JP6551630B1

JP6551630B1 - 厚鋼板の脆性き裂伝播停止性能の評価方法

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Publication number: JP6551630B1
Application number: JP2019514054A
Authority: JP
Inventors: 隆洋 ▲崎▼本; 恒久半田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2017-11-22
Filing date: 2018-11-14
Publication date: 2019-07-31
Anticipated expiration: 2038-11-14
Also published as: KR20200064138A; EP3715823B1; EP3715823A4; US11313776B2; KR102385019B1; EP3715823A1; WO2019102912A1; US20200333225A1; CN111433585B; CN111433585A; JPWO2019102912A1

Abstract

厚鋼板の脆性き裂伝播停止性能の評価方法を提供する。本発明は、大型試験片を用いた厚鋼板の脆性き裂伝播停止性能の評価方法であり、大型試験片の荷重負荷方向中央部の一方の端部に、脆性き裂を発生させる切欠きを配設し、さらに該切欠きの先端に、あるいは該先端を含むようにかつ脆性き裂伝播方向に延在するように所定の長さＬの脆化領域を形成し、さらに、脆化領域形成後に溶融溶接部を、脆化領域に離間して、少なくとも１箇所、配設した試験片を使用する。溶融溶接部は、脆化領域から、片側または両側に、板厚ｔに関係した距離ｄだけ離間した位置に、その長さを脆化領域長さＬを基準としてΔL1（0.3Ｌ〜−0.3Ｌ）の範囲で増減し、かつ試験片端部からΔL2（0〜0.4Ｌ）の範囲で短くした形状に、形成する。これにより、切欠きから発生した脆性き裂が、所定の脆性領域から外れることなく伝播し、FPDを防止でき、有効なCAT試験結果を得ることができる。

Description

本発明は、船舶、海洋構造物、低温貯蔵タンク、建築、土木構造物、パイプライン等の大型構造物用として好適な厚鋼板の脆性き裂伝播停止性能の評価方法に関する。

船舶、海洋構造物、低温貯蔵タンク、建築、土木構造物、パイプライン等の大型構造物においては、脆性破壊に伴う大規模な損傷や損壊等の事故が発生すると、経済や環境に大きな影響を及ぼす。そのため、とくに大型構造物では、脆性破壊の防止という観点から、構造物の安全性向上が常に求められている。そこで、このような大型構造物に使用される鋼材には、使用温度において優れた低温靭性や優れた脆性き裂伝播停止靭性値を有することが要求されている。

なかでも、万一、脆性き裂が発生した場合でも、脆性き裂の伝播を大規模破壊に至る前に停止させる必要があることから、脆性き裂伝播停止靭性値は重要な特性となる。なお、以下の説明において、脆性き裂伝播停止靭性値は「アレスト性能」ともいう。

このような状況から、「アレスト性能」を向上させた種々の鋼材あるいは大型溶接構造体が開発されている。例えば、特許文献１には、「脆性き裂伝播停止特性に優れた鋼板の製造方法」が記載されている。特許文献１に記載された技術では、所定の組成に調整した鋼片を、加熱温度と保持時間を適正に制御した加熱条件で加熱したのち、圧延温度と圧下率を調整した圧延とその後の加速冷却を行う。これにより、ミクロ組織が面積率でフェライト：20〜50％、パーライト：5％以下、ベイナイト：40〜80％を含有し、析出物および介在物のうち円相当径の大きなものから個数割合で20％までのものの平均円相当径が0.4μm以下であり、き裂伝播有効粒径がNiと板厚に依存する所定の式で定義されるｄ（μm）以下であり、板厚50mm以上、降伏強さ460MPa以上である、脆性き裂伝播停止特性に優れた鋼板を得られるとしている。

特許文献１に記載された技術では、「アレスト性能」は、WES 2815（2014）に記載される方法に基づき、全厚で500mm幅の試験片を採取して、温度勾配型ＥＳＳＯ試験を行って、Kca＝6000N/mm^1.5を示す温度で評価している。特許文献１に記載された技術で得られる鋼板は、Kca＝6000N/mm^1.5を示す温度が−10℃以下となる。

