JP6472315B2 - 厚鋼板 - Google Patents
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Description
表層での金属組織がフェライトおよび上部ベイナイトの少なくとも一方を、分率で80面積%以上含み、
前記フェライトおよび上部ベイナイトの少なくとも一方の結晶粒の有効結晶粒径が10.0μm以下であり、
前記表層での金属組織のうちフェライトおよび上部ベイナイトを除いた残部組織の結晶粒の平均円相当径が3.0μm以下であり、
X線回折で測定したときの転位密度ρの値が2.5×1015m−1以下である、
ことを特徴とする。
Bs(℃)=830−270×[C]−90×[Mn]−37×[Ni]−70×[Cr]−83×[Mo] …(1)
但し、[C]、[Mn]、[Ni]、[Cr]および[Mo]は、夫々C、Mn、Ni、CrおよびMoの含有量(質量%)を示す。
板厚をtとしたとき、表面から板厚方向に沿って板厚tのt/4位置における、圧延方向な平行な縦断面での金属組織が、上部ベイナイトを分率で80面積%以上含み、
前記上部ベイナイトの結晶粒の有効結晶粒径が10.0μm以下であり、
上部ベイナイトを除いた残部組織の結晶粒の平均円相当径が3.0μm以下であることが好ましい。
35×[Si]+18×[Mn]+17×[Ni]+16×[Cu]≧40…(2)
21×{[Ti]−3.4[N]}+19×[Cr]+11×{[Nb]−7.7[C]}+10×[Mo]≦2 …(3)
但し、[Si]、[Mn]、[Ni]、[Cu]、[Ti]、[N]、[Cr]、[Nb]、[C]および[Mo]は、夫々Si、Mn、Ni、Cu、Ti、N、Cr、Nb、CおよびMoの含有量(質量%)を示し、{[Ti]−3.4[N]}、{[Nb]−7.7[C]}が負となるときは、「0」として計算する。
本発明の実施の形態1について説明する。本発明者らは、まず種々の厚鋼板について、添加元素と疲労強度の関係を調査した。その結果、SiおよびCuの添加により疲労強度が顕著に向上することが明らかになった。一般的に疲労亀裂は繰り返し応力により運動する可動転位が交差すべり等により非可逆的運動となることに起因して発生する。この際、転位はセル構造を形成することが知られているが、SiおよびCuを合計で0.3質量%以上となるように添加することで、このセル構造の形成が抑制されることが明らかとなった。
Cは、母材(鋼板)の強度を確保するために重要な元素である。そのため、C量は0.02質量%以上と定めた。C量は、好ましくは0.03質量%以上であり、より好ましくは0.04質量%以上である。一方、C量が過剰になると、高強度となり過ぎて所望の引張強度が得られないだけでなく、加速冷却を用いる場合には焼入れ性が過剰となり、転位密度ρが大きくなるため疲労特性が低下する。そこでC量は0.10質量%以下と定めた。C量は、好ましくは0.08質量%以下であり、より好ましくは0.06質量%以下である。
Mnは、微細な組織を得るために焼入れ性を確保するうえで重要な元素である。こうした作用を有効に発揮させるためには、Mn量は1.0質量%以上とする必要がある。Mn量は好ましくは1.2質量%以上であり、より好ましくは1.4質量%以上である。しかしMn量が過剰になると、焼入れ性が過剰となり転位密度ρが増加し、十分な疲労特性が得られない。そのため、Mn量は2.0質量%以下とする必要がある。Mn量は好ましくは1.8質量%以下であり、より好ましくは1.6質量%以下である。
Nbは、焼入れ性を向上させ、組織を微細化させるために有効な元素である。こうした作用を有効に発揮させるためには、Nb量は0.01質量%以上とすることが好ましい。より好ましくは0.02質量%以上である。しかしながら、Nb量が過剰になると焼入れ性が過剰になり、所望の疲労特性が得られない。そのため、Nb量は0.05質量%以下とする必要がある。好ましくは0.04質量%以下、より好ましくは0.03質量%以下である。
