature range of 900 ° C or higher is 50% or higher, and the finish rolling finish temperature is set to (Ar3 transformation point-150 ° C) ) It is preferable to perform hot rolling as described above, and after completion of the hot rolling, accelerated cooling is performed to cool to 650 ° C. or less at a cooling rate of 5 ° C./s or more to obtain a steel material having a predetermined shape. Note that after accelerated cooling, a tempering treatment may be further performed at a temperature lower than the Ac1 transformation point. The temperature is the steel surface temperature, and the cooling rate is the average cooling rate in the steel thickness direction.

なお、熱間圧延をAr3変態点以上、すなわちオーステナイト域圧延とし、加速冷却の前または途中に、冷却速度:5℃/s未満の冷却を5s以上継続する緩冷却を施しても良い。すなわち、得られた鋼素材を、950〜1300℃の温度範囲の温度に加熱した後、900℃以上の温度域での累積圧下率が50%以上で、仕上圧延終了温度をAr3変態点以上とする熱間圧延を施し、該熱間圧延終了後、Ar3変態点から600℃の温度範囲で、5℃/s未満の冷却速度が5s以上継続する緩冷却を含み、5℃/s以上の冷却速度で600℃以下まで冷却する加速冷却を施し、所定形状の鋼材としてもよい。なお、加速冷却を施した後、Ac1変態点未満の温度で焼戻処理を施してもよい。なお、温度は、鋼材表面温度、冷却速度は鋼材厚さ方向での平均冷却速度とする。   Note that the hot rolling may be Ar3 transformation point or more, that is, austenite region rolling, and may be subjected to gentle cooling that continues cooling at a cooling rate of less than 5 ° C./s for 5 seconds or more before or during accelerated cooling. That is, after the obtained steel material is heated to a temperature in the temperature range of 950 to 1300 ° C, the cumulative rolling reduction in the temperature range of 900 ° C or higher is 50% or higher, and the finish rolling finish temperature is set to the Ar3 transformation point or higher. In the temperature range from the Ar3 transformation point to 600 ° C. after the end of the hot rolling, including a slow cooling in which a cooling rate of less than 5 ° C./s continues for 5 seconds or more, and a cooling of 5 ° C./s or more. Accelerated cooling that cools to 600 ° C. or less at a speed may be performed to obtain a steel material having a predetermined shape. Note that after accelerated cooling, tempering treatment may be performed at a temperature lower than the Ac1 transformation point. The temperature is the steel surface temperature, and the cooling rate is the average cooling rate in the steel thickness direction.

また、熱間圧延後、空冷した鋼材に、二相温度域に再加熱したのち、加速冷却を施す熱処理を施しても良い。すなわち、得られた鋼素材を、加熱し熱間圧延を施して室温まで空冷し、所定形状の鋼材としたのち、Ac1変態点以上Ac3変態点未満の温度に再加熱した後、5℃/s以上の冷却速度で600℃以下まで冷却する熱処理を施してもよい。なお、さらに、Ac1変態点未満の温度で焼戻処理を施してもよい。なお、温度は、鋼材表面温度、冷却速度は鋼材厚さ方向での平均冷却速度とする。   In addition, after hot rolling, the air-cooled steel material may be reheated to a two-phase temperature range and then subjected to heat treatment for accelerated cooling. That is, the obtained steel material is heated and hot-rolled and air-cooled to room temperature to form a steel material having a predetermined shape, and then reheated to a temperature not lower than the Ac1 transformation point and lower than the Ac3 transformation point, and then 5 ° C / s. You may perform the heat processing cooled to 600 degrees C or less with the above cooling rate. Further, tempering treatment may be performed at a temperature lower than the Ac1 transformation point. The temperature is the steel surface temperature, and the cooling rate is the average cooling rate in the steel thickness direction.

なお、Ar3変態点は、例えば、次式
Ar3(℃)=910−310C−80Mn−20Cu−15Cr−55Ni−80Mo
(ここで、C、Mn、Cu、Cr、Ni、Mo:各元素の含有量(質量%))
を用いて算出できる。
また、Ac1変態点は、例えば、次式
Ac1(℃)=723−14Mn+22Si−14.4Ni+23.3Cr
(ここで、Mn、Si、Cr、Ni:各元素の含有量(質量%))
を用いて算出できる。
The Ar3 transformation point is, for example, the following formula
Ar3 (° C) = 910−310C−80Mn−20Cu−15Cr−55Ni−80Mo
(Here, C, Mn, Cu, Cr, Ni, Mo: content of each element (mass%))
Can be used to calculate.
The Ac1 transformation point is, for example,
Ac1 (° C) = 723-14Mn + 22Si-14.4Ni + 23.3Cr
(Where Mn, Si, Cr, Ni: content of each element (mass%))
Can be used to calculate.

また、Ac3変態点は、例えば、次式
Ac3(℃)=854−180C+44Si−14Mn−17.8Ni−1.7Cr
(ここで、C、Si、Mn、Ni、Cr:各元素の含有量(質量%))
を用いて算出できる。
また、本発明によれば、対象とする高強度鋼材のなかから、耐疲労き裂伝ぱ特性に優れた高強度鋼材を判定することができる。ここで、対象とする高強度鋼材としては、上記した組成、上記したフェライトが面積率で50%を超え、残部が硬質相からなる組織を有し、降伏強さ315MPa以上である高強度鋼材とする。
The Ac3 transformation point is, for example,
Ac3 (℃) = 854−180C + 44Si-14Mn−17.8Ni−1.7Cr
(Here, C, Si, Mn, Ni, Cr: Content of each element (mass%))
Can be used to calculate.
Moreover, according to this invention, the high strength steel materials excellent in the fatigue crack propagation characteristics can be determined from the target high strength steel materials. Here, as a high strength steel material of interest, the above composition, the above ferrite has an area ratio of more than 50%, the remainder has a structure composed of a hard phase, and a high strength steel material having a yield strength of 315 MPa or more To do.

対象とする鋼材について、き裂が開口する方向(図2におけるy方向)における降伏強さσ、組織の種類とその分率、各相のき裂進展方向における組織単位、各相の平均ビッカース硬さを測定する。そして、得られた値を用いて、(1)、(2)式を用いてき裂先端塑性域寸法γ*と有効組織単位MUeffを算出し、(3)〜(5)式
γ*/MUeff ≦ 10 ‥‥(3)
γ* ≦ 250 ‥‥(4)
MUeff ≦ 150 ‥‥(5)
を満足するか否かを判定する。(3)〜(5)式を満足する場合を、耐疲労き裂伝ぱ特性に優れた鋼材と評価し、一方、(3)〜(5)式を満足できない場合を、耐疲労き裂伝ぱ特性に劣る鋼材と評価することで、鋼材を判定する。上記したように、γ*/MUeffが10以下である鋼材は、疲労き裂伝ぱ速度が低下し、優れた耐疲労き裂伝ぱ特性を有する高強度鋼材である。このような方法によれば、優れた耐疲労き裂伝ぱ特性を有する高強度鋼材を容易に判定することが可能で、溶接構造物の疲労に対する予寿命評価精度が高くなるという利点がある。
Yield strength σ Y in the crack opening direction (y direction in FIG. 2), structure type and fraction, structure unit in crack growth direction of each phase, average Vickers of each phase Measure hardness. Then, using the obtained values, the crack tip plastic zone size γ P * and the effective structural unit MU eff are calculated using the equations (1) and (2), and the equations (3) to (5) are calculated.
γ P * / MU eff ≦ 10 (3)
γ P * ≦ 250 (4)
MU eff ≦ 150 (5)
It is determined whether or not the above is satisfied. When the conditions (3) to (5) are satisfied, the steel material is evaluated as having excellent fatigue crack propagation characteristics. On the other hand, when the conditions (3) to (5) cannot be satisfied, the fatigue crack resistance characteristics are satisfied. The steel material is judged by evaluating it as a steel material inferior to. As described above, a steel material having γ P * / MU eff of 10 or less is a high-strength steel material having a reduced fatigue crack propagation rate and excellent fatigue crack propagation resistance. According to such a method, it is possible to easily determine a high-strength steel material having excellent fatigue crack propagation characteristics, and there is an advantage that the pre-life evaluation accuracy for fatigue of the welded structure is increased.

表1に示す組成の溶鋼を、転炉で溶製し、連続鋳造法で鋳片(鋼素材)とした。   Molten steel having the composition shown in Table 1 was melted in a converter and made into a slab (steel material) by a continuous casting method.

