JPH0132301B2 - - Google Patents

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JPH0132301B2
JPH0132301B2 JP6348879A JP6348879A JPH0132301B2 JP H0132301 B2 JPH0132301 B2 JP H0132301B2 JP 6348879 A JP6348879 A JP 6348879A JP 6348879 A JP6348879 A JP 6348879A JP H0132301 B2 JPH0132301 B2 JP H0132301B2
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JP
Japan
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steel
steels
strength
fatigue
test
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JP6348879A
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JPS55154547A (en
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Gifuro Henriku
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【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は高い被労強度を示すと共に所定の炭素
含有量(0.3重量%)まで良好な溶接性を示し且
つ大気による腐食に耐える構造用鋼に関するもの
であつて、この鋼は大きな周期的応力及び悪天候
にさらされる構造物や骨組、地上又は水中工作
物、車両、機械や機械要素、鉄道用の下部構造物
や上部構造物、等を作ることを特に目的としてい
るものである。 エネルギー及び材料の消費量を全般的に削減す
ることを特に必要とする現在の経済的状況は、全
ての産業分野特に炭化水素の探査・生産及び輸送
における分野において、もはや従来の鋼の特性で
は満足できず従つてある意味でこれらの分野での
発展のブレーキとなつていた技術的並びに経済的
要求を満たさねばならなくしている。 有益な構築方法や製造方法及び標準技術を開発
すること、新しい技術や技術的解決策を適用する
こと、更にある程度までは技術的並びに経済的理
由でこれまで利用されていなかつた地下資源を開
拓することは、産業上の変化に対して好ましい複
合的特性及び十分な疲労強度を示すと共に広範に
使用され得るために十分低いコストで製造されね
ばならない新規な鋼が入手できなければ考えられ
ないことである。 従つて、新規な鋼であつて、省エネルギー及び
省材料についての要求を満たすべく構造物の断面
積従つて構造物自体の重量が明らかにより小さく
てもより大きな信頼性を提供して現在の応力に耐
えることができ、しかも一層きびしい要求を満た
しそのために要した費用を埋め合わせることがで
き、またこの新規な鋼への転換は従来の鋼で作ら
れた製品を製造するのに要した一定のコストを超
えずにすむ新規な鋼を開発することが不可欠であ
つた。 条件が良ければ良好な機械的特性と良好な溶接
性を示す構造用鋼は既に知られている。 可溶接鋼の分野では例えば下記の鋼を列挙する
ことができる:即ち、米国のT1、RQC−100、
HY及びNAXTRA、あるいは日本のHT、HW、
KLN及びRIVER−ACEである。これらの鋼の化
学組成は下記の成分を特徴としている。:即ち、
重量で、0.10〜0.23%のC、0.50〜1.50%のMn、
0.60〜1.50%のCr及び1.0〜9.5%のNiであり、ま
たある鋼は更に0.50〜1.00%のMo、0.08〜0.15%
のV、0.003〜0.04%のB及び0.5〜0.7%のCuを含
有している。 これらの鋼の特徴は、それらの見かけの弾性限
(0.2%永久伸びに対する荷重)が51.0〜71.4Kg/
mm2であり、またそれらの塑性がそれらを工業的に
変形するのに適していることである。疲労強度限
は105の応力を掛けた後に生ずる破壊の場合、応
力R=−1に対して20.4〜40.8Kg/mm2であり、応
力R=0に対して25.5〜51.0Kg/mm2(非溶接試験
片について)である。 これらの鋼の幾つかはある程度の大気に対する
耐食性を示す。しかしながら、これらの鋼の欠点
は、特殊な装置内で実施される焼入れ焼戻し処理
によつてのみ良好な特性がそれらに付与され得る
ことである。従つて、その機械的特性は焼入れ焼
戻し処理の結果得られるものであるが、この処理
は該機械的特性を備えて作られ得る製品の形状の
数を制限するのみならず、焼入れが均一性を欠く
ことに原因して該機械的特性を非常に不安定なも
のとし、更に焼入れ焼戻し処理装置の被処理品通
過容量が限られていること並びにこの装置の複雑
さと高価格に原因して製造コストが通常の鋼を製
造するのに要するコストの数倍にもなつてしまう
結果をもたらすことになる。 焼入れ焼戻し処理を受けた状態の材料は、工業
的変形特に熱間切断、溶接継手の形成及び熱間曲
げ加工において更なる困難を生ずる。 従つて、焼入れ焼戻し処理を受けた鋼の用途
は、その優れた機械的特性にも拘らず、望まれる
断面形状の数が限られること、機械的特性の均一
性の欠除、変形に関しての困難さ及び高価格の故
に非常に制限されてしまう。不可溶接鋼の分野で
は、優れた機械的特性を有する公知の鋼として、
例えば下記の鋼を列挙することができる:即ち、
米国で開発されたEn及びAISI−V、ソ連の
GhNW、英国のReX、Melt−A及びHST、ある
いは西ドイツのCSV4及びMOGである。これら
の鋼の化学組成は下記の成分を特徴としている:
即ち、重量で、0.2〜0.6%のC、0.2〜1.6%のSi、
0.3〜1.6%のMn、0.3〜5.0%のMo及び0.1〜1.0%
のVであるが、ある鋼は更に1.5〜3.0%のW及び
0.1〜0.3%のTiも含有している。 これらの鋼の特徴は、焼入れ焼戻し処理を受け
た時のそれらの見掛けの弾性限(0.2%永久伸び
に対する荷重)が132.6〜163.2Kg/mm2であり、最
大引張強度が173.4〜204.0Kg/mm2でこれに対応す
る伸びが7〜10%そしてノツチないしアイゾツト
試験片での衝撃強度が0.71〜2.0Kg・m/cm2であ
ることである。それらの疲労強度限は、破壊に到
るまで104のサイクル数を掛けた場合、応力R=
0に対して40.8〜81.6Kg/mm2である。 これらの鋼の欠点は、それらの上述の特性が焼
入れ焼戻し処理の後でのみ現われることであり、
この処理は変形加工の困難さ(鋳造スケール、鍛
造スケール、曲がり、被削性)の故にそれらの用
途を非常に限定し、更にこれらの鋼をかなり脆く
するのみならず欠切き効果に対して敏感にしてし
まい、その上その製造コストはそれらの高合金元
素含有量の故に実際には工業的大規模に用いるの
に適さなくしてしまうことである。 従つて、現在知られている構造用鋼は、上記の
如き合金元素が添加されまた熱処理即ち焼入れに
続いての焼戻しを受けているので、可溶接及び不
可溶接の両分野においてかなり良好な機械的特性
を示す。しかし強度を増大するこの方法は、製造
され得る製品の形状の数を限定し、また焼入れ処
理を受けた構造用要素は通常の工作機械で切削す
るのが困難であり、更に焼入れ前に変形加工を受
けた構造用要素の場合には高い焼入れ温度は脱
炭、曲がりそして事によるとクラツク発生の原因
となる。これらの鋼を製造するには特別な装置を
必要とし、このことは費用を更に増大させて工業
的大規模に用いることを許さなくする。上述の如
き欠点が組合わさると、これらの鋼の使用価値
は、それらの明らかに好ましい機械的特性にも拘
らず、かなり減じられてしまうに至る。 本発明の目的は、摩耗及び大気による腐食に耐
え且つ所定の炭素含有量(0.3重量%)まで良好
な溶接性を示す構造用鋼であつて、その疲労強度
限並びに見かけの弾性限が従来の鋼のそれらより
も大きく、そして大きな周期的応力及び悪天候に
さらされる構造物や骨組、地上又は水中工作物、
車両、機械や機械要素を作るための母材として、
種々の強化機構のおかげて焼入れしなくても役立
つ構造用鋼を開発することである。 本発明は上述の目的を、高い疲労強度を示すと
共に0.3重量%の炭素含有量まで良好な溶接性を
示し且つ大気による腐食に耐える構造用鋼であつ
て、重量で、最大限1.6%のC、0.3〜3.0%のMn、
最大限1.8%のSi、各々0.6〜4.0%のCuとNi、最
大限3.0%のMo、各々0.02〜0.4%のNbとV、最
大限0.006%のB、最大限0.4%のZr、0.02〜0.2%
のAl、0.005〜0.2%のN、0.0001〜0.005%のCa、
最大限0.25%のPb、最大限0.1%のS、及び残部
のFeと不可避的不純物から成る構造用鋼を提供
することによつて達成するものである。 本発明において成分組成(重量%)が上記の通
り限定される理由は以下の通りである。 一般に、強度はC含有量の増加に伴つて増大す
るが、1.6%を超えると強度の更なる増大は得ら
れる靭性が低下するので所望の強度を得るために
上限は1.6%に制限される。一方、溶接性はC含
有量の増加に伴つて低下するので、本発明鋼が高
強度を有するよりもむしろ可溶接鋼であることを
望まれる場合には0.3%のC含有量まで良好な溶
接性を示す。 Mnは溶接性を損わずに強度を増大すると共
に、被削性改善のために添加されているSを
MnSの形態で微細且つ均一に分散させてSによ
る赤熱脆性を防止する効果を有している。これら
の効果を得るために少くとも0.3%のMnが必要で
ある。しかし、3.0%以上含有されると被削性が
劣化する。 Siは脱酸に有効な元素であり、且つマトリツク
ス中へ固溶することによつて強度を増大するのに
有効である。しかし、1.8%以上含有されると靭
性が低下する。 Cuは耐大気腐食性を増大させると共に高強度
を得るために有効である。これらの効果を得るた
めに少くとも0.6%のCuが必要である。しかし、
4.0%以上含有されると熱間脆性が生じて熱間圧
延中に表面割れを生ずるのでその上限は4.0%に
制限される。 Niは、Cuを含有することに因つて生ずる可能
性のある熱間脆性を防止し、従つて実質的にCu
と当量にて添加される。また、Niはマトリツク
スを強化すると共に低温度における靭性を向上す
る。これらの効果を得るためにNiは少くとも0.6
%含有される。しかし、4.0%以上含有されても
更なる効果を得ることはできずにコスト高になる
だけである。 Moは強度並びに衝撃強度を増大するのに有効
な元素であるが、しかし3.0%以上含有されても
更なる効果は得られない。 NbとVは共に炭化物生成元素であつて結晶粒
を微細化する効果を有している。そのために各々
少くとも0.02%含有されるが、過剰に含有される
と靭性が劣化するのでその上限は各々0.4%に制
限される。 Bは靭性及び溶接性を損わずに強度を増大する
のに有効である。しかし、過剰に含有されると
Fe2Bを生成して赤熱脆性の原因となるのでその
上限は0.006%に制限される。 Zrは脱酸並びに脱硫に有効である。更に、Zr
は耐食性を向上すると共に結晶粒を微細化して強
度、伸び及び絞りを増大する。しかし、0.4%以
上含有されても更なる効果は得られずコスト高に
なるだけである。 Alは脱酸剤として非常に有効であり、またN
と化合して微細に析出するAlNを生成するので
結晶粒微細化に有効である。そのために少くとも
0.02%必要であるが、しかし0.2%以上含有され
ると鋼を脆くする。 Nはオーステナイトを強化すると共に安定化し
て室温における強度を増大し、そのために少くと
も0.005%必要である。しかし、0.2%以上含有さ
れると靭性特に低温度における靭性が劣化するの
で好ましくない。 Caは脱酸剤として作用すると共に非金属介在
物の形状をコントロールして延性を向上する効果
を有する。これらの効果を得るために少くとも
0.0001%必要である。しかし、0.005%以上含有
されても更なる効果は得られずむしろ加工性が劣
化する。 Pbは鋼に固溶せず、微細且つ均一に分散され
ると被削性の向上に非常に有効である。この効果
を得るために本発明鋼にはSの外にPbが含有さ
れている。しかし、0.25%以上含有されると靭性
が劣化する。 被削性をある程度向上するために本発明鋼には
Sが含有されている。しかし、0.1%以上含有さ
れると靭性が劣化する。 合金元素の幾つかは、それらが本発明による比
率で存在すると多成分系金属間化合物を生成し、
該化合物の一部はすでに鋳造段階で結晶を生ずる
のに有効な臨界的大きさの核を生じ、他の一部は
侵入型に固溶し従つて鉄の結晶格子にプレストレ
スを発生して格子欠陥の数を増大する。他の合金
元素は大きなせん断強度を有する金属間化合物の
析出を生じさせ、このことは鉄の結晶格子の内部
応力を増すと同時に安定化する。 臨界的大きさの結晶核の数が増大すると、鋳造
中に現われる溶湯の結晶化能力が非常に大きくな
り、従つて凝固時間が短縮されると共に初晶の粗
大化が減少され、かくて結晶粒界面積が著しく増
えるので望ましくない不純物の粒界における富化
が減少される。 本発明による合金系における成分の有益な特性
と比率は、固溶、凝固、再結晶及び熱間変形中
に、下記の如き熱力学的、熱運動論的並びに結晶
核生成上の条件を生み出す:即ち、侵入型に固溶
する際の成分の配列、これら成分の量及びかくて
プレストレスが掛けられる結晶粒子の数とその程
度が明らかに増大されると云う条件である。 侵入型固溶に因るプレストレスを示す結晶格子
の数及び該ストレスの程度が増大するために、金
属間化合物の析出物の生成及びその分散を助長か
つ支配する冶金学的に誘起される転位の数は顕著
に増大し、このことは荷重により誘発されて転位
前線が移動しようとする際に転位を動けなくす