Tiは、焼入れ性を向上させると同時にTiNを形成することで溶接時の熱影響部の組織を微細とし、靱性の低下を抑制するなどに有用な元素である。このため、Tiは0.01質量%以上含有させることが好ましい。より好ましくは0.02質量%以上である。しかしながら、Ti量が過剰になると、粗大なTiNが生じることで靱性などの特性を低下させる恐れがある。そのため、Ti量は0.05質量%以下とする必要がある。好ましくは0.04質量%以下、より好ましくは0.03質量%以下である。
Alは脱酸のために有用な元素であり、0.01質量%に満たないと脱酸効果が発揮されない。好ましくは0.02質量%以上であり、より好ましくは0.03質量%以上である。しかしながら、Al量が過剰になると焼入れ性が過剰となり、転位密度ρが増加することで所望する疲労特性が得られない。そのため、Al量は0.06質量%以下とする必要がある。好ましくは0.05質量%以下、より好ましくは0.04質量%以下である。
Siは、固溶強化量が大きく母材の強度を確保するために必要な元素であると同時に、転位の運動を抑制させることでセル化抑制に有効な元素である。この作用を有効に発揮させるためには、Si量は0.1質量%以上とする必要がある。Si量は好ましくは0.2質量%以上、より好ましくは0.3質量%以上である。しかし、Si量が過剰になると残部組織が粗大かつ過剰に生じるため、靱性等他の特性を低下させる恐れがある。そのため、Si量は0.6質量%以下とする必要がある。好ましくは0.55質量%以下、より好ましくは0.5質量%以下である。
Niは、焼入れ性を向上させ、組織を微細にする効果があると同時に、Cu添加により生じやすくなる熱間加工時の割れを抑制する効果がある。このような効果を発揮させるためには、Niは0.1質量%以上含有させることが好ましい。より好ましくは0.2質量%以上である。しかし、Niを過剰に含有させると焼入れ性が過剰となり、転位密度ρが過大となることで所望とする疲労特性が得られない。そのため、Ni量は0.6質量%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.5質量%以下、更に好ましくは0.4質量%以下である。
V、CrおよびMoは、鋼板の焼入れ性を向上させる効果のある元素であり、組織を微細化させることに有効である。このような作用を発揮させるためには、V:0.01質量%以上、Cr:0.1質量%以上、Mo:0.01質量%以上のいずれか単独、または2種以上を含有させことが好ましい。しかしながら、これらの元素を過剰に含有させると焼入れ性が過剰となり、転位密度ρが過大となって所望の疲労特性が得られない。そこで、夫々の量をV:0.5質量%以下、Cr:1.0質量%以下、Mo:0.5質量%以下とすることが好ましい。より好ましくは、V:0.4質量%以下、Cr:0.8質量%以下、Mo:0.4質量%以下である。
Bは、焼入れ性を向上させる元素であり、特に粗大なフェライト組織の生成を抑制して、微細な上部ベイナイト組織を生じさせやすくする元素である。こうした効果を発揮させるためには、B量を0.0005質量%以上とすることが好ましい。より好ましくは0.001質量%以上である。しかし、B量が過剰になると焼入れ性が過剰となり、転位密度ρが過大となって所望の疲労特性が得られないため、0.005質量%以下とすることが好ましい。より好ましくは、0.004質量%以下である。
全熱間圧延工程での累積圧下率:70%以上
仕上げ圧延終了温度:Ar3変態点〜Ar3変態点+150℃
仕上げ圧延終了温度または800℃のいずれかの温度のうち、より低温の温度から600℃での平均冷却速度:15℃/秒以下
冷却停止温度:500℃以上
累積圧下率=(t0−t1)/t2×100 …(4)
(4)式中、t0は表面から3mmの位置の温度が圧延温度範囲にあるときの鋼片の圧延開始厚み(単位:mm)、t1は表面から3mmの位置の温度が圧延温度範囲にあるときの鋼片の圧延終了厚み(単位:mm)、t2は圧延前の鋼片、例えばスラブの厚みを、夫々示す。
Ar3変態点=910−230×[C]+25×[Si]−74×[Mn]−56×[
Cu]−16×[Ni]−9×[Cr]−5×[Mo]−1620×[Nb]…(5)
但し、[C],[Si],[Mn],[Cu],[Ni],[Cr],[Mo]および[Nb]は、夫々C,Si,Mn,Cu,Ni,Cr,MoおよびNbの質量%での含有量を示す。