Figure 0006064897
Figure 0006064897

(実施例1)
得られた鋼素材(A,B,D,E,G,H,I,K,M,N,S,T,U)に、製法Aとして、表2に示す条件で加熱、熱間圧延、圧延後加速冷却し、板厚12〜100mmの鋼板とした。なお、一部の鋼板には熱処理(焼戻処理)を施した。
Example 1
To the obtained steel material (A, B, D, E, G, H, I, K, M, N, S, T, U), as manufacturing method A, heating under the conditions shown in Table 2, hot rolling, After the rolling, accelerated cooling was performed to obtain a steel plate having a thickness of 12 to 100 mm. Some of the steel plates were subjected to heat treatment (tempering treatment).

Figure 0006064897
Figure 0006064897

得られた鋼板から、試験片を採取し、疲労き裂伝ぱ試験、組織観察、引張試験、衝撃試験、硬さ試験、溶接性試験を実施した。試験方法は、次の通りとした。
(1)疲労き裂伝ぱ試験
得られた鋼板から、図6に示す3種の方向からCT試験片、三点曲げ試験片を採取した。試験片T−Lは、負荷方向が幅方向Tでき裂伝ぱ方向が圧延方向LとなるCT試験片であり、試験片L−Tは、負荷方向が圧延方向Lでき裂伝ぱ方向が幅方向TとなるCT試験片である。試験片T−L、試験片L−Tでは、鋼板板厚25mm以下の場合には試験片厚さは鋼板全厚とし、鋼板板厚25mm超〜50mm以下の場合には、鋼板片面を研削して25mm厚とした片面減厚試験片とした。また、鋼板板厚50mm超の場合には、鋼板両面を研削して板厚1/4位置が中心となる25mm厚の両面減厚試験片とした。
Specimens were collected from the obtained steel plates and subjected to fatigue crack propagation tests, structure observations, tensile tests, impact tests, hardness tests, and weldability tests. The test method was as follows.
(1) Fatigue crack propagation test From the obtained steel plate, a CT test piece and a three-point bending test piece were collected from the three directions shown in FIG. The test piece TL is a CT test piece in which the load direction is the width direction T and the crack propagation direction is the rolling direction L, and the test piece LT is the load direction is the rolling direction L and the crack propagation direction is the width direction T. This is a CT specimen. For test piece TL and test piece LT, if the steel plate thickness is 25 mm or less, the test piece thickness is the full thickness of the steel plate, and if the steel plate thickness is more than 25 mm to 50 mm or less, the steel plate surface is ground. A single-sided reduced thickness test piece with a thickness of 25 mm was obtained. Further, when the steel plate thickness exceeded 50 mm, both sides of the steel plate were ground to obtain a double-sided thickness test piece having a thickness of 25 mm centered on the 1/4 position of the plate thickness.

なお、試験片L−Zは、負荷方向が板厚方向Zでき裂伝ぱ方向が板厚方向Zとなる三点曲げ試験片である。試験片L−Zでは、鋼板板厚25mm以下の場合には試験片厚さは鋼板全厚とし、鋼板板厚25mm超〜50mm以下の場合には、鋼板片面を研削してZ方向厚さを25mm厚とした片面減厚試験片とした。また、鋼板板厚50mm超の場合には、鋼板両面を研削して板厚1/4位置が中心となるZ方向厚さが25mm厚の両面減厚試験片とした。   The test piece LZ is a three-point bending test piece in which the load direction is the plate thickness direction Z and the crack propagation direction is the plate thickness direction Z. For test piece L-Z, if the steel plate thickness is 25 mm or less, the test piece thickness is the full thickness of the steel plate, and if the steel plate thickness is more than 25 mm to 50 mm or less, the steel plate is ground to the Z direction thickness. A single-side thickness reduction test piece having a thickness of 25 mm was used. When the steel plate thickness exceeded 50 mm, both sides of the steel plate were ground to obtain a double-sided reduced thickness test piece having a Z-direction thickness of 25 mm centered at the 1/4 position of the plate thickness.

なお、CT試験片を用いた試験では、ASTM E647の規定に準拠して、試験片サイズ、疲労き裂伝ぱ試験方法、応力拡大係数の算出などを行った。三点曲げ試験片を用いた試験では、BS 7448 Part1の規定を参照して、試験片サイズ、負荷様式を決定した。三点曲げ試験片を用いた試験では、試験片の両面で切欠き前方の領域に0.1mmピッチのクラックゲージを貼付して、試験中のき裂長さを求めた。   In the test using the CT specimen, the specimen size, fatigue crack propagation test method, calculation of stress intensity factor, and the like were performed in accordance with ASTM E647 regulations. In the test using the three-point bending test piece, the test piece size and the load mode were determined with reference to the provisions of BS 7448 Part1. In the test using the three-point bending test piece, a crack gauge with a pitch of 0.1 mm was attached to the area in front of the notch on both sides of the test piece to determine the crack length during the test.

なお、応力拡大係数Kの算出は、Srawlyの式
K=(3SP/2WB)√(πa)F(ζ) ……(7)
(ここで、S:スパン(=4W)、P:荷重、W:き裂伝ぱ方向の試験片厚さ、B:幅方向Tの試験片厚さ(=W/2)、a:切欠きを含むき裂長さ)
を用いた。なお、F(ζ)は、a/W=ζとした時の形状係数で、次(8)式
F(ζ)={1.99−ζ(1−ζ)(2.15−3.93ζ+2.7ζ)}/{√π(1+2ζ)(1−ζ)3/2}‥‥(8)
を用いて計算した。
The calculation of the stress intensity factor K 1 of the formula in Srawly
K 1 = (3SP / 2W 2 B) √ (πa) F 1 (ζ) (7)
(Where S: span (= 4W), P: load, W: specimen thickness in the crack propagation direction, B: specimen thickness in the width direction T (= W / 2), a: notch Including crack length)
Was used. F 1 (ζ) is a shape factor when a / W = ζ, and the following equation (8)
F 1 (ζ) = {1.99−ζ (1−ζ) (2.15−3.93ζ + 2.7ζ 2 )} / {√π (1 + 2ζ) (1−ζ) 3/2 } (8)
Calculated using

全ての疲労き裂伝ぱ試験は、室温大気中で、応力比R:0.1、周波数:20Hzの条件のもと、応力拡大範囲ΔK:10MPa√mで開始して荷重一定のΔK漸増の条件で実施し、疲労き裂伝ぱ速度da/dNとΔKとの関係を求めた。
なお、耐疲労き裂伝ぱ特性の評価は、材料学会編「金属材料疲労き裂進展抵抗データ集」Vol.1 P55に記載のNK船級 KA鋼についての応力拡大係数範囲と疲労き裂伝ぱ速度の関係のデータバンド上限を基準値とし、同じ応力拡大係数範囲で疲労き裂伝ぱ速度が基準値の1/2以下となる場合を耐疲労き裂伝ぱ特性に優れる鋼板とした。疲労き裂伝ぱ速度がこの基準値の1/2以下とは具体的には、疲労き裂伝ぱ速度da/dNが、ΔKI=15MPa√mで1.75×10-8(m/cycle)以下、ΔKI=20MPa√mで4.26×10-8(m/cycle)以下、ΔKI=25MPa√mで8.50×10-8(m/cycle)以下、となる場合をいう。耐疲労き裂伝ぱ特性に優れる鋼板とは、疲労き裂伝ぱ速度が、少なくともΔKI=15MPa√mと20MPa√mの2水準で上記した水準を満足していることとした。
(2)組織観察
鋼板の板厚1/4位置から、組織観察用試験片を採取し、観察面を研磨し、2%ナイタール腐食液で腐食し、組織を現出し、光学顕微鏡(倍率:100〜400倍)または走査型電子顕微鏡(倍率:100〜1000倍)を用いて、組織を観察し、少なくとも各5視野で撮像した。なお、組織観察では、必要に応じて透過電子顕微鏡、EBSDも用いた。なお、観察面は具体的には、試験片T−L、試験片L−Tでは、鋼板の板厚1/4位置に相当する位置で鋼板の板面に平行な面であり、試験片L−Zでは、圧延方向断面とした。なお、観察面はいずれもき裂との関係において図2に示すx−y平面とした。
All fatigue crack propagation tests were performed under the conditions of stress ratio R: 0.1 and frequency: 20 Hz in a room temperature atmosphere, stress expansion range ΔK I : 10 MPa√m, and constant load ΔK I gradually increasing condition The relationship between the fatigue crack propagation rate da / dN and ΔK I was obtained.
In addition, the evaluation of fatigue crack propagation characteristics is based on the stress intensity factor range and fatigue crack propagation rate for the NK class KA steel described in “Metallic Material Fatigue Crack Propagation Resistance Data” Vol. The upper limit of the related data band was used as a reference value, and a steel sheet with excellent fatigue crack propagation resistance was obtained when the fatigue crack growth rate was 1/2 or less of the reference value within the same stress intensity factor range. Specifically, the fatigue crack propagation rate is 1/2 or less of this reference value. Specifically, the fatigue crack propagation rate da / dN is 1.75 × 10 -8 (m / cycle) or less when ΔK I = 15 MPa√m, This is the case where ΔK I = 20 MPa√m and 4.26 × 10 −8 (m / cycle) or less, and ΔK I = 25 MPa√m and 8.50 × 10 −8 (m / cycle) or less. A steel sheet with excellent fatigue crack propagation characteristics is assumed to have a fatigue crack propagation rate that satisfies the above-mentioned levels at least at two levels of ΔK I = 15 MPa√m and 20 MPa√m.
(2) Microstructure observation A specimen for microstructural observation was collected from the position of the steel plate with a thickness of 1/4, the observation surface was polished, corroded with 2% nital corrosive solution, the microstructure was revealed, and an optical microscope (magnification: 100) Using a scanning electron microscope (magnification: 100 to 1000 times), the tissue was observed and imaged in at least 5 fields of view. In addition, in the structure observation, a transmission electron microscope and EBSD were used as necessary. In addition, the observation surface is specifically a surface parallel to the plate surface of the steel plate at a position corresponding to the plate thickness ¼ position of the steel plate in the test piece TL and the test piece LT. In −Z, a cross section in the rolling direction was used. Note that the observation surface was an xy plane shown in FIG. 2 in relation to the crack.