る、析出物の機能の有効性を非常に高めることに
なる。 本発明による成分とその好適な比率は、鋼が製
造されていく過程で該鋼の優れた冶金学的特性と
種々の強化繊維の積極的効果とをこのように自動
的に確保し、それらの組合された作用によつて鋼
の実用的な機械的強度と疲労強度限が増大する。 本発明鋼の化学組成には、鉄と化合しないで鋼
の表面に富化されてくるCuも含まれている。従
つて、長期間のうちに鋼の表面には大気の作用に
よつて緻密で分解し難い保護層が生成され、この
保護層は汚れに因る腐食が発生する可能性を排除
すること及び塗料の鋼との付着性を改善すること
によつて、鋼を周囲環境や流体の腐食作用から保
護する。 本発明による鋼は、適当な熱を加えることによ
つて所定の炭素含有量(0.3重量%)まで良好に
溶接することができ、その場合熱影響部の特性は
母材のそれと同一である。 本発明鋼を製造するには還元性雰囲気を必要と
しないので、普通の装置で製造することができ、
またその加工は熱間成形法で鋼に任意の寸法と形
状を与えるべく圧延又は鍛造によつて行うことが
でき、かくて何らの特別な装置を用いずに大量生
産が可能である。 本発明鋼は焼入れなしで優れた機械的特性を示
すと同時に、普通の変形及び組立て技術に適用で
きるものである。 不可溶接鋼の分野では、変形能又は被削性を熱
処理によつて調整することができ、また切削後の
硬度は低温度の熱処理によつて調整できる。かく
て、母材としての本発明鋼の価格は、特種な液体
の中で実施される焼入れ及び焼戻し処理のコスト
並びにこの処理のために必要とされる装置のコス
トを課されることはなく、更に本発明鋼で作られ
た製品の製造コストは従来の製品のコストを超え
ることはない。 この理由故に、疲労強度限及び弾性限が高いお
かげで本発明鋼によつてもたらされる技術的効果
(即ち、エネルギー消費量及び重量の減少、等)
から得られる経済的利益は、新規な母材を製造し
て使用することに伴うコストによつて実際上何ら
の影響も受けないのである。 本発明は以下に挙げる鋼の製造とその機械的特
性を示す、非限定的実例として示される実施例の
詳細な説明から一層よく理解されるであろう。 実例 1 実例として、可溶接鋼の分野における本発明鋼
の3つのチヤージが準備された。これらチヤージ
は60tアーク炉内で作られ、次いで取鍋付き冶金
装置内で製錬された。鋳造は240×240mmの断面形
状を有する4つの鋳型を備えた連続鋳造装置で行
われ、こうして作られたベレツトを通常の条件で
圧延し、20mm直径の棒鋼を作り、これを冷却装置
において空却した。 本発明によるそれらチヤージの試験結果を以下
に列挙する。 1.1 チヤージの化学組成(重量%)
The present invention relates to a structural steel that exhibits high working strength, good weldability up to a given carbon content (0.3% by weight), and resists atmospheric corrosion, which steel is capable of resisting large cyclic stresses and It is particularly intended for the construction of structures and frames exposed to adverse weather conditions, above-ground or underwater structures, vehicles, machinery and machine elements, substructures and superstructures for railways, etc. The current economic situation, which in particular requires a general reduction in energy and material consumption, means that the properties of conventional steels are no longer satisfactory in all industrial sectors, especially in the exploration, production and transport of hydrocarbons. This has made it necessary to meet technical and economic requirements that have not been possible and thus, in a sense, have been a brake on development in these fields. developing useful construction and manufacturing methods and standard technologies, applying new techniques and technical solutions and, to a certain extent, exploiting underground resources hitherto untapped for technical and economic reasons; This is only conceivable unless new steels are available that exhibit favorable composite properties and sufficient fatigue strength for industrial changes and must be produced at sufficiently low cost to be widely used. be. Therefore, new steels can be developed which offer greater reliability and withstand current stresses even though the cross-sectional area of the structure and therefore the weight of the structure itself are significantly smaller in order to meet the requirements for energy and material saving. This conversion to new steels also eliminates certain costs associated with manufacturing products made from traditional steels. It was essential to develop a new steel that would not exceed Structural steels are already known which exhibit good mechanical properties and good weldability under suitable conditions. In the field of weldable steels, for example, the following steels can be listed: US T1, RQC-100,
HY and NAXTRA, or Japanese HT, HW,
KLN and RIVER-ACE. The chemical composition of these steels is characterized by the following components: : That is,
By weight, 0.10-0.23% C, 0.50-1.50% Mn,
0.60-1.50% Cr and 1.0-9.5% Ni, and some steels also contain 0.50-1.00% Mo, 0.08-0.15%
of V, 0.003-0.04% B and 0.5-0.7% Cu. The characteristics of these steels are that their apparent elastic limit (load for 0.2% permanent elongation) is 51.0 to 71.4 kg/
mm 2 and that their plasticity makes them suitable for industrial deformation. The fatigue strength limit is 20.4 to 40.8 Kg/mm 2 for stress R = -1 and 25.5 to 51.0 Kg/mm 2 for stress R = 0 in the case of fracture that occurs after applying a stress of 10 5 ( (for non-welded specimens). Some of these steels exhibit some degree of atmospheric corrosion resistance. However, the disadvantage of these steels is that good properties can only be imparted to them by quenching and tempering treatments carried out in special equipment. Therefore, the mechanical properties are obtained as a result of the quenching and tempering process, which not only limits the number of product shapes that can be made with the mechanical properties, but also because the quenching reduces the uniformity. This makes the mechanical properties very unstable, and the production costs are high due to the limited throughput capacity of the quenching and tempering equipment and the complexity and high cost of this equipment. This results in costs that are several times higher than it would take to produce regular steel. Materials in the condition of being quenched and tempered pose additional difficulties in industrial deformation, especially in hot cutting, forming welded joints and hot bending. Therefore, despite its excellent mechanical properties, the applications of steels subjected to quenching and tempering are limited by the number of desired cross-sectional shapes, lack of uniformity of mechanical properties, and difficulties with respect to deformation. It is very limited due to its size and high price. In the field of non-weldable steels, known steels with excellent mechanical properties include:
For example, the following steels may be listed:
En and AISI-V developed in the US, Soviet Union
GhNW, British ReX, Melt-A and HST, or West German CSV4 and MOG. The chemical composition of these steels is characterized by the following components:
i.e., by weight, 0.2-0.6% C, 0.2-1.6% Si,
0.3-1.6% Mn, 0.3-5.0% Mo and 0.1-1.0%
V, but some steels also contain 1.5 to 3.0% W and
It also contains 0.1-0.3% Ti. These steels are characterized by their apparent elastic limit (load for 0.2% permanent elongation) of 132.6 to 163.2 Kg/mm 2 and ultimate tensile strength of 173.4 to 204.0 Kg/mm when subjected to quenching and tempering treatment. 2 , the corresponding elongation is 7 to 10% and the impact strength in a notched or isot test piece is 0.71 to 2.0 Kg·m/cm 2 . Their fatigue strength limit is the stress R =