次に、本発明の実施の形態2について説明する。大型構造物に用いられる鋼板においては、亀裂進展速度の低下、即ち亀裂進展特性の向上もまた求められている。それは、万が一疲労亀裂が発生した場合でも、亀裂進展速度が遅ければ、破壊に至るまでに損傷部位を発見し、補修することが可能であるからである。
21×{[Ti]−3.4[N]}+19×[Cr]+11×{[Nb]−7.7[C]}+10×[Mo]≦2 …(3)
但し、[Si]、[Mn]、[Ni]、[Cu]、[Ti]、[N]、[Cr]、[Nb]、[C]および[Mo]は、夫々Si、Mn、Ni、Cu、Ti、N、Cr、Nb、CおよびMoの含有量(質量%)を示し、{[Ti]−3.4[N]}、{[Nb]−7.7[C]}が負となるときは、「0」として計算する。
全熱間圧延工程の累積圧下率:80%以上
未再結晶温度域での圧下率:85%未満
仕上げ圧延終了温度または800℃のいずれかの温度のうち、より低温の温度から少なくとも600℃までの平均冷却速度:3.0℃/秒以上
表1に示す鋼種A〜Wの化学成分組成の鋼を、通常の溶製法に従って溶製し鋳造した後、表2に示す圧延条件No.a〜lの各種条件にて熱間圧延を行ない、厚さ20mmの鋼板を得た。尚、表1において、「−」で示した欄は無添加であることを示し、[Si]+[Cu]はSiとCuの合計含有量を示す。また表1に示したAr3変態点は、前記式(5)によって求められた値である。表2において、「全熱間圧延工程累積圧下率」とは、全熱間圧延工程での累積圧下率である。
鋼板表面から深さ3mm位置の鋼板の圧延方向に平行で且つ鋼板の表面に対して垂直な面が露出するようにサンプルを切り出し、これを#150〜#1000までの湿式エメリー紙を用いて研磨し、その後に研磨剤としてダイヤモンド研磨剤を用いて鏡面研磨仕上げした。この鏡面試験片を、2%硝酸−エタノール溶液、即ちナイタール溶液でエッチングした後、観察倍率400倍(観察面積:3.71×10-2mm2)で3視野観察し、その画像をMedia Cybernetics社製の画像解析ソフト“Image Pro Plus ver.4.0”を使用した画像解析処理により、金属組織の分別を行った。この3視野の値を平均してそれぞれの金属組織の面積率とした。尚、観察領域は、鋼板表面から深さ3mm位置を中心とし、板厚方向に166μm、圧延方向に222.74μmの視野で撮影した。
鋼板表面から深さ3mm位置の鋼板の圧延方向に平行な縦断面において、SEM(Scanning Electron Microscope:走査型電子顕微鏡)−EBSP(Electron Backscatter Pattern:電子後方散乱解析像法)によってフェライトおよび上部ベイナイトの有効結晶粒径を測定した。具体的には、TEX SEM Laboratries社のEBSP装置(商品名:「OIM」)をSEMと組み合わせて用い、隣り合う結晶粒の方位差が15°以上の大角粒界で囲まれた領域を結晶粒として結晶粒径を測定した。このときの測定条件は、測定領域:200μm×200μm、測定ステップ:0.5μm間隔とし、測定方位の信頼性を示すコンフィデンス・インデックス(Confidence Index)が0.1よりも小さい測定点は解析対象から除外した。このようにして求められる結晶粒界について、板厚方向に100箇所の切断長さを測定し、その平均値を有効結晶粒径とした。但し、有効結晶粒径が2.0μm以下は測定ノイズとして判断し、除外した。観察領域は、鋼板表面から深さ3mm位置を中心とし、板厚方向両側に100μmの広がりのある領域とした。
フェライトおよび上部ベイナイト以外の残部組織のサイズは、鋼板表面から深さ3mm位置の鋼板の圧延方向に平行で且つ鋼板の表面に対して垂直な面が露出するようにサンプルを切り出し、これを#150〜#1000までの湿式エメリー紙を用いて研磨し、その後に研磨剤としてダイヤモンド研磨剤を用いて鏡面研磨仕上げした。この鏡面試験片を、2%硝酸−エタノール溶液、即ちナイタール溶液でエッチングした後、観察面積:3.71×10-2mm2、観察倍率400倍で観察した。このときの観察領域は、鋼板表面から深さ3mm位置を中心とし、板厚方向両側に100μmの広がりのある領域とした。その画像を、上記画像解析ソフトを用いて画像解析処理し、残部組織の結晶粒1個あたりの面積を算出し、算出した面積から、残部組織の結晶粒の円相当直径を求めた。尚、本実施例では、3視野の平均値を平均して、円相当直径とした。