このように、大型溶接構造物に用いられる厚鋼板あるいは大型溶接構造体のアレスト性能は、通常、非特許文献１や非特許文献２に記載された方法に準拠して、温度勾配型ＥＳＳＯ試験、あるいは非特許文献３に記載された脆化部を有する温度平坦型CAT（Crack Arrest Test）試験を実施して評価している。温度平坦型CAT試験（以下、CAT試験と称する場合もある）には、非特許文献３に記載の二重引張タイプや試験片端部にくさびを打込むタイプがある。

通常、CAT試験では、端部にＶ切欠を有する大型試験片（大きさ：板厚mm×500mm×500mm程度）を用い、所定の温度となるように冷却したのち、試験片に所定の応力を付加しながら、Ｖ切欠に、楔を介して衝撃荷重を負荷して、脆性き裂を人為的に発生させる。そして、発生した脆性き裂が停止する温度を求め、鋼材の脆性き裂伝播停止特性を評価している。なお、切欠きからの脆性き裂の発生、および脆性き裂の進展を促進させるために、切欠きの先端に、き裂の進展方向に沿って、脆化領域を設けることが多い。例えば、非特許文献３には、広幅の試験片（板厚mm×880mm×1500mm）を用いた二重引張試験の概要が示されている。この試験では、き裂は、主板と二次荷重付加用タブとの間に導入されたソーカットノッチから発生させているが、き裂の発生および進展を助けるため、ソーカットノッチの先端に、脆化した領域（脆化領域）が導入されている。なお、脆化領域は、試験片の狭い領域を電子ビーム技術により溶融させて形成している。

特開2017−150067号公報

ＷＥＳ3003−1995「低温用圧延鋼板判定基準」社団法人日本溶接協会日本海事協会「脆性き裂アレスト設計指針」（1995）付属書Ａ「脆性亀裂伝播停止靭性Ｋca試験方法」社団法人日本海事協会 C. S. WIESNER, B. HAYES, S. D. SMITH and A. A. WILLOUGHBY , "INVESTIGATIONS INTO THE MECHANICS OF CRACK ARREST IN. LARGE PLATES OF 1.5%Ni TMCP STEEL", Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, Volume 17, Issue 2 February 1994, Pages 221-233

しかし、上記した切欠き先端に脆化領域を設けた大型試験片を利用するCAT試験では、試験条件によっては、人為的に発生させた脆性き裂が脆化領域を伝播せず、途中で母材へ逸れるFPD(Fracture Pass Deviation)が発生する場合がある。このFPDが発生した場合は、鋼板の脆性き裂伝播停止性能を正確に測定できず試験は無効となり、当該鋼板の脆性き裂伝播停止性能を評価できない、という問題があった。

そこで、本発明は、試験条件によらず有効な評価結果を得ることができる、厚鋼板の脆性き裂伝播停止性能の評価方法を提供することを目的とする。なお、ここでいう「厚鋼板」とは、板厚：10mm以上の鋼板をいうものとする。

本発明者らは、上記した目的を達成するために、大型試験片を用いた温度平坦型CAT試験において、切欠きで人為的に発生させた脆性き裂が、き裂伝播方向に設けられた脆化領域を伝播せずに、途中で母材へ逸れるFPDが発生する要因について、鋭意検討した。ここでは、切欠きは、切削加工等で角度：30°のＶノッチとした。また、切欠き先端を含み、き裂伝播方向に脆化領域を形成した。なお、脆化領域は、電子ビームによりき裂伝播方向に狭い領域について溶融溶接して形成した。

まず、上記した切欠き先端を含み、脆化領域を形成したＥＳＳＯ試験片について、熱弾塑性を考慮した有限要素解析を行い、脆性き裂伝播前の試験片内の応力場を計算した。その結果、脆化領域では、溶融溶接による溶接線方向の引張残留応力と試験中に付与される引張応力とが作用する二軸応力状態になっていることを知見した。

そこで、本発明者らは、脆性き裂が脆化領域から外れて（逸れて）伝播したのは、このような二軸応力状態の影響によるものと推定し、脆化領域における引張残留応力を除去する方法について、さらに検討した。その結果、脆化領域における溶接線方向の引張残留応力を除去するには、試験片内における、脆化領域の近傍の所定の領域で、所定の長さの溶融溶接を施すことが、有効であることを見出した。