0 to 40.8 to 81.6 Kg/ mm2 . The disadvantage of these steels is that their above-mentioned properties appear only after quenching and tempering treatment,
This treatment greatly limits their use due to the difficulty of deformation (casting scale, forging scale, bending, machinability) and also makes these steels rather brittle as well as susceptible to notch effects. Moreover, their manufacturing costs, due to their high alloying element content, make them practically unsuitable for use on a large industrial scale. Therefore, currently known structural steels have fairly good mechanical properties in both weldable and non-weldable areas, since they have been subjected to a heat treatment, i.e. quenching followed by tempering, with the addition of alloying elements such as those mentioned above. Show characteristics. However, this method of increasing strength limits the number of product geometries that can be manufactured, and hardened structural elements are difficult to cut with regular machine tools, and furthermore, the hardened structural elements are difficult to cut with regular machine tools, In the case of structural elements subjected to high quenching temperatures, high quenching temperatures cause decarburization, bending and possibly cracking. Special equipment is required to produce these steels, which further increases costs and makes them impractical for use on a large industrial scale. The combination of the disadvantages mentioned above leads to the use value of these steels being considerably reduced, despite their clearly favorable mechanical properties. The object of the present invention is to provide a structural steel that resists wear and atmospheric corrosion and exhibits good weldability up to a predetermined carbon content (0.3% by weight), the fatigue strength limit and apparent elastic limit of which are lower than those of conventional steels. Structures, frames, above-ground or underwater structures that are larger than those of steel and are exposed to greater cyclic stresses and adverse weather conditions;
As a base material for making vehicles, machines and machine elements,
The objective is to develop structural steels that can be used without hardening thanks to various strengthening mechanisms. The present invention aims to achieve the above-mentioned object by providing a structural steel which exhibits high fatigue strength and good weldability up to a carbon content of 0.3% by weight and resists atmospheric corrosion, with a carbon content of up to 1.6% by weight. , 0.3-3.0% Mn,
Maximum 1.8% Si, 0.6-4.0% each Cu and Ni, maximum 3.0% Mo, 0.02-0.4% each Nb and V, maximum 0.006% B, maximum 0.4% Zr, 0.02- 0.2%
Al, 0.005~0.2% N, 0.0001~0.005% Ca,
This is achieved by providing a structural steel with a maximum of 0.25% Pb, a maximum of 0.1% S, and the balance Fe and unavoidable impurities. The reason why the component composition (weight %) in the present invention is limited as described above is as follows. In general, strength increases with increasing C content, but further increases in strength beyond 1.6% result in lower toughness, so the upper limit is limited to 1.6% to obtain the desired strength. On the other hand, weldability decreases with increasing C content, so if it is desired that the inventive steel be a weldable steel rather than having high strength, good welding can be achieved up to a C content of 0.3%. Show your gender. Mn increases strength without impairing weldability, and S is added to improve machinability.
It has the effect of preventing red heat embrittlement caused by S by being finely and uniformly dispersed in the form of MnS. At least 0.3% Mn is required to obtain these effects. However, if the content exceeds 3.0%, machinability deteriorates. Si is an effective element for deoxidizing, and is effective for increasing strength by solid solution in the matrix. However, if the content exceeds 1.8%, the toughness decreases. Cu is effective for increasing atmospheric corrosion resistance and obtaining high strength. At least 0.6% Cu is required to obtain these effects. but,
If the content exceeds 4.0%, hot brittleness will occur and surface cracks will occur during hot rolling, so the upper limit is limited to 4.0%. Ni prevents hot embrittlement that may occur due to the presence of Cu, and therefore substantially
It is added in an equivalent amount. Ni also strengthens the matrix and improves toughness at low temperatures. To obtain these effects, Ni must be at least 0.6
% contained. However, even if it is contained in an amount of 4.0% or more, no further effect can be obtained and the cost only increases. Mo is an effective element for increasing strength and impact strength, but no further effects can be obtained even if it is contained in an amount of 3.0% or more. Both Nb and V are carbide-forming elements and have the effect of refining crystal grains. For this purpose, each element should be contained in an amount of at least 0.02%, but if excessively contained, the toughness will deteriorate, so the upper limit is limited to 0.4% each. B is effective in increasing strength without impairing toughness and weldability. However, if it is contained in excess
The upper limit is limited to 0.006% because Fe 2 B is generated and causes red-hot brittleness. Zr is effective in deoxidizing and desulfurizing. Furthermore, Zr
improves corrosion resistance and refines grains to increase strength, elongation, and reduction of area. However, even if it is contained in an amount of 0.4% or more, no further effect can be obtained and the cost will only increase. Al is very effective as a deoxidizing agent, and N
It is effective for grain refinement because it combines with AlN to form finely precipitated AlN. To that end, at least
0.02% is necessary, but if it is contained more than 0.2%, it will make the steel brittle. N strengthens and stabilizes austenite to increase its strength at room temperature, and for this purpose, at least 0.005% is required. However, if it is contained in an amount of 0.2% or more, the toughness, especially at low temperatures, deteriorates, which is not preferable. Ca acts as a deoxidizing agent and has the effect of controlling the shape of nonmetallic inclusions and improving ductility. To obtain these effects, at least