撮影された組織写真を用いて、組織の同定と、市販の画像解析ソフトを利用して各相の面積割合を測定した。また、JIS G 0551(2013)の規定を参照しながら切断法で、各視野でき裂進展方向における各相についての組織単位(D)を求め、それらの平均値を各相の(D)とした。なお、別途、実施したき裂の屈曲挙動から組織単位を決定した。具体的には、フェライト相ではフェライト粒を、パーライトでは、塊状であればそのサイズを、伸張した層状であれば、層状パーライトの厚さを、ベイナイト相では、パケットのサイズを、マルテンサイト相ではパケットのサイズを、それぞれの組織単位(D)とした。
(3)引張試験
得られた鋼板から、日本海事協会 鋼船規則を参考に、引張方向が圧延方向Lまたは圧延方向に直交する方向Tとなるように引張試験片を採取し、JIS Z 02241の規定に準拠して引張試験を実施し、引張特性(上降伏点または0.2%耐力YS、引張強さTS、伸びEl)を求めた。なお、引張試験片は板厚40mm以下の鋼板では全厚で採取したU1号試験片を、板厚40mm超えの鋼板では板厚/4位置から採取したU14A号試験片を、それぞれ用いた。
(4)衝撃試験
得られた鋼板から、日本海事協会 鋼船規則を参考に、試験片長さ方向が圧延方向Lでき裂進展方向が圧延方向に直交する方向Tとなるように、または、試験片長さ方向が圧延方向に直交する方向Tでき裂進展方向が圧延方向Lとなるように、衝撃試験片を採取し、JIS Z 02242の規定に準拠して試験温度:0℃でシャルピー衝撃試験を実施し、吸収エネルギーvE(J)を求め、靭性を評価した。なお、試験片本数は各3本とし、それらの平均吸収エネルギー値を求めた。衝撃試験片は、板厚20mm未満では、板厚1/2位置を中心とし、板厚20mm以上では板厚1/4位置を中心としてU4号シャルピー2mmV切欠き試験片を採取した。
(5)硬さ試験
(1)で用いた組織観察試験片を硬さ測定試験片として、各相について、粒界間や相境界間の距離が圧痕の4倍以上となるように荷重を調整して、ビッカース硬さHvを測定した。硬さ測定は、各相につき5点以上測定し、それらの平均値を各相の硬さ(Hv)とした。なお、厚さ測定面は組織観察面と同じとした。
(6)溶接性試験
得られた鋼板から、JIS Z 3158の規定に準拠して、y形溶接割れ試験片を採取し、予熱温度を25℃とし、気温:20℃、湿度:60%の溶接雰囲気中で、MAG溶接(入熱14kJ/cm)するy形溶接割れ試験を実施し、割れの発生の有無を調査した。割れが生じなかった場合を○、それ以外の場合を×として評価した。
Using the photographed tissue photograph, the area ratio of each phase was measured using tissue identification and commercially available image analysis software. Also, with reference to the provisions of JIS G 0551 (2013), the cutting unit determines the structural unit (D P ) for each phase in each visual field and the average value of each phase (D P ) It was. Separately, the structural unit was determined from the bending behavior of the cracks performed. Specifically, in the ferrite phase, the ferrite grains, in the case of pearlite, the size of the bulk, in the case of an elongated layer, the thickness of the layered pearlite, in the bainite phase, the size of the packet, in the martensite phase. The size of the packet was taken as each organizational unit (D P ).
(3) Tensile test From the obtained steel plate, with reference to the Japan Maritime Society steel ship regulations, a tensile test piece was collected so that the tensile direction was the rolling direction L or the direction T perpendicular to the rolling direction. A tensile test was performed in accordance with the regulations, and tensile properties (up-yield point or 0.2% proof stress YS, tensile strength TS, elongation El) were determined. As the tensile test piece, a U1 test piece sampled in full thickness was used for a steel sheet having a thickness of 40 mm or less, and a U14A test specimen sampled from the plate thickness / 4 position was used for a steel sheet having a thickness of more than 40 mm.
(4) Impact test From the obtained steel plate, with reference to the Japan Maritime Society steel ship regulations, the test piece length direction is the rolling direction L and the crack propagation direction is the direction T perpendicular to the rolling direction, or the test piece length An impact test piece is taken so that the length direction is a direction T perpendicular to the rolling direction and the crack propagation direction is the rolling direction L, and a Charpy impact test is performed at a test temperature of 0 ° C. in accordance with the provisions of JIS Z 02242. Then, the absorbed energy vE 0 (J) was obtained and the toughness was evaluated. The number of test pieces was three each, and the average absorbed energy value was obtained. For the impact test piece, a U4 Charpy 2 mm V notch test piece was sampled centered on the plate thickness 1/2 position when the plate thickness was less than 20 mm, and centered at the plate thickness 1/4 position when the plate thickness was 20 mm or more.
(5) Hardness test Using the structure observation test piece used in (1) as a hardness measurement test piece, for each phase, the load is adjusted so that the distance between grain boundaries and phase boundaries is at least four times the indentation. Then, Vickers hardness Hv was measured. For the hardness measurement, five or more points were measured for each phase, and the average value thereof was defined as the hardness (Hv) of each phase. The thickness measurement surface was the same as the tissue observation surface.
(6) Weldability test In accordance with the provisions of JIS Z 3158, a y-type weld crack test piece was collected from the obtained steel sheet, the preheating temperature was 25 ° C, the temperature was 20 ° C, and the humidity was 60%. A y-type weld cracking test for MAG welding (heat input 14 kJ / cm) was carried out in an atmosphere to investigate whether cracks occurred. The case where no crack was generated was evaluated as ◯, and the case other than that was evaluated as ×.

得られた結果のうち、引張特性、靭性、溶接性の結果を表3に示す。なお、表3には代表的な組織を示す板厚1/4位置z面での組織観察結果を併記した。   Table 3 shows the results of tensile properties, toughness, and weldability among the obtained results. Table 3 also shows the results of observing the structure on the z-plane at the thickness ¼ position indicating a typical structure.

Figure 0006064897
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また、複合組織における有効組織単位MUeffは、組織観察結果とビッカース硬さ測定結果を用いて、(2)式により算出した。なお、ベイナイト相やマルテンサイト相が面積割合で0.5を超える(面積%で50%超える)場合には、フェライト相が主相である場合と同様に複合則を用いた次式により算出した。
MUeff=(AR)×(D+(AR)α×(Dα×{(Hv)α/(Hv)}+(AR)×(D×{(Hv)/(Hv)}+(AR)×(D×{(Hv)/(Hv)}‥‥(9)
MUeff=(AR)×(D+(AR)α×(Dα×{(Hv)α/(Hv)}+(AR)×(D×{(Hv)/(Hv)}+(AR)×(D×{(Hv)/(Hv)}‥‥(10)
得られたMUeffの結果を、組織観察結果とビッカース硬さ測定結果とともに表4に示す。
Further, the effective tissue unit MU eff in the composite tissue was calculated by the formula (2) using the tissue observation result and the Vickers hardness measurement result. In addition, when the bainite phase and the martensite phase exceeded 0.5 by area ratio (50% by area%), the calculation was performed according to the following formula using the composite rule in the same manner as when the ferrite phase was the main phase.
MU eff = (AR) B × (D P) B + (AR) α × (D P) α × {(Hv) α / (Hv) B} + (AR) P × (D P) P × {( Hv) P / (Hv) B } + (AR) M × (D P) M × {(Hv) M / (Hv) B} ‥‥ (9)
MU eff = (AR) M × (D P ) M + (AR) α × (D P ) α × {(Hv) α / (Hv) M } + (AR) P × (D P ) P × {( Hv) P / (Hv) M } + (AR) B × (D P) B × {(Hv) B / (Hv) M} ‥‥ (10)
The obtained MU eff results are shown in Table 4 together with the structure observation results and the Vickers hardness measurement results.