脆化領域における溶接線方向の引張残留応力は、試験片における、脆化領域の外側の母材部に溶接線方向の圧縮残留応力を生じさせ、試験片全体として、応力のバランスを保っている。そこで、この圧縮残留応力が生じた母材部に溶融溶接を行うことで、その圧縮残留応力を除去でき、結果として脆化領域の引張残留応力も除去できることを、知見した。

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、本発明の要旨は次のとおりである。
（１）大型試験片を用いて、該大型試験片に対して、所定の温度となるように冷却し、所定の応力を負荷したのち、き裂を発生させ、伝播させて、厚鋼板の脆性き裂伝播停止性能を評価する、厚鋼板の脆性き裂伝播停止性能の評価方法であって、前記大型試験片を、前記厚鋼板から採取した、幅500mm以上、長さ500mm以上の試験片とし、該大型試験片の荷重負荷方向中央部の一方の端部に、脆性き裂を発生させる切欠きを配設し、さらに該切欠きの先端に、あるいは該先端を含むようにかつ脆性き裂伝播方向に延在するように所定の長さＬの脆化領域を形成し、さらに、前記脆化領域に離間して、少なくとも１箇所に、（１）式
1.0ｔ≦ ｄ ≦7.0ｔ ……（１）
（ここで、ｄ：脆化領域中心と溶融溶接部中心との距離（mm）、ｔ：試験片（厚鋼板）板厚（mm）とする）
を満足する位置で、（２）〜（３）式
−0.3Ｌ≦ΔL1≦0.3Ｌ ……（２）
0≦ ΔL2 ≦0.4Ｌ ……（３）
（ここで、Ｌ：脆化領域長さ（mm）、ΔL1：脆性き裂伝播方向に沿って、脆化領域先端位置と溶融溶接部先端位置との距離（mm）（なお、負の値は脆化領域先端より非評価領域側、正の値は脆化領域先端より評価領域側とする）、ΔL2：脆性き裂伝播方向に沿って、試験片端部と溶融溶接部端部との距離（mm）とする）、
を満足する長さの溶融溶接部を前記脆化領域形成後に形成した試験片とする厚鋼板の脆性き裂伝播停止性能の評価方法。
（２）（１）において、前記大型試験片が、二重引張試験片である厚鋼板の脆性き裂伝播停止性能の評価方法。

本発明によれば、試験条件が種々変化しても、脆性き裂が所定の伝播領域から外れることがなくなり、無効な試験がなくなる。これにより、厚鋼板の脆性き裂伝播停止性能を評価するCAT試験の試験効率が格段に向上し、産業上格段の効果を奏する。

図１は、本発明で使用する大型試験片の概略を示す説明図である。

本発明は、厚鋼板の脆性き裂伝播停止性能の評価方法である。本発明では、大型試験片を用いて、該大型試験片を所定の温度となるように冷却し、該大型試験片に所定の応力を負荷したのち、き裂を発生させ、き裂を伝播させて、厚鋼板の脆性き裂伝播停止性能を評価する。

図１を用いて、本発明で使用する大型試験片について説明する。
図１は、本発明で使用する大型試験片の概略を示す説明図である。図１に示すように、本発明では、評価対象の厚鋼板（板厚：ｔmm）から採取した、幅500mm以上、長さ500mm以上の大型試験片１（以下、試験片と称する場合もある）を使用する。

使用する大型試験片では、荷重負荷方向中央部の一方の端部に、脆性き裂を発生させる切欠き２を配設する。配設する切欠き２の形状は、とくに限定されないが、楔等を介した打撃エネルギーの付与により、脆性き裂を発生できる形状とする。例えばＶ字形状とすることが好ましく、さらに切欠き先端にソーカットを付与してもよい。さらに、本発明で使用する大型試験片１では、上記した切欠き２の先端にあるいは該先端を含むように、かつ脆性き裂伝播方向に延在するように、所定の長さＬの脆化領域３（幅：5mm程度）を形成する。この脆化領域３は、電子ビームによる溶融溶接を行って、き裂伝播方向に狭幅の領域とすることが好ましい。電子ビーム以外には、例えばレーザービーム溶接、アーク溶接による溶融溶接が例示できる。なお、脆化領域３の幅は、1mmから10mm以内が好ましい。