0.0001% is required. However, even if it is contained in an amount of 0.005% or more, no further effect can be obtained, and workability is rather deteriorated. Pb does not form a solid solution in steel, and when dispersed finely and uniformly, it is very effective in improving machinability. In order to obtain this effect, the steel of the present invention contains Pb in addition to S. However, if the content exceeds 0.25%, the toughness deteriorates. The steel of the present invention contains S in order to improve machinability to some extent. However, if the content exceeds 0.1%, the toughness deteriorates. Some of the alloying elements form multicomponent intermetallic compounds when they are present in the proportions according to the invention;
A part of the compound already forms nuclei of a critical size that are effective for crystallization during the casting stage, and another part forms a solid solution in an interstitial manner, thus creating a prestress in the iron crystal lattice. Increase the number of lattice defects. Other alloying elements give rise to the precipitation of intermetallic compounds with high shear strength, which increase and at the same time stabilize the internal stress of the iron crystal lattice. As the number of critical size nuclei increases, the crystallization capacity of the melt appearing during casting becomes much greater, thus shortening the solidification time and reducing the coarsening of the primary crystals, thus increasing the grain size. Enrichment of undesirable impurities at the grain boundaries is reduced because the interfacial area is significantly increased. The advantageous properties and proportions of the components in the alloy system according to the invention create the following thermodynamic, thermokinetic and crystal nucleation conditions during solid solution, solidification, recrystallization and hot deformation: That is, the condition is such that the arrangement of the components in interstitial solid solution, the amount of these components, and thus the number and degree of prestressed crystal grains are clearly increased. Metallurgically induced dislocations that favor and dominate the formation of intermetallic precipitates and their dispersion due to an increase in the number of crystal lattices exhibiting prestress due to interstitial solid solutions and the extent of such stress. The number of is increased significantly, which greatly enhances the effectiveness of the precipitate's ability to immobilize dislocations when the load-induced dislocation front attempts to move. The components according to the invention and their preferred proportions thus automatically ensure the good metallurgical properties of the steel and the positive effect of the various reinforcing fibers and their The combined action increases the practical mechanical strength and fatigue strength limits of the steel. The chemical composition of the steel of the present invention also includes Cu, which is enriched on the surface of the steel without combining with iron. Therefore, over a long period of time, a dense and indestructible protective layer is formed on the surface of the steel by the action of the atmosphere, and this protective layer eliminates the possibility of corrosion due to dirt and paints. By improving the adhesion of steel to steel, it protects the steel from the corrosive effects of the surrounding environment and fluids. The steel according to the invention can be successfully welded up to a given carbon content (0.3% by weight) by applying appropriate heat, in which case the properties of the heat-affected zone are identical to those of the base metal. Since the steel of the present invention does not require a reducing atmosphere, it can be produced using ordinary equipment.
Further, the processing can be carried out by rolling or forging to give the steel any desired dimensions and shape using hot forming methods, and thus mass production is possible without using any special equipment. The steel of the invention exhibits excellent mechanical properties without quenching, while at the same time being amenable to common deformation and assembly techniques. In the field of non-weldable steels, the deformability or machinability can be adjusted by heat treatment, and the hardness after cutting can be adjusted by low temperature heat treatment. The price of the steel according to the invention as a base material is thus not subject to the costs of the quenching and tempering treatment carried out in special liquids and the cost of the equipment required for this treatment. Moreover, the manufacturing costs of products made from the steel of the invention do not exceed the costs of conventional products. For this reason, the technical effects brought about by the steel according to the invention due to its high fatigue strength and elastic limits (i.e. reduced energy consumption and weight, etc.)
The economic benefits derived from this are virtually unaffected by the costs associated with manufacturing and using new matrix materials. The invention will be better understood from the following detailed description of the examples given as non-limiting illustrations of the manufacture of steels and their mechanical properties. EXAMPLE 1 As an example, three charges of the steel of the invention in the field of weldable steels were prepared. These charges were made in a 60t electric arc furnace and then smelted in a ladle metallurgical apparatus. Casting is carried out in a continuous casting machine equipped with four molds with a cross-sectional shape of 240 x 240 mm.The barets thus made are rolled under normal conditions to produce a 20 mm diameter steel bar, which is then cooled in a cooling device. did. The test results of these charges according to the present invention are listed below. 1.1 Chemical composition of charge (wt%)