Figure 0006064897
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また、実施した疲労き裂伝ぱ試験の条件から、(1)式を用いて、き裂先端塑性域寸法γp *を算出した。ここで、KImaxは、応力拡大係数範囲ΔKIと応力比Rから、KImax=ΔKI/(1-R)で算出できる。降伏応力σYは、引張試験で得られた値を用いた。CT試験片T−Lの場合には、幅方向(圧延方向に直交する方向)Tの降伏強さYSを、CT試験片L−Tと三点曲げ試験片L−Zでは、圧延方向Lの降伏強さYSを用いた。 In addition, from the conditions of the fatigue crack propagation test performed, the crack tip plastic zone size γ p * was calculated using equation (1). Here, K Imax can be calculated from the stress intensity factor range ΔK I and the stress ratio R by K Imax = ΔK I / (1-R). As the yield stress σ Y , the value obtained in the tensile test was used. In the case of the CT test piece TL, the yield strength YS in the width direction (direction perpendicular to the rolling direction) T is set to be the same as that in the rolling direction L for the CT test piece LT and the three-point bending test piece LZ. Yield strength YS was used.

γp *、γp */MUeffとの算出結果と疲労き裂伝ぱ速度の測定結果を表5に示す。 Table 5 shows calculation results of γ p * , γ p * / MU eff and measurement results of fatigue crack propagation rate.

Figure 0006064897
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Figure 0006064897
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本発明例はいずれも、面積率で50%を超えるフェライトを主相とし、該主相と残部硬質相とからなる組織を有し、降伏点:315MPa以上の高強度と、吸収エネルギーvE:31J以上の高靭性とを有し、さらにy形溶接割れ試験でも溶接割れの発生もなく溶接性にも優れ、かつMUeffが150(μm)以下で、少なくともΔKI=15MPa√m、ΔKI=20MPa√mでγ*が250(μm)以下で、γ*/MUeffが10以下を満足し、疲労き裂伝ぱ速度da/dNが、少なくともΔKI=15MPa√mで目標値である1.75×10-8(m/cycle)以下、ΔKI=20MPa√mで目標値である4.26×10-8(m/cycle)以下と低減しており、耐疲労き裂伝ぱ特性が向上した高強度鋼材となっている。 Each of the examples of the present invention has a structure composed of ferrite having an area ratio of more than 50% as a main phase, the main phase and the remaining hard phase, a high strength at a yield point of 315 MPa or more, and an absorbed energy vE 0 : It has a high toughness of 31J or more, and also has excellent weldability in the y-type weld cracking test, with no weld cracking, MU eff of 150 (μm) or less, and at least ΔK I = 15 MPa√m, ΔK I = 20 MPa√m, γ P * is 250 (μm) or less, γ P * / MU eff is 10 or less, and the fatigue crack propagation rate da / dN is at least ΔK I = 15 MPa√m Less than a certain 1.75 × 10 -8 (m / cycle), ΔK I = 20 MPa√m and the target value of 4.26 × 10 -8 (m / cycle) or less, reducing fatigue crack resistance. It is a high-strength steel material.

一方、本発明範囲を外れる比較例は、強度、靭性、溶接性のいずれかが低下しているか、あるいはγ*/MUeffが10を超えて、耐疲労き裂伝ぱ特性が低下している。
鋼板No.A11(比較例)は、C等が本発明範囲を高く外れ、靭性、溶接性が低下するとともに、組織がベイナイト単相となり本発明範囲から外れ、かつΔKI=20MPa√mの場合にγ*/MUeffが10を超えて耐疲労き裂伝ぱ特性が低下している。また、鋼板No.A12(比較例)は、P、Sが本発明範囲を高く外れ、延性、靭性が低下している。また、鋼板No.A13(比較例)は、C、Mnが本発明範囲を低く外れ、強度(降伏点YSまたは0.2%耐力YS)が目標値を確保できていないため、ΔKI=15MPa√mでγ*が250μmを超え、ΔKI=20MPa√mの場合にγ*/MUeffが10を超え、耐疲労き裂伝ぱ特性が低下している。また、鋼板No.A14(比較例)は、加熱温度が高く、組織が粗大化してMUeffが150μmを超え、そのため降伏強さが目標値を確保できず、また靭性が低下している。また、鋼板No.A15(比較例)は、加熱温度が低くかつ900℃以上の累積圧下率が低いため、オーステナイト粒が粗大化し焼入れ性が向上して組織がベイナイト単相となり、かつMUeffが150μmを超え、そのため靭性が低下し、さらにΔKI=20MPa√mの場合にγ*/MUeffが10を超え、耐疲労き裂伝ぱ特性が低下している。また、鋼板No.A16(比較例)は、圧延仕上温度が低く、加速冷却がフェライト、パーライトの生成完了後であったため、加速冷却によるフェライトの微細化、第二相強化が得られず、降伏強さが目標値を確保できていない。このため、ΔKI=15MPa√mの場合にγ*/MUeffが10を超え、耐疲労き裂伝ぱ特性が低下している。また、鋼板No.A17(比較例)は、熱間圧延後の冷却速度が遅く、加速冷却によるフェライトの微細化、第二相強化が得られず、降伏強さが目標値を確保できていない。このため、ΔKI=20MPa√mの場合にγ*/MUeffが10を超え、耐疲労き裂伝ぱ特性が低下している。また、鋼板No.A18(比較例)は、圧延後の冷却停止温度が高く、加速冷却によるっフェライトの微細化、第二相強化が得られず、降伏強さが目標値を確保できていない。このため、ΔKI=20MPa√mの場合にγ*/MUeffが10を超え、耐疲労き裂伝ぱ特性が低下している。また、鋼板No.A19(比較例)は、焼戻温度が高く、MAが、多量に生成したため、靭性が低下している。
(実施例2)
得られた鋼素材(鋼No.A,B,E,G,I,N,O,P,Q,R)に、製法Bとして、表6に示す条件で加熱、熱間圧延、圧延後冷却し、板厚12〜100mmの鋼板とした。なお、圧延後冷却は、第1段加速冷却と緩冷却と第2段加速冷却からなる3段冷却、緩冷却と加速冷却からなる2段冷却、あるいは加速冷却のみ、緩冷却のみの1段冷却とした。一部の鋼板には熱処理(焼戻処理)を施した。
On the other hand, in the comparative example outside the scope of the present invention, any of strength, toughness and weldability is reduced, or γ P * / MU eff exceeds 10, and the fatigue crack propagation resistance is reduced. .
Steel plate No. A11 (comparative example), C etc. deviated from the scope of the present invention, toughness and weldability decreased, the structure became bainite single phase and deviated from the scope of the present invention, and ΔK I = 20 MPa√m In addition, γ P * / MU eff exceeds 10 and the fatigue crack propagation characteristics are degraded. Moreover, as for steel plate No. A12 (comparative example), P and S are outside the scope of the present invention, and ductility and toughness are reduced. Steel plate No. A13 (comparative example) has C and Mn outside the range of the present invention, and the strength (yield point YS or 0.2% proof stress YS) cannot secure the target value. Therefore, ΔK I = 15 MPa√m When γ P * exceeds 250 μm and ΔK I = 20 MPa√m, γ P * / MU eff exceeds 10 and the fatigue crack propagation resistance is degraded. Steel plate No. A14 (comparative example) has a high heating temperature, the structure becomes coarse, and the MU eff exceeds 150 μm. Therefore, the yield strength cannot be secured and the toughness is lowered. Steel plate No. A15 (comparative example) has a low heating temperature and a low cumulative rolling reduction of 900 ° C. or higher, so the austenite grains are coarsened and hardenability is improved, the structure becomes a bainite single phase, and MU eff is When it exceeds 150 μm, the toughness is reduced, and when ΔK I = 20 MPa√m, γ P * / MU eff exceeds 10, and the fatigue crack propagation resistance is reduced. Steel plate No. A16 (comparative example) had a low rolling finish temperature and accelerated cooling was after the generation of ferrite and pearlite was completed, so ferrite refinement by accelerated cooling and second-phase strengthening could not be obtained, yielding Strength has not secured the target value. For this reason, when ΔK I = 15 MPa√m, γ P * / MU eff exceeds 10, and the fatigue crack resistance is deteriorated. Steel plate No. A17 (comparative example) has a slow cooling rate after hot rolling, ferrite refinement by accelerated cooling, and second-phase strengthening cannot be obtained, and the target value of yield strength cannot be secured. . For this reason, when ΔK I = 20 MPa√m, γ P * / MU eff exceeds 10, and the fatigue crack propagation resistance is degraded. Steel plate No. A18 (comparative example) has a high cooling stop temperature after rolling, ferrite refinement due to accelerated cooling, and second phase strengthening cannot be obtained, and the yield strength cannot be secured. . For this reason, when ΔK I = 20 MPa√m, γ P * / MU eff exceeds 10, and the fatigue crack propagation resistance is degraded. Steel plate No. A19 (comparative example) has a high tempering temperature, and a large amount of MA is produced, so that the toughness is reduced.
(Example 2)
The obtained steel material (steel No. A, B, E, G, I, N, O, P, Q, R) is heated, hot-rolled and cooled after rolling as the manufacturing method B under the conditions shown in Table 6. And a steel plate having a thickness of 12 to 100 mm. The cooling after rolling is three-stage cooling consisting of first-stage accelerated cooling, slow cooling and second-stage accelerated cooling, two-stage cooling consisting of slow cooling and accelerated cooling, or one-stage cooling consisting of only accelerated cooling and only slow cooling. It was. Some steel plates were subjected to heat treatment (tempering treatment).