鋼板のt/4位置において、SEM−EBSPによって高ひずみ粒と低ひずみ粒の測定を行った。具体的には、TEX SEM Laboratries社のEBSP装置(商品名:「OIM」)をSEMと組み合わせて用い、隣り合う結晶粒の方位差が15°以上の大角粒界で囲まれた領域を結晶粒として結晶粒径を測定した。このときの測定条件は、測定領域:200μm×200μm(鋼板表面から深さ3mm位置を中心とし、板厚方向両側に100μmの広がりのある領域)、測定ステップ:0.5μm間隔とし、測定方位の信頼性を示すコンフィデンス・インデックスCI(Confidence Index)が0.1よりも小さい測定点は解析対象から除外した。各測定点と隣接点との方位差であるKAMの結晶粒内の平均値GAMを測定した。この測定を各鋼種3視野の測定を行い、GAMが1°以上となる面積分率の平均値を計算した。
各鋼板の表面からの深さが2〜6mmとなる位置から、板厚4mm、標点距離35mmの引張試験片を採取し、JIS Z2241:2011にしたがって引張試験を行なうことによって、引張強度TS(Tensile Strength)を測定した。
疲労特性は、各鋼板の表面からの深さが2〜6mmとなる位置から、4mm厚の鋼板を切り出し、図2に示すような試験片を作製して行なった。尚、試験片表面はエメリー紙にて#1200まで研磨を行なって、表面状態の影響を除去した。得られた試験片について、インストロン社製電気油圧サーボ式疲労試験機を用いて、以下の条件で疲労試験を行なった。
制御方法:荷重制御
制御波形:正弦波
応力比:R=−1
試験速度:20Hz
試験終了サイクル数:5000000回
転位密度ρはX回折測定を行ない、得られたα−Feの半価幅より算出した。以下に、測定条件および測定原理を説明する。分析装置はX線回折装置「RAD−RU300」(商品名:理学電機株式会社製)を用い、ターゲットにはCo乾球を用いた。得られたX線回折測定結果より、ピークフィッティングによりピーク半価幅を算出し、転位密度ρを計算した。転位密度ρは式(6)より求めた。
ρ(m-1)=−14.4ε2/b2 …(6)
但し、εは歪みを、bはバーガースべクトル(=0.25×10-9m)を夫々示す。
βcosθ/λ=0.9/D+2εsinθ/λ …(7)
β2=βm 2−βs 2 …(8)
尚、βは真の半価幅(単位:rad)、θはブラッグ角(単位:°)、λは入射X線波長(単位:nm)、Dは結晶の大きさ(単位:nm)、βmは実測した半価幅、βsは無歪試料における半価幅(装置定数)である。また、上記式(8)により、βmとβsからβを計算し、この値を上記式(7)に代入してβcosθ/λ−sinθ/λをプロットし、(110)、(211)および(220)の3点を最小自乗法でフィッティングした。そして、フィッティング直線の傾き(2ε)から歪みεを算出し、式(6)に代入して転位密度ρを計算した。
表3に示した試験No.1〜17の各鋼板について、鋼板内部、即ち板厚をtとしたときのt/4の位置での上部ベイナイトの分率、有効結晶粒径、第2相となる残部組織のサイズについて、実施例1に示した方法と同様にして評価した。試験片の採取方法については、板厚tのt/4に相当する位置とする以外は、上記と同様である。また、これらの鋼板につき、下記の方法によって亀裂進展速度を測定した。
鋼板のt/4位置において、SEM−EBSPによって高ひずみ粒と低ひずみ粒の測定を行った。具体的には、TEX SEM Laboratries社のEBSP装置(商品名:「OIM」)をSEMと組み合わせて用い、隣り合う結晶粒の方位差が15°以上の大角粒界で囲まれた領域を結晶粒として結晶粒径を測定した。このときの測定条件は、測定領域:200μm×200μm(鋼板のt/4位置を中心とし、板厚方向両側に100μmの広がりのある領域)、測定ステップ:0.5μm間隔とし、測定方位の信頼性を示すコンフィデンス・インデックスCI(Confidence Index)が0.1よりも小さい測定点は解析対象から除外した。各測定点と隣接点との方位差であるKAM(Karnel Average Misorientation)の結晶粒内の平均値GAM(Grain Average Misorientation)を測定し、GAMが1°以上となる結晶粒を高ひずみ結晶粒として定義した。この測定を各鋼種3視野の測定を行い、GAMが1°以上となる面積分率の平均値を計算した。