【表】 これらの実例において以下の略記号の意味は
次の通りである。 Rp 弾性限(0.2%永久伸びに対する荷重) Rn 破断荷重 A5 伸び Z 絞り KCU 衝撃値(Uノツチ付試験片を用いての
シヤルピー衝撃試験の値:+20℃、−40℃は
試験温度) 1.2 機械的特性
[Table] In these examples, the meanings of the following abbreviations are as follows. R p Elastic limit (Load for 0.2% permanent elongation) R n Breaking load A 5 Elongation Z Reduction of area KCU Impact value (Value of Charpy impact test using U-notched specimen: +20℃, -40℃ is test temperature) 1.2 Mechanical properties

【表】 注1:熱処理なしの圧延された状態
注2:500℃で90分間保持後空冷
注3:1250℃で45分間保持後空冷
1.3 溶接性 チヤージ2で作られた、厚さ12mmのプレート
の不活性雰囲気中で溶接された試験片により試
験を行つた。プレートは溶接の前にも後にも熱
処理を受けなかつた。 プレートの厚さ=V=12mm 溶接の種類=突合せ溶接(60゜の開先角度) 溶接入熱=3000ジユール/cm 溶接数=3+1 不活性雰囲気=CO2 溶接棒=直径1.6mmの当該材料自体 1.31 引張試験 Rp=80.0Kg/mm2 Rn=92.1Kg/mm2 A5=16% Z=52% 破断は溶接部の外で生じた。 1.32 熱影響部の塑性
[Table] Note 1: Rolled state without heat treatment Note 2: Air cooling after holding at 500℃ for 90 minutes Note 3: Air cooling after holding at 1250℃ for 45 minutes
1.3 Weldability Tests were carried out on specimens made of Charge 2 and welded in an inert atmosphere from 12 mm thick plates. The plates received no heat treatment before or after welding. Plate thickness = V = 12 mm Welding type = butt welding (60° bevel angle) Welding heat input = 3000 joules/cm Number of welds = 3 + 1 Inert atmosphere = CO 2 Welding rod = the material itself with a diameter of 1.6 mm 1.31 Tensile test R p = 80.0Kg/mm 2 R n = 92.1Kg/mm 2 A 5 = 16% Z = 52% Fracture occurred outside the weld. 1.32 Plasticity of heat affected zone