Figure 0006064897
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得られた鋼板から、試験片を採取し、疲労き裂伝ぱ試験、組織観察、引張試験、衝撃試験、硬さ試験、溶接性試験を実施した。試験方法は、実施例1と同様にした。
得られた結果のうち、引張特性、靭性、溶接性の結果を表7に示す。
Specimens were collected from the obtained steel plates and subjected to fatigue crack propagation tests, structure observations, tensile tests, impact tests, hardness tests, and weldability tests. The test method was the same as in Example 1.
Table 7 shows the results of tensile properties, toughness, and weldability among the obtained results.

Figure 0006064897
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また、得られたMUeff結果を、組織観察結果とビッカース硬さ測定結果とともに表8に示す。 The obtained MU eff results are shown in Table 8 together with the structure observation results and the Vickers hardness measurement results.

Figure 0006064897
Figure 0006064897

Figure 0006064897
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また、γp *、γp */MUeffとの算出結果と疲労き裂伝ぱ速度の測定結果を表9に示す。 Table 9 shows the calculation results of γ p * and γ p * / MU eff and the measurement results of fatigue crack propagation rate.

Figure 0006064897
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Figure 0006064897
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本発明例はいずれも、面積率で50%を超えるフェライトを主相とし、該主相と残部硬質相とからなる組織を有し、降伏点:315MPa以上の高強度と、吸収エネルギーvE:31J以上の高靭性とを有し、さらにy形溶接割れ試験でも溶接割れの発生もなく溶接性にも優れ、かつMUeffが150(μm)以下で、少なくともΔKI=15MPa√m、ΔKI=20MPa√mでγ*が250(μm)以下で、γ*/MUeffが10以下を満足し、疲労き裂伝ぱ速度da/dNが、少なくともΔKI=15MPa√mで目標値である1.75×10-8(m/cycle)以下、ΔKI=20MPa√mで目標値である4.26×10-8(m/cycle)以下と低減しており、耐疲労き裂伝ぱ特性が向上した高強度鋼材となっている。製造方法を代えても、本発明例はいずれも、耐疲労き裂伝ぱ特性が向上した高強度鋼材となっている。 Each of the examples of the present invention has a structure composed of ferrite having an area ratio of more than 50% as a main phase, the main phase and the remaining hard phase, a high strength at a yield point of 315 MPa or more, and an absorbed energy vE 0 : It has a high toughness of 31J or more, and also has excellent weldability in the y-type weld cracking test, with no weld cracking, MU eff of 150 (μm) or less, and at least ΔK I = 15 MPa√m, ΔK I = 20 MPa√m, γ P * is 250 (μm) or less, γ P * / MU eff is 10 or less, and the fatigue crack propagation rate da / dN is at least ΔK I = 15 MPa√m Less than a certain 1.75 × 10 -8 (m / cycle), ΔK I = 20 MPa√m and the target value of 4.26 × 10 -8 (m / cycle) or less, reducing fatigue crack resistance. It is a high-strength steel material. Even if the manufacturing method is changed, all of the examples of the present invention are high-strength steel materials having improved fatigue crack propagation characteristics.

一方、本発明範囲を外れる比較例は、強度、靭性、溶接性のいずれかが低下しているか、あるいはγ*/MUeffが10を超えて、耐疲労き裂伝ぱ特性が低下している。
鋼板No.B30(比較例)は、鋼素材の加熱温度が高く、オーステナイト粒の微細化が図れず、熱間圧延、加速冷却を適正に行ってもフェライト相が粗大化し、降伏点YSが315MPa未満と所望の高強度を確保できていない。また、ΔKI=20MPa√m以上でγ*が250μmを超え、γ*/MUeffが10を超えて、耐疲労き裂伝ぱ特性が低下している。加えて、靭性も低下している。また、鋼板No.B31(比較例)は、鋼素材の加熱温度が低く、また、900℃以上の累積圧下率が低く、オーステナイト粒の細粒化が図れず、得られるフェライト相が粗大化し、降伏点YSが315MPa未満と所望の高強度を確保できていない。また、靭性も低下している。また、ΔKI=20MPa√m以上で、γ*/MUeffが10を超えて、耐疲労き裂伝ぱ特性が低下している。また、鋼板No.B32(比較例)は、熱間圧延の仕上温度が低く、加速冷却がフェライト生成、パーライト析出完了後となるため、加速冷却によるフェライトの微細化や、第二相強化が得られず、降伏点YSが315MPa未満と所望の高強度を確保できていない。また、ΔKI=20MPa√m以上で、γ*/MUeff が10を超えて、耐疲労き裂伝ぱ特性が低下している。
On the other hand, in the comparative example outside the scope of the present invention, any of strength, toughness and weldability is reduced, or γ P * / MU eff exceeds 10, and the fatigue crack propagation resistance is reduced. .
Steel plate No. B30 (comparative example) has a high heating temperature of the steel material, austenite grains cannot be refined, the ferrite phase becomes coarse even if hot rolling and accelerated cooling are properly performed, and the yield point YS is 315 MPa. The desired high strength cannot be secured. Further, when ΔK I = 20 MPa√m or more, γ P * exceeds 250 μm, γ P * / MU eff exceeds 10, and the fatigue crack propagation resistance is deteriorated. In addition, toughness is also reduced. Steel plate No. B31 (comparative example) has a low heating temperature of the steel material, a low cumulative rolling reduction of 900 ° C. or higher, and austenite grains cannot be refined, resulting in a coarse ferrite phase, The yield point YS is less than 315 MPa, and the desired high strength cannot be secured. Moreover, the toughness is also lowered. Further, when ΔK I = 20 MPa√m or more, γ P * / MU eff exceeds 10, and the fatigue crack propagation resistance is deteriorated. Steel plate No. B32 (comparative example) has a low hot rolling finishing temperature, and accelerated cooling is performed after ferrite formation and pearlite precipitation is completed, resulting in finer ferrite and accelerated second-phase strengthening by accelerated cooling. The yield strength YS is less than 315 MPa, and the desired high strength cannot be secured. Further, when ΔK I = 20 MPa√m or more, γ P * / MU eff exceeds 10, and the fatigue crack propagation resistance is deteriorated.

また、鋼板No.B33(比較例)は、熱間圧延後の冷却に、冷却速度:5℃/s未満の緩冷却を実施せず、加速冷却のみとしたため、組織がベイナイト単相となり、ΔKI=20MPa√m以上で、γ*/MUeffが10を超えて、耐疲労き裂伝ぱ特性が低下している。また、鋼板No.B34(比較例)は、熱間圧延後に加速冷却を行わなかったので、フェライトの微細化、第二相強化が得られず、降伏点YSが315MPa未満と所望の高強度を確保できていない。また、ΔKI=20MPa√m以上で、γ*/MUeffが10を超えて、耐疲労き裂伝ぱ特性が低下している。また、鋼板No.B35(比較例)は、焼戻温度が高温であるため、MAが多量に生成し、靭性が低下している。
(実施例3)
得られた鋼素材(鋼No.C,F,I,J,P)に、製法Cとして、表10に示す条件で加熱、熱間圧延、圧延後冷却し、板厚12〜100mmの鋼板としたのち、表10に示す条件で再加熱し、ついで種々の冷却速度で冷却する熱処理を行った。なお、一部の鋼板には熱処理(焼戻処理)を施した。
Steel plate No. B33 (comparative example) was not subjected to slow cooling at a cooling rate of less than 5 ° C / s for cooling after hot rolling, but only accelerated cooling, so the structure became a bainite single phase and ΔK When I = 20 MPa√m or more, γ P * / MU eff exceeds 10, and the fatigue crack resistance is deteriorated. Steel plate No. B34 (comparative example) was not subjected to accelerated cooling after hot rolling, so ferrite refinement and second-phase strengthening were not obtained, and the desired high strength was obtained with a yield point YS of less than 315 MPa. It is not secured. Further, when ΔK I = 20 MPa√m or more, γ P * / MU eff exceeds 10, and the fatigue crack propagation resistance is deteriorated. Steel plate No. B35 (comparative example) has a high tempering temperature, so a large amount of MA is produced and toughness is reduced.
(Example 3)
The obtained steel material (steel No. C, F, I, J, P) is heated, hot-rolled and cooled after rolling under the conditions shown in Table 10 as production method C. After that, reheating was performed under the conditions shown in Table 10, followed by heat treatment for cooling at various cooling rates. Some of the steel plates were subjected to heat treatment (tempering treatment).