この脆化領域３を形成すると、試験片１には、溶融溶接による溶接線方向の引張残留応力が生じ、試験時にはその応力と垂直な方向の引張応力が付与され、二軸応力状態になっている。そのため、切欠き２から発生した脆性き裂は、所定の脆化領域３から外れる場合がある。なお、脆化領域３の溶接線方向の引張残留応力は、脆化領域３の外側の母材部に溶接線方向の圧縮の残留応力を生じさせ、これにより試験片１全体としては応力のバランスが保たれている。

そこで、本発明では、溶接線方向の圧縮残留応力が生じた母材部領域に溶融溶接部４を形成し、圧縮残留応力を除去し、ひいては脆化領域３の引張残留応力を除去する。これにより、切欠き２から発生した脆性き裂が所定の脆化領域３から外れるのを防止する。

脆化領域３の外側に形成される圧縮残留応力場の範囲は、脆化領域３の長さＬと試験片１の板厚ｔに関係している。このため、本発明では、次の（１）式
1.0ｔ≦ ｄ ≦7.0ｔ ……（１）
（ここで、ｄ：脆化領域中心と溶融溶接部中心との距離（mm）、ｔ：試験片（厚鋼板）板厚（mm）とする）
を満足し、かつ次の（２）式〜（３）式
−0.3Ｌ≦ΔL1≦0.3Ｌ ……（２）
0≦ ΔL2 ≦0.4Ｌ ……（３）
（ここで、Ｌ：脆化領域長さ（mm）、ΔL1：脆性き裂伝播方向に沿った、脆化領域先端位置と溶融溶接部先端位置との距離（mm）（なお、負の値は脆化領域３の先端より非評価領域側の位置、正の値は脆化領域３の先端より評価領域側の位置とする）、ΔL2：脆性き裂伝播方向に沿った、試験片端部と溶融溶接部端部との距離（mm）とする）、
を満足するように、溶融溶接部４を形成する。
なお、図１に示すように、「非評価領域」とは人為的に発生させた脆性き裂が脆化領域３を通過する領域を指し、「評価領域」とは脆化領域３がなく評価対象材料そのもので構成されている領域を指す。なお、図１における非評価領域は、図１中の「評価領域」に対して上側に位置する脆化領域３がある領域である。

上記した（１）式において、ｄ（ｄ：脆化領域３の中心と溶融溶接部４の中心との距離（mm））の値が1.0ｔ（ｔ：試験片（厚鋼板）１の板厚（mm））未満の場合には、脆化領域３で生じた母材部領域の残留応力は圧縮ではなく引張となっているため、脆化領域３を形成してもその圧縮残留応力の効果は無く、むしろ溶融溶接部４により新たな引張残留応力が脆化領域３に形成され、より一層FPDが生じやすくなる。一方、ｄの値が7.0ｔを超える場合には、脆化領域３で生じた母材部領域の圧縮残留応力がほぼ無くなっており、残留応力の除去効果がない。

上記した（２）式において、ΔL1（ΔL1：脆性き裂伝播方向に沿った、脆化領域３の先端位置と溶融溶接部４の先端位置との距離（mm））の値が−0.3Ｌ（Ｌ：脆化領域３の長さ（mm））未満の場合には、溶融溶接部４で形成される残留応力の除去効果が脆化領域３の全域に達せず、FPDが発生する。一方、ΔL1の値が0.3Ｌを超える場合には、溶融溶接部４で形成される残留応力が評価領域に多く含まれ、健全な評価ができない。

上記した（３）式において、ΔL2（ΔL2：脆性き裂伝播方向に沿った、試験片１の端部と溶融溶接部４の端部との距離（mm））の値が0未満の場合には、試験片１の外側となり物理的に溶融溶接部を形成できない。一方、ΔL2の値が0.4Ｌを超える場合には、溶融溶接部４で形成される残留応力除去効果が脆化領域３の全域に達せず、FPDが発生する。