【表】【table】

【表】 1.4 空気に対する耐食性 (工業現場の空気中で測定)【table】 1.4 Corrosion resistance against air (Measured in the air at an industrial site)

【表】 1.5 疲労強度 疲労または耐久試験は、共振原理で作動する
シエンク−アーリンガ(Schenk−Erlinger)
型の疲労試験機で行われた。この場合には、静
荷重成分と振動荷重(±Fa)の両者が、共通
の荷重ヘツドに支えられているバネによつて掛
けられた。静荷重はネジ棒によつて発生及び調
節され、そして振動バネは電気モーターによつ
て励起された。偏心ホイールの回転により発生
される振動は共振点にあるパルセーターを作動
させ、このパルセーターは0〜20000Kg
(20mega−Pond)の静荷重と±10000Kg
(10mP)の周期的荷重を発生した。 チヤージ2から圧延により作られた直径20mm
の棒鋼が疲労試験された。熱処理なしの圧延試
験片に対して行つた対照引張試験の結果が第5
表に示される。
[Table] 1.5 Fatigue strength Fatigue or durability tests are performed using the Schenk-Erlinger test, which operates on the resonance principle.
The test was carried out on a type fatigue testing machine. In this case, both the static load component and the oscillating load (±Fa) were applied by springs supported by a common load head. The static load was generated and adjusted by a threaded rod, and the oscillating spring was excited by an electric motor. The vibrations generated by the rotation of the eccentric wheel actuate the pulsator at the resonance point, and this pulsator has a range of 0 to 20000Kg.
(20mega−Pond) static load and ±10000Kg
(10mP) cyclic load was generated. Diameter 20mm made by rolling from charge 2
of steel bars were fatigue tested. The results of the control tensile test conducted on the rolled test piece without heat treatment are the results of the fifth test.
Shown in the table.