Figure 0006064897
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得られた鋼板から、試験片を採取し、疲労き裂伝ぱ試験、組織観察、引張試験、衝撃試験、硬さ試験、溶接性試験を実施した。試験方法は、実施例1と同様にした。
得られた結果のうち、引張特性、靭性、溶接性の結果を表11に示す。
Specimens were collected from the obtained steel plates and subjected to fatigue crack propagation tests, structure observations, tensile tests, impact tests, hardness tests, and weldability tests. The test method was the same as in Example 1.
Table 11 shows the results of tensile properties, toughness, and weldability among the obtained results.

Figure 0006064897
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また、得られたMUeff結果を、組織観察結果とビッカース硬さ測定結果とともに表12に示す。 The obtained MU eff results are shown in Table 12 together with the structure observation results and the Vickers hardness measurement results.

Figure 0006064897
Figure 0006064897

また、γp *、γp */MUeffとの算出結果と疲労き裂伝ぱ速度の測定結果を表13に示す。 Table 13 shows the calculation results of γ p * and γ p * / MU eff and the measurement results of the fatigue crack propagation rate.

Figure 0006064897
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本発明例はいずれも、面積率で50%を超えるフェライトを主相とし、該主相と残部硬質相とからなる組織を有し、降伏点:315MPa以上の高強度と、吸収エネルギーvE:31J以上の高靭性とを有し、さらにy形溶接割れ試験でも溶接割れの発生もなく溶接性にも優れ、かつMUeffが150(μm)以下で、少なくともΔKI=15MPa√m、ΔKI=20MPa√mでγ*が250(μm)以下で、γ*/MUeffが10以下を満足し、疲労き裂伝ぱ速度da/dNが、少なくともΔKI=15MPa√mで目標値である1.75×10-8(m/cycle)以下、ΔKI=20MPa√mで目標値である4.26×10-8(m/cycle)以下と低減しており、耐疲労き裂伝ぱ特性が向上した高強度鋼材となっている。製造方法を代えても、本発明例はいずれも、耐疲労き裂伝ぱ特性が向上した高強度鋼材となっている。 Each of the examples of the present invention has a structure composed of ferrite having an area ratio of more than 50% as a main phase, the main phase and the remaining hard phase, a high strength at a yield point of 315 MPa or more, and an absorbed energy vE 0 : It has a high toughness of 31J or more, and also has excellent weldability in the y-type weld cracking test, with no weld cracking, MU eff of 150 (μm) or less, and at least ΔK I = 15 MPa√m, ΔK I = 20 MPa√m, γ P * is 250 (μm) or less, γ P * / MU eff is 10 or less, and the fatigue crack propagation rate da / dN is at least ΔK I = 15 MPa√m Less than a certain 1.75 × 10 -8 (m / cycle), ΔK I = 20 MPa√m and the target value of 4.26 × 10 -8 (m / cycle) or less, reducing fatigue crack resistance. It is a high-strength steel material. Even if the manufacturing method is changed, all of the examples of the present invention are high-strength steel materials having improved fatigue crack propagation characteristics.

一方、本発明範囲を外れる比較例は、強度、靭性、溶接性のいずれかが低下しているか、あるいはγ*/MUeffが10を超えて、耐疲労き裂伝ぱ特性が低下している。
鋼板No.C41(比較例)は、熱間圧延終了後水冷したため、フェライト相を主相とする組織が得られず、ΔKI=15MPa√m以上で、γ*/MUeffが10を超えて、耐疲労き裂伝ぱ特性が低下している。また、鋼板No.C42(比較例)は、再加熱温度がAc3変態点を超えて高温であったため、マルテンサイト単相組織となり、ΔKI=15MPa√m以上で、γ*/MUeffが10を超えて、耐疲労き裂伝ぱ特性が低下している。また、鋼板No.C43(比較例)は、再加熱後の冷却が遅いため、フェライトの微細化、第二相強化が得られず、降伏点YSが315MPa未満と所望の高強度が得られず、ΔKI=15MPa√m以上で、γ*/MUeffが10を超えて、耐疲労き裂伝ぱ特性が低下している。また、鋼板No.C44(比較例)は、再加熱後の冷却における冷却停止温度が高く、降伏点YSが315MPa未満と所望の高強度が得られず、ΔKI=20MPa√m以上で、γ*/MUeffが10を超えて、耐疲労き裂伝ぱ特性が低下している。また、鋼板No.C45(比較例)は、焼戻温度が高温であるため、MAが多量に生成し、靭性が低下している。
(実施例4)
表14に示す組成を有し、常用の熱間圧延、圧延後冷却、熱処理等を施され、表15に示す組織と強度とを有する鋼板(板厚:12〜100mm)について、耐疲労き裂伝ぱ特性を判定した。
On the other hand, in the comparative example outside the scope of the present invention, any of strength, toughness and weldability is reduced, or γ P * / MU eff exceeds 10, and the fatigue crack propagation resistance is reduced. .
Steel plate No. C41 (comparative example) was water-cooled after hot rolling, so a structure with a ferrite phase as the main phase could not be obtained, ΔK I = 15 MPa√m or more, and γ P * / MU eff exceeded 10 As a result, fatigue crack propagation characteristics are degraded. Steel plate No. C42 (comparative example) had a reheat temperature exceeding the Ac3 transformation point, and thus became a martensite single-phase structure, ΔK I = 15 MPa√m or more, and γ P * / MU eff was Beyond 10, fatigue crack propagation resistance is degraded. Steel plate No. C43 (comparative example) has a slow cooling after reheating, so ferrite refinement and second phase strengthening cannot be obtained, and the desired high strength cannot be obtained when the yield point YS is less than 315 MPa. ΔK I = 15 MPa√m or more, γ P * / MU eff exceeds 10, and fatigue crack propagation resistance is degraded. Steel plate No. C44 (comparative example) has a high cooling stop temperature in cooling after reheating, the yield point YS is less than 315 MPa, and the desired high strength cannot be obtained. ΔK I = 20 MPa√m or more, γ P * / MU eff exceeds 10 and fatigue crack resistance is degraded. Steel plate No. C45 (comparative example) has a high tempering temperature, so a large amount of MA is produced and toughness is reduced.
Example 4
Fatigue crack resistance of a steel sheet (plate thickness: 12 to 100 mm) having the composition shown in Table 14 and subjected to normal hot rolling, cooling after rolling, heat treatment, etc. and having the structure and strength shown in Table 15 Propagation characteristics were determined.

対象とする鋼板の板厚1/4位置において、実施例1と同様に、組織観察、ビッカース硬さ測定を行って、組織を構成する各相の面積割合(AR)、各相の疲労き裂進展方向における結晶粒単位(DP)、各相の平均ビッカース硬さ(HV)を求めた。得られた結果を表16に示す。なお、疲労き裂伝ぱ試験は、板厚方向にき裂が進展する図6に示す三点曲げ試験片L−Zのみを用いて行った。そのため、組織観察、硬さ測定は圧延方向断面(図2に示すx−y平面)のみとした。   In the same way as in Example 1, the structure was observed and the Vickers hardness was measured at the ¼ thickness position of the target steel sheet, the area ratio (AR) of each phase constituting the structure, and the fatigue crack of each phase. The crystal grain unit (DP) in the progress direction and the average Vickers hardness (HV) of each phase were determined. The obtained results are shown in Table 16. Note that the fatigue crack propagation test was performed using only the three-point bending specimen LZ shown in FIG. 6 where the crack propagates in the plate thickness direction. Therefore, the structure observation and the hardness measurement were performed only in the cross section in the rolling direction (xy plane shown in FIG. 2).