なお、形成した溶融溶接部４が、上記した（１）式〜（３）式のうち、１つでも満足しない場合には、圧縮残留応力を除去できないため、本発明における所定の効果が期待できない。

本発明では、図１に示すように、上記した（１）式、（２）式および（３）式を満足するように、好ましくは電子ビーム溶接による溶融溶接部４を形成する。溶融溶接部４は、少なくとも１箇所に形成し、しかも脆化領域３から離間し、脆化領域３を形成後に、脆化領域３の片側または両側に形成する。溶融溶接部４を脆化領域３の両側（脆化領域３の右側および左側）に形成する場合は、左右対称でなくても良い。なお、形成する溶融溶接部４は、好ましくは、1.0ｔ≦ｄ≦2.0ｔ、−0.2Ｌ≦ΔL1≦0.2Ｌ、ΔL2＝0を満足するように形成することが、その効果を最も発揮させることから好ましい。

また、溶融溶接部４は、脆化領域３に平行して形成することが試験片１の作製上好ましいが、母材部に残留する圧縮残留応力を除去または減少できればよく、それに限定されないことは言うまでもない。なお、溶融溶接部４は、脆化領域３の中心線に対して60°以下、好ましくは30°以下、さらに好ましくは10°以下傾いて形成しても許容できる。溶融溶接部４の傾きを60°以下とすることで、溶融溶接部４で形成される残留応力の除去効果を脆化領域３の全域に作用させることができ、本発明の効果をより有効に得られる。

本発明では、溶融溶接部４の幅は、板厚を貫通させる溶融ができればよいので特に規定はしないが、例えば実施工上で鋼板の板厚貫通の溶融溶接ができる0.5mm〜30mmが好ましい。

なお、本発明の厚鋼板の脆性き裂伝播停止性能の評価方法は、鋼板の強度に関わらず適用可能であり、例えば実用的な鋼板の降伏強さ400MPa〜800MPa級の鋼板でも評価可能である。

本発明の大型試験片は、人為的なき裂の発生方法に関わらず適用可能であり、CAT試験のように打撃によるき裂発生に替り、二重引張試験のような方法であってよい。この場合であっても、FPDを防ぐ効果は同様に得られる。

以下、実施例に基づき、さらに本発明について説明する。

板厚が19mm、80mmの2種で、470MPa級（降伏強さ：470MPa以上）、600MPa級（降伏強さ：600MPa以上）の高強度厚鋼板を用意した。各厚鋼板から、圧延方向が長さ方向となるように図１に示すような大型試験片１（板厚ｔ×幅500×長さ500mm）を採取した。

採取された大型試験片１の長さ方向中央位置の一方の端部にＶ切欠き２を加工し、さらにＶ切欠きを含んで、電子ビームによる溶融溶接を施し、き裂伝播方向に延在する長さＬの脆化領域３を形成した。なお、脆化領域３の幅は板厚19mmでは5mm程度、板厚80mmでは10mm程度であった。ここでは、大型試験片の長さ方向を荷重負荷方向とした。

ついで、大型試験片１に、脆化領域３に離間しかつ脆化領域３に平行に溶融溶接部４を形成した。ここでは、脆化領域３からｄmm離れた位置で、かつ脆化領域３の長さＬに対してΔL1、ΔL2だけ相違する長さの溶融溶接部４を、脆化領域３の両側に形成した。なお、ｄ（mm）とは脆化領域３と溶融溶接部４との中心間距離である。試験片No.1〜No.10では、脆化領域３の両側の溶融溶接部４を同じ形状に形成した。試験片No.11では、溶融溶接部４を脆化領域３の片側のみに形成した。試験片No.12では、脆化領域３の中心線に対し60°傾いた溶融溶接部４を、脆化領域３の片側のみに形成した。なお、溶融溶接部を傾けた場合のｄ（mm）とは、脆化領域３と溶融溶接部４との最短距離となる。試験片No.13では、脆化領域３の両側に形成する溶融溶接部４の大きさが異なるように形成した。形成した溶融溶接部４のｄ、ΔL1、ΔL2の組合せを表１に示す。