ASTM(American Society for Testing Materials) E647に従って、コンパクト試験片を用い、電気油圧サーボ式疲労試験機にて下記の条件で疲労亀裂進展試験を行い、亀裂進展速度を測定した。尚、コンパクト試験片は、鋼板のt/4の位置から採取し、図3に示す形状のものを用いた。また、亀裂長さはコンプライアンス法を用いた。
試験環境:室温、大気中
制御方法:荷重制御
制御波形:正弦波
応力比:R=−1
試験速度:5〜20Hz
da/dn=C(ΔK)p …(9)
但し、式(9)中、a:亀裂長さ(単位:mm)、n:繰り返し数(単位:cycle)、C,p:材料、荷重等の条件で決まる定数を夫々示す。
Claims (9)
- C:0.02〜0.10質量%、Mn:1.0〜2.0質量%、Nb:0.01〜0.05質量%、Ti:0.01〜0.05質量%、Al:0.01〜0.06質量%を夫々含有すると共に、Si:0.1〜0.6質量%およびCu:0.1〜0.6質量%から選択される1種以上を含有し、SiとCuを合計で0.4質量%以上含み、残部が鉄および不可避的不純物の厚鋼板であって、
表層での金属組織がフェライトおよび上部ベイナイトの少なくとも一方を、分率で80面積%以上含み、
前記フェライトおよび上部ベイナイトの少なくとも一方の結晶粒の有効結晶粒径が10.0μm以下であり、
前記表層での金属組織のうちフェライトおよび上部ベイナイトを除いた残部組織の結晶粒の平均円相当径が3.0μm以下であり、
X線回折で測定したときの転位密度ρの値が2.5×1015m−1以下である、
ことを特徴とする厚鋼板。 - 前記残部組織中の島状マルテンサイトの割合が、分率で5面積%以下である請求項1に記載の厚鋼板。
- 更に、Ni:0質量%超、0.6質量%以下を含有し、Ni量[Ni]と前記Cu量[Cu]との比である[Ni]/[Cu]が1.2未満である請求項1または2に記載の厚鋼板。
- 更に、V:0質量%超、0.5質量%以下、Cr:0質量%超、1.0質量%以下およびMo:0質量%超、0.5質量%以下よりなる群から選択される1種以上を含有する請求項1〜3のいずれかに記載の厚鋼板。
- 化学成分組成から下記式(1)に基づいて計算されるベイナイト変態開始温度Bsが640℃以上である請求項1〜4のいずれかに記載の厚鋼板。
Bs(℃)=830−270×[C]−90×[Mn]−37×[Ni]−70×[Cr]−83×[Mo] …(1)
但し、[C]、[Mn]、[Ni]、[Cr]および[Mo]は、夫々C、Mn、Ni、CrおよびMoの含有量(質量%)を示す。 - 更に、B:0質量%超、0.005質量%以下を含有する請求項1〜5のいずれかに記載の厚鋼板。
- 板厚をtとしたとき、表面から板厚方向に沿って板厚tのt/4位置における、圧延方向に平行な縦断面での金属組織が、上部ベイナイトを分率で80面積%以上含み、
前記上部ベイナイトの結晶粒の有効結晶粒径が10.0μm以下であり、
上部ベイナイトを除いた残部組織の結晶粒の平均円相当径が3.0μm以下である請求項6に記載の厚鋼板。 - 前記金属組織において、EBSP法により観察した一つの結晶粒内におけるGAMが1°以上の結晶粒を、分率で20面積%以上80面積%以下含む請求項7に記載の厚鋼板。
- 更に、下記式(2)および式(3)の関係を満足する請求項8に記載の厚鋼板。
35×[Si]+18×[Mn]+17×[Ni]+16×[Cu]≧40 …(2)
21×{[Ti]−3.4[N]}+19×[Cr]+11×{[Nb]−7.7[C]}+10×[Mo]≦2 …(3)
但し、[Si]、[Mn]、[Ni]、[Cu]、[Ti]、[N]、[Cr]、[Nb]、[C]および[Mo]は、夫々Si、Mn、Ni、Cu、Ti、N、Cr、Nb、CおよびMoの含有量(質量%)を示し、{[Ti]−3.4[N]}、{[Nb]−7.7[C]}が負となるときは、「0」として計算する。
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