【表】 比較のため42CD4鋼について同じ方法と同等
な試験片による試験が行なわれた。この比較の
基準として用いられた鋼の化学組成を第6表
に、そして機械的特性を第5表に示した。
[Table] For comparison, tests using the same method and equivalent test pieces were conducted on 42CD4 steel. The chemical composition of the steel used as a basis for this comparison is shown in Table 6, and the mechanical properties are shown in Table 5.

【表】 1.51 疲労試験の荷重の程度【table】 1.51 Degree of load for fatigue tests

【表】 1.52 上記荷重の程度または階級に対応して試験
片に掛かる応力
[Table] 1.52 Stress applied to the test piece corresponding to the above load level or class

【表】 1.53 疲労試験の結果【table】 1.53 Fatigue test results

【表】 1.54 疲労試験結果の解釈 42DC4鋼と、本発明によるチヤージ2から作
られた鋼に同一応力を掛けて得られた試験結果
を比較すると、破壊確率50%については、比較
の基準にした鋼(42CD4鋼)の場合、その確率
値に対し、約60000の応力が対応し、これに対
して本発明による鋼の場合、約700000の応力が
対応することが分かる。このような同一の試験
方法によつて得られる結果の対比によつて明ら
かなように、同一応力でも本発明による鋼の寿
命は、比較の基準にした従来の鋼の約10倍にも
なる。 破壊確率50%に対応する疲労強度または耐久
荷重を比較すること、すなわちその確率値にお
ける2つの材料の疲労強度を示す2つの直線
(所謂S−N曲線)を比較することにより、本
発明鋼の支持できる荷重は42CD4鋼の支持でき
る荷重の約2倍にもなることが分かる。
[Table] 1.54 Interpretation of Fatigue Test Results Comparing the test results obtained by applying the same stress to 42DC4 steel and the steel made from Charge 2 according to the present invention, the probability of failure of 50% was determined based on the comparison. It can be seen that in the case of steel (42CD4 steel) a stress of approximately 60,000 corresponds to the probability value, whereas in the case of the steel according to the invention a stress of approximately 700,000 corresponds. As is clear from the comparison of the results obtained using the same test method, the life of the steel according to the present invention is approximately 10 times longer than that of the conventional steel used as a standard for comparison, even under the same stress. By comparing the fatigue strength or durable load corresponding to a probability of failure of 50%, that is, by comparing two straight lines (so-called S-N curves) indicating the fatigue strength of the two materials at that probability value, the It can be seen that the load that can be supported is approximately twice that of 42CD4 steel.

【表】【table】

【表】 実例 2 実例として、不可溶接鋼の分野における本発明
鋼の2つのチヤージが準備された。これらチヤー
ジは65tアーク炉内で作られ、次いで取鍋付き冶
金装置内で製練された。鋳造は240×240mmの断面
形状を有する鋳型を備えた連続鋳造装置で行われ
た。こうして作られたビレツトから通常の条件の
圧延により、直径20mmの棒鋼が製造され、これを
冷却装置において空冷した。 試験結果を以下に示す。 2.1 チヤージの化学組成(重量%)
Table: Example 2 As an example, two charges of the steel according to the invention in the field of non-weldable steels were prepared. These charges were made in a 65t electric arc furnace and then smelted in a ladle metallurgy apparatus. Casting was carried out in a continuous casting apparatus equipped with a mold having a cross-sectional shape of 240 x 240 mm. A steel bar with a diameter of 20 mm was produced from the thus produced billet by rolling under normal conditions, and this was air-cooled in a cooling device. The test results are shown below. 2.1 Chemical composition of charge (wt%)

【表】 2.2 機械的特性【table】 2.2 Mechanical properties

【表】 2.3 疲労強度 疲労試験は、時間とともに変化する振動荷重
を掛けた場合の本発明鋼の特性を試験するもの
である。使用された試験方法は、捩り疲労試験
片に周期的捩り荷重を掛ける普通の疲労試験の
みならず、曲げと捩りが組合わされた荷重に対
する強度を試験するロカテイ(Locati)方法で
あつた。この結果をコンピユータで処理して最
終的に振動強度が計算された。チヤージ4の疲
労試験では、圧延および応力除去処理を施され
た直径40mmの棒鋼から作つた試験片が用いられ
た。このチヤージ4から圧延して作られた棒鋼
の静的な機械的強度試験の結果を第13表に示
す。
[Table] 2.3 Fatigue Strength The fatigue test tests the characteristics of the steel of the present invention when a vibration load that changes over time is applied. The test method used was the Locati method, which tests the strength against combined bending and torsion loads, as well as the usual fatigue test in which torsional fatigue specimens are subjected to cyclic torsional loads. The results were processed by a computer and the vibration intensity was finally calculated. In the Charge 4 fatigue test, specimens made from rolled and stress-relieved steel bars with a diameter of 40 mm were used. Table 13 shows the results of a static mechanical strength test of the steel bar rolled from this charge 4.