表１に示すように、溶融溶接部４の長さ、位置が種々変化した大型試験片１を用いた。該大型試験片１が所定の温度（板厚19mmでは−70℃、板厚80mmでは−10℃）になるように冷却し、所定の応力を負荷したのち、切欠き部２に所定の打撃エネルギーを負荷し、脆性き裂を発生させ、脆性き裂を伝播、停止させるCAT試験を実施した。ここでは、CAT試験として、板厚19mmでは負荷応力324MPa、板厚80mmでは307MPaの条件で行った。
CAT試験後、脆性き裂の伝播状況を観察し、脆性き裂のFPD（Fracture Pass Deviation）発生の有無を試験片の外観から目視で調査した。ここでは、人為的に発生させたき裂が脆化領域３の外を伝播した場合をFPD発生有りと評価し、人為的に発生させたき裂が脆化領域３の内を伝播して評価部用域に達した場合をFPD発生無と評価した。
得られた結果を表１に示す。

本発明例（試験No.1〜No.6およびNo.11〜No.13）はいずれも、形成した溶融溶接部が（１）〜（３）式を満足しており、FPDを防止できた。これにより、有効なCAT試験結果が得られた。一方、本発明の範囲を外れる比較例は、形成した溶融溶接部が（１）〜（３）式のうちの、いずれか１つ以上を満足できず、FPDが発生した。これにより、有効なCAT試験結果とはならなかった。

試験No.７は、（２）式（ΔL1の条件）、（３）式（ΔL2の条件）を満足しているが、（１）式（ｄの条件）を満足せず、本発明の範囲外となっており、FPDが発生した。試験No.8は、（３）式（ΔL2の条件）を満足しているものの、（１）式（ｄの条件）、（２）式（ΔL1の条件）を満足せず、本発明の範囲外となっており、FPDが発生した。試験No.9は、（１）式（ｄの条件）、（３）式（ΔL2の条件）を満足しているものの、（２）式（ΔL1の条件）を満足せず、本発明の範囲外となっており、FPDが発生した。試験No.10は、（２）式（ΔL1の条件）を満足しているものの、（１）式（ｄの条件）、（３）式（ΔL2の条件）を満足せず、本発明の範囲外となっており、FPDが発生した。

１大型試験片
２切欠き
３脆化領域
４溶融溶接部

Claims

大型試験片を用いて、該大型試験片に対して、所定の温度となるように冷却し、所定の応力を負荷したのち、き裂を発生させ、伝播させて、厚鋼板の脆性き裂伝播停止性能を評価する、厚鋼板の脆性き裂伝播停止性能の評価方法であって、
前記大型試験片を、前記厚鋼板から採取した、幅500mm以上、長さ500mm以上の試験片とし、
該大型試験片の荷重負荷方向中央部の一方の端部に、脆性き裂を発生させる切欠きを配設し、
さらに該切欠きの先端にあるいは該先端を含むように、かつ脆性き裂伝播方向に延在するように所定の長さＬの脆化領域を形成し、
さらに、前記脆化領域に離間して、少なくとも１箇所に、下記（１）式を満足する位置で、かつ下記（２）〜（３）式を満足する長さの溶融溶接部を、前記脆化領域形成後に形成した試験片とする厚鋼板の脆性き裂伝播停止性能の評価方法。
記
1.0ｔ≦ ｄ ≦7.0ｔ ……（１）
ここで、ｄ：脆化領域中心と溶融溶接部中心との距離（mm）、ｔ：試験片（厚鋼板）板厚（mm）とする。
−0.3Ｌ≦ΔL1≦0.3Ｌ ……（２）
0≦ ΔL2 ≦0.4Ｌ ……（３）
ここで、Ｌ：脆化領域長さ（mm）、ΔL1：脆性き裂伝播方向に沿って、脆化領域先端位置と溶融溶接部先端位置との距離（mm）（なお、負の値は脆化領域先端より非評価領域側に位置し、正の値は脆化領域先端より評価領域側に位置する）、ΔL2：脆性き裂伝播方向に沿って、試験片端部と溶融溶接部端部との距離（mm）とする。
前記大型試験片が、二重引張試験片である請求項１に記載の厚鋼板の脆性き裂伝播停止性能の評価方法。