Figure 0006064897
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Figure 0006064897
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Figure 0006064897
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得られた組織観察結果とビッカース硬さ測定結果を用いて、(2)式により有効組織単位MUeffを算出した。また、(1)式で定義されるき裂先端塑性域寸法γp *(μm)を算出した。得られた結果を表17に示す。なお、(1)式を用いて、γp *を算出するにあたっては、KImaxは、ΔKI=15MPa√m、ΔKI=20MPa√m、ΔKI=25MPa√mを、Rは0.1を使用して算出した。 Using the obtained structure observation result and the Vickers hardness measurement result, the effective structure unit MU eff was calculated by the equation (2). Further, the crack tip plastic zone size γ p * (μm) defined by the equation (1) was calculated. Table 17 shows the obtained results. Note that using equation (1), when calculating the gamma p * is, K Imax is, ΔK I = 15MPa√m, ΔK I = 20MPa√m, the ΔK I = 25MPa√m, R is using 0.1 And calculated.

Figure 0006064897
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少なくともΔKI=15MPa√mおよびΔKI=20MPa√mの場合に、γ*/MUeffが10以下であれば、耐疲労き裂伝ぱ特性が優れる鋼板と判定した。それ以外は耐疲労き裂伝ぱ特性が劣ると判定した。
この判定は、別途、疲労き裂伝ぱ試験を行い整合性を確認している。疲労き裂伝ぱ試験は、対象鋼板から、図6に示すように三点曲げ試験片L−Zを採取した。疲労き裂伝播試験の試験方法は実施例1と同様とした。なお、鋼板板厚25mm以下の場合には試験片厚さは鋼板全厚とし、鋼板板厚25mm超〜50mm以下の場合には、鋼板片面を研削してZ方向厚さを25mm厚とした片面減厚試験片とした。また、鋼板板厚50mm超の場合には、鋼板両面を研削して板厚1/4位置が中心となるZ方向厚さが25mm厚の両面減厚試験片とした。得られた疲労き裂伝ぱ速度を表17に併記した。
If at least ΔK I = 15 MPa√m and ΔK I = 20 MPa√m, and γ P * / MU eff was 10 or less, it was determined that the steel plate had excellent fatigue crack propagation resistance. Other than that, it was determined that the fatigue crack propagation resistance was inferior.
In this determination, a fatigue crack propagation test is separately performed to confirm consistency. In the fatigue crack propagation test, a three-point bending test piece LZ was sampled from the target steel plate as shown in FIG. The test method of the fatigue crack propagation test was the same as in Example 1. If the steel plate thickness is 25 mm or less, the test piece thickness is the total thickness of the steel plate. If the steel plate thickness is more than 25 mm to 50 mm or less, the single-sided steel plate is ground to have a Z-direction thickness of 25 mm. A thinned specimen was obtained. When the steel plate thickness exceeded 50 mm, both sides of the steel plate were ground to obtain a double-sided reduced thickness test piece having a Z-direction thickness of 25 mm centered at the 1/4 position of the plate thickness. The obtained fatigue crack propagation rates are also shown in Table 17.

耐疲労き裂伝ぱ特性が優れると判定した鋼板は、いずれも、疲労き裂伝ぱ速度da/dNが、少なくともΔKI=15MPa√mで目標値である1.75×10-8(m/cycle)以下、ΔKI=20MPa√mで目標値である4.26×10-8(m/cycle)以下と低減している。一方、耐疲労き裂伝ぱ特性が劣ると判定した鋼板は、疲労き裂伝ぱ速度da/dNが、上記した目標値を超えて大きくなっていた。 All steel plates judged to have excellent fatigue crack propagation resistance have a fatigue crack propagation rate da / dN of at least ΔK I = 15 MPa√m and the target value of 1.75 × 10 -8 (m / cycle) or less. , ΔK I = 20MPa√m and the target value is reduced to 4.26 × 10 -8 (m / cycle) or less. On the other hand, the steel plate determined to have poor fatigue crack propagation characteristics had a fatigue crack propagation rate da / dN that was larger than the above target value.

Claims (6)

質量%で、
C :0.02〜0.4%、 Si:0.01〜1.0%、
Mn:0.5〜3.0%、 P :0.05%以下、
S :0.05%以下、 Sol.Al:0.10%以下
を含み、残部Fe及び不可避的不純物からなる組成と、
板厚1/4位置において、面積率で50%を超えるフェライトを主相とし、該主相と残部硬質相とからなる組織とを有し、降伏点:315MPa以上の高強度と、シャルピー衝撃試験における試験温度:0℃での吸収エネルギーが31J以上の高靭性とを有し、
下記(1)式で定義されるき裂先端塑性域寸法γp *(μm)と、下記(2)式で定義されるき裂進展方向における有効組織単位MUeff(μm)とが、下記(3)〜(5)式を満足し、疲労き裂伝ぱ速度da/dNが、少なくとも、ΔK I =15MPa√mで1.75×10 -8 (m/cycle)以下、ΔK I =20MPa√mで4.26×10 -8 (m/cycle)以下であることを特徴とする耐疲労き裂伝ぱ特性に優れた高強度鋼材。

γ*={(KImax×10/(2πσ )}×(1−2ν) ‥‥(1)
ここで、KImax:モードIの最大応力拡大係数で、5〜35の範囲内の値(MPa√m)、σ:降伏応力(MPa)、ν:ポアソン比
MUeff=(AR)α×(Dα+(AR)×(D×{(Hv)/(Hv)α}+(AR)×(D×{(Hv)/(Hv)α}+(AR)×(D×{(Hv)/(Hv)α}‥‥(2)
ここで、(AR)α、(AR)、(AR)、(AR):フェライト(α)、パーライト(P)、ベイナイト(B)、マルテンサイト(M)、各相の面積割合(0〜1)、
(Dα、(D、(D、(D:フェライト(α)、パーライト(P)、ベイナイト(B)、マルテンサイト(M)、各相のき裂進展方向における組織単位(μm)、ここでいう「き裂進展方向における組織単位」は、き裂進展方向に測定した、き裂の屈曲と密接な関連のある組織単位で、簡便には、フェライト(α)の組織単位(D α はき裂進展方向のフェライト粒径の平均値、パーライト(P)の組織単位(D はき裂進展方向の塊状パーライトの大きさまたは層状パーライトの厚さの平均値、ベイナイト(B)の組織単位(D はき裂進展方向のパケットサイズの平均値、マルテンサイト(M)の組織単位(D はき裂進展方向のパケットサイズの平均値とする、
(Hv)α、(Hv)、(Hv)、(Hv):フェライト(α)、パーライト(P)、ベイナイト(B)、マルテンサイト(M)、各相の平均ビッカース硬さ
γ*/MUeff ≦ 10 ‥‥(3)
γ* ≦ 250 ‥‥(4)
MUeff ≦ 150 ‥‥(5)
% By mass
C: 0.02 to 0.4%, Si: 0.01 to 1.0%,
Mn: 0.5 to 3.0%, P: 0.05% or less,
S: 0.05% or less, Sol.Al: 0.10% or less, the balance Fe and inevitable impurities,
At a thickness of 1/4, the main phase is ferrite with an area ratio of more than 50%, and it has a structure consisting of the main phase and the remaining hard phase. Yield point: High strength of 315 MPa or more, Charpy impact test Test temperature at: High toughness with absorbed energy at 0 ° C of 31J or more,
The crack tip plastic zone dimension γ p * (μm) defined by the following equation (1) and the effective structural unit MU eff (μm) in the crack growth direction defined by the following equation (2) are 3) satisfied ~ (5), fatigue Crack Growth rate da / dN is at least, ΔK I = 15MPa√m at 1.75 × 10 -8 (m / cycle ) or less, at ΔK I = 20MPa√m 4.26 × 10 -8 (m / cycle) or less der Rukoto-out fatigue and wherein the crack propagation strength steel with excellent properties.
Record
γ P * = {(K Imax ) 2 × 10 6 / (2πσ Y 2 )} × (1−2ν) 2 (1)
Where K Imax is the maximum stress intensity factor in mode I and is in the range of 5 to 35 (MPa√m), σ Y is the yield stress (MPa), and ν is Poisson's ratio.
MU eff = (AR) α × (D P ) α + (AR) P × (D P ) P × {(Hv) P / (Hv) α } + (AR) B × (D P ) B × {( Hv) B / (Hv) α } + (AR) M × (D P) M × {(Hv) M / (Hv) α} ‥‥ (2)
Here, (AR) α , (AR) P , (AR) B , (AR) M : ferrite (α), pearlite (P), bainite (B), martensite (M), area ratio of each phase ( 0-1),
(D P ) α , (D P ) P , (D P ) B , (D P ) M : Ferrite (α), pearlite (P), bainite (B), martensite (M), crack of each phase The structural unit (μm) in the propagation direction, the “structural unit in the crack propagation direction” here, is a structural unit closely related to the bending of the crack measured in the crack propagation direction. organizational unit (D P) of the (alpha) alpha feeling crack propagation direction of the average of the ferrite grain size, organizational unit (D P) P wear of crack propagation direction of the bulk perlite size or layered pearlite pearlite (P) Mean thickness, bainite (B) structural unit (D P ) B is the average packet size in the crack propagation direction, martensite (M) structural unit (D P ) M is the crack propagation direction The average packet size,
(Hv) α , (Hv) P , (Hv) B , (Hv) M : ferrite (α), pearlite (P), bainite (B), martensite (M), average Vickers hardness of each phase
γ P * / MU eff ≤ 10 (3)
γ P * ≦ 250 (4)
MU eff ≦ 150 (5)
前記組成に加えてさらに、質量%で、Cu:3.0%以下、Ni:10%以下、Cr:3.0%以下、Mo:2.0%以下、Nb:0.1%以下、V:0.1%以下、Ti:0.1%以下、B:0.005%以下のうちから選ばれた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に記載の高強度鋼材。   In addition to the above composition, Cu: 3.0% or less, Ni: 10% or less, Cr: 3.0% or less, Mo: 2.0% or less, Nb: 0.1% or less, V: 0.1% or less, Ti: 0.1 % Or less, B: 1 type or 2 types or more chosen from 0.005% or less are contained, The high strength steel materials of Claim 1 characterized by the above-mentioned. 前記組成に加えてさらに、質量%で、Ca:0.010%以下、REM:0.010%以下のうちから選ばれた1種または2種を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の高強度鋼材。   The high content according to claim 1 or 2, further comprising one or two selected from Ca: 0.010% or less and REM: 0.010% or less in mass% in addition to the composition. Strength steel material. 質量%で、
C :0.02〜0.4%、 Si:0.01〜1.0%、
Mn:0.5〜3.0%、 P :0.05%以下、
S :0.05%以下、 Sol.Al:0.10%以下
を含み、残部Fe及び不可避的不純物からなる組成を有し、フェライトが面積率で50%を超え、残部が硬質相からなる組織を有し、降伏点:315MPa以上の高強度を有する高強度鋼材を対象とし、
該対象とする高強度鋼材について、組織観察、ビッカース硬さ測定を行って、想定する疲労き裂進展方向における組織を構成する各相の面積割合(AR)、各相の組織単位(DP)、各相の平均ビッカース硬さ(HV)を求め、
下記(1)式で定義されるき裂先端塑性域寸法γp *(μm)、下記(2)式で定義されるき裂進展方向における有効組織単位MUeff(μm)を算出して、下記(3)〜(5)式を満足する場合を、疲労き裂伝ぱ速度da/dNが、少なくとも、ΔK I =15MPa√mで1.75×10 -8 (m/cycle)以下、ΔK I =20MPa√mで4.26×10 -8 (m/cycle)以下である耐疲労き裂伝ぱ特性に優れた鋼材と判定することを特徴とする耐疲労き裂伝ぱ特性に優れた高強度鋼材の判定方法。