【表】 2.31 周期的捩り荷重による疲労試験 この試験は曲げと対称的振動が組合わされた
荷重に関するウエーラ(Wo¨hler)・ダイアグラ
ムを求めるものであつた。 2.32 周期的捩り荷重による疲労試験の荷重の程
度または階級
[Table] 2.31 Fatigue test with cyclic torsional loading This test was to obtain a Wo¨hler diagram for a combined loading of bending and symmetrical vibration. 2.32 Loading degree or class for fatigue tests with cyclic torsional loading

【表】 2.33 周期的捩り荷重による疲労試験の要因【table】 2.33 Factors in fatigue testing with cyclic torsional loading

【表】 2.34 試験の結果【table】 2.34 Test results

【表】 2.35 周期的捩り荷重による疲労試験の結果をコ
ンピユータで処理した後の、該結果の分布に関
するデータ
[Table] 2.35 Data regarding the distribution of fatigue test results using a cyclic torsional load after they are processed by a computer

【表】 2.36 捩り荷重による疲労試験 この試験は捩りと対称的振動が組合わされた
荷重に関するウエーラ(Wo¨hler)・ダイアグラ
ムを求めるものであつた。 2.37 捩り荷重による疲労試験の荷重の程度また
は階級
[Table] 2.36 Fatigue test with torsional loading This test was to obtain a Wo¨hler diagram for a combined torsional and symmetrical vibration load. 2.37 Degree or class of load for fatigue tests due to torsional loading

【表】 2.38 捩り荷重による疲労試験の要因 第19表 初トルクM=2.00 Kg・m 初応力 T=29.7 Kg/mm2 応力または荷重の程度または階級の値 Ta=
1.50Kg/mm2 応力数N1=105 サイクル数△N=105 2.39 捩り荷重による疲労試験の結果
[Table] 2.38 Factors for fatigue tests using torsional loads Table 19 Initial torque M = 2.00 Kg・m Initial stress T = 29.7 Kg/mm 2 Value of degree or class of stress or load Ta =
1.50Kg/mm 2 Number of stress N 1 = 10 5 Number of cycles △N = 10 5 2.39 Results of fatigue test using torsional load

【表】 2.4 周期的捩り荷重による疲労試験をもとに得
られた振動に対する動的強度の値
[Table] 2.4 Dynamic strength values against vibration obtained based on fatigue tests using cyclic torsional loading

【表】 2.5 捩り荷重による疲労試験をもとに得られた
振動に対する強度の値
[Table] 2.5 Vibration strength values obtained based on fatigue tests using torsional loads

【表】 2.6 結果の解釈 焼入れとそれに続いての焼戻し処理を受けな
かつた本発明鋼の直径40mmの棒鋼に関して得ら
れた、振動に対する強度 即ちRvh=38.0〜45.0Kg/mm2及び Tv=25.9〜26.0Kg/mm2なる値は、 焼入れまたは焼入れとそれに続いての焼戻し処
理を受けた従来のバネ鋼の振動に対する強度の
値と一致する。留意すべきことは、周期的捩り
荷重による疲労試験において、約44.9Kg/mm2
応力によつて生じられた適当な予荷重により、
振動に対する強度の値が数百万のオーダで著し
く改善されたことである。従つて本発明鋼が骨
組の如き構造物において使用されると、その振
動に対する強度が著しく高くなり、このことは
本発明鋼の非常に有用な特性の本質をなすもの
である。
[Table] 2.6 Interpretation of Results Vibration strength obtained for a 40 mm diameter steel bar of the invention steel that was not subjected to quenching and subsequent tempering treatment, that is, Rvh = 38.0 to 45.0 Kg/mm 2 and Tv = 25.9 to The value of 26.0 Kg/mm 2 corresponds to the vibration strength value of conventional spring steels that have been hardened or hardened and subsequently tempered. It should be noted that in the fatigue test with cyclic torsional loading, with an appropriate preload generated by a stress of approximately 44.9 Kg/ mm2 ,
The strength value against vibration has been significantly improved by several million orders of magnitude. Therefore, when the steel of the invention is used in structures such as frames, its strength against vibrations is significantly increased, and this is the essence of the very useful properties of the steel of the invention.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 高い疲労強度を示すと共に0.3重量%の炭素
含有量まで良好な溶接性を示し且つ大気による腐
食に耐える構造用鋼であつて、重量で、最大限
1.6%のC、0.3〜3.0%のMn、最大限1.8%のSi、
各々0.6〜4.0%のCuとNi、最大限3.0%のMo、
各々0.02〜0.4%のNbとV、最大限0.006%のB、
最大限0.4%のZr、0.02〜0.2%のAl、0.005〜0.2%
のN、0.0001〜0.005%のCa、最大限0.25%のPb、
最大限0.1%のS、及び残部のFeと不可避的不純
物から成る構造用鋼。
1 Structural steel that exhibits high fatigue strength, good weldability up to a carbon content of 0.3% by weight, and resists atmospheric corrosion, with the maximum
1.6% C, 0.3-3.0% Mn, maximum 1.8% Si,
0.6~4.0% Cu and Ni each, maximum 3.0% Mo,
0.02~0.4% Nb and V each, maximum 0.006% B,
Maximum 0.4% Zr, 0.02~0.2% Al, 0.005~0.2%
N, 0.0001~0.005% Ca, maximum 0.25% Pb,
Structural steel consisting of a maximum of 0.1% S and the balance Fe and unavoidable impurities.
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WO1995004838A1 (en) * 1993-08-04 1995-02-16 Nippon Steel Corporation High tensile strength steel having superior fatigue strength and weldability at welds and method for manufacturing the same

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CN1040555C (en) * 1993-08-04 1998-11-04 新日本制铁株式会社 High tensile strength steel having superior fatigue strength and weldability at welds and method for manufacturing the same

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