γ*={(KImax×10/(2πσ )}×(1−2ν) ‥‥(1)
ここで、KImax:モードIの最大応力拡大係数で、5〜35の範囲内の値(MPa√m)、σ:降伏応力(MPa)、ν:ポアソン比(=0.3)
MUeff=(AR)α×(Dα+(AR)×(D×{(Hv)/(Hv)α}+(AR)×(D×{(Hv)/(Hv)α}+(AR)×(D×{(Hv)/(Hv)α}‥‥(2)
ここで、(AR)α、(AR)、(AR)、(AR):フェライト(α)、パーライト(P)、ベイナイト(B)、マルテンサイト(M)、各相の面積割合(0〜1)、
(Dα、(DP、(D、(D:フェライト(α)、パーライト(P)、ベイナイト(B)、マルテンサイト(M)、各相のき裂進展方向における組織単位(μm)、ここでいう「き裂進展方向における組織単位」は、き裂進展方向に測定した、き裂の屈曲と密接な関連のある組織単位で、簡便には、フェライト(α)の組織単位(D α はき裂進展方向のフェライト粒径の平均値、パーライト(P)の組織単位(D はき裂進展方向の塊状パーライトの大きさまたは層状パーライトの厚さの平均値、ベイナイト(B)の組織単位(D はき裂進展方向のパケットサイズの平均値、マルテンサイト(M)の組織単位(D はき裂進展方向のパケットサイズの平均値とする、
(Hv)α、(Hv)P、(Hv)、(Hv):フェライト(α)、パーライト(P)、ベイナイト(B)、マルテンサイト(M)、各相の平均ビッカース硬さ
γ*/MUeff ≦ 10 ‥‥(3)
γ* ≦ 250 ‥‥(4)
MUeff ≦ 150 ‥‥(5)
% By mass
C: 0.02 to 0.4%, Si: 0.01 to 1.0%,
Mn: 0.5 to 3.0%, P: 0.05% or less,
S: 0.05% or less, Sol.Al: 0.10% or less
A high-strength steel material having a composition comprising the balance Fe and inevitable impurities, ferrite having an area ratio exceeding 50%, the balance having a hard phase structure, and a high yield strength of 315 MPa or more For
For the high-strength steel material of interest, the structure observation, Vickers hardness measurement is performed, the area ratio (AR) of each phase constituting the structure in the assumed fatigue crack growth direction, the structural unit (DP) of each phase, Find the average Vickers hardness (HV) of each phase,
Calculate the crack tip plastic zone dimension γ p * (μm) defined by the following equation (1) and the effective structural unit MU eff (μm) in the crack propagation direction defined by the following equation (2). (3) a is satisfied - (5), the fatigue Crack Growth rate da / dN, at least, 1.75 × 10 -8 (m / cycle) at ΔK I = 15MPa√m below, ΔK I = 20MPa√ A method for determining a high strength steel material having excellent fatigue crack propagation characteristics, characterized in that the steel material is determined to have excellent fatigue crack propagation characteristics at m of 4.26 × 10 -8 (m / cycle) or less .
Record
γ P * = {(K Imax ) 2 × 10 6 / (2πσ Y 2 )} × (1−2ν) 2 (1)
Where K Imax is the maximum stress intensity factor in mode I and is a value in the range of 5 to 35 (MPa√m), σ Y is the yield stress (MPa), and ν is Poisson's ratio (= 0.3).
MU eff = (AR) α × (D P ) α + (AR) P × (D P ) P × {(Hv) P / (Hv) α } + (AR) B × (D P ) B × {( Hv) B / (Hv) α } + (AR) M × (D P) M × {(Hv) M / (Hv) α} ‥‥ (2)
Here, (AR) α , (AR) P , (AR) B , (AR) M : ferrite (α), pearlite (P), bainite (B), martensite (M), area ratio of each phase ( 0-1),
(D P ) α , (D P ) P , (D P ) B , (D P ) M : Ferrite (α), pearlite (P), bainite (B), martensite (M), crack of each phase The structural unit (μm) in the propagation direction, the “structural unit in the crack propagation direction” here, is a structural unit closely related to the bending of the crack measured in the crack propagation direction. organizational unit (D P) of the (alpha) alpha feeling crack propagation direction of the average of the ferrite grain size, organizational unit (D P) P wear of crack propagation direction of the bulk perlite size or layered pearlite pearlite (P) Mean thickness, bainite (B) structural unit (D P ) B is the average packet size in the crack propagation direction, martensite (M) structural unit (D P ) M is the crack propagation direction The average packet size,
(Hv) α , (Hv) P , (Hv) B , (Hv) M : ferrite (α), pearlite (P), bainite (B), martensite (M), average Vickers hardness of each phase
γ P * / MU eff ≤ 10 (3)
γ P * ≦ 250 (4)
MU eff ≦ 150 (5)
前記組成に加えてさらに、質量%で、Cu:3.0%以下、Ni:10%以下、Cr:3.0%以下、Mo:2.0%以下、Nb:0.1%以下、V:0.1%以下、Ti:0.1%以下、B:0.005%以下のうちから選ばれた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に記載の高強度鋼材の判定方法。 In addition to the above composition, Cu: 3.0% or less, Ni: 10% or less, Cr: 3.0% or less, Mo: 2.0% or less, Nb: 0.1% or less, V: 0.1% or less, Ti: 0.1 % Or less, B: 1 type or 2 types or more selected from 0.005% or less are contained, The determination method of the high strength steel materials of Claim 4 characterized by the above-mentioned. 前記組成に加えてさらに、質量%で、Ca:0.010%以下、REM:0.010%以下のうちから選ばれた1種または2種を含有することを特徴とする請求項またはに記載の高強度鋼材の判定方法。 The high content according to claim 4 or 5 , further comprising one or two selected from Ca: 0.010% or less and REM: 0.010% or less in mass% in addition to the composition. Method for judging strength steel.
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