JPH07278728A

JPH07278728A - 疲労き裂伝播特性に優れた構造用鋼板

Info

Publication number: JPH07278728A
Application number: JP6832794A
Authority: JP
Inventors: Koji Seto; 厚司瀬戸; Shinichi Omiya; 慎一大宮
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-04-06
Filing date: 1994-04-06
Publication date: 1995-10-24

Abstract

(57)【要約】【目的】鋼板の強度レベルによらず疲労き裂伝播特性
が優れ、回し溶接継手においても疲労強度に優れる高い
疲労強度を有する構造用鋼を提供する。【構成】板厚方向に、強度比で１．４０〜２．３０倍
の不連続な降伏強度分布を持つことにより、疲労き裂伝
播特性および回し溶接継手疲労強度に優れた構造用鋼板
を得る。【効果】疲労破壊が問題となる鋼構造物での使用に際
し、設計・施工で特別な配慮を必要とせず高い疲労強度
を得ることが可能であり、工業的にその効果は大きい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、船舶、橋梁等に用いる
構造用鋼板において、ニーズの高い疲労特性の優れた鋼
板にかかわるものであり、さらに詳しくは鋼板表面から
伝播した疲労き裂、あるいは板厚を貫通する疲労き裂が
伝播する際に、き裂前縁に強度分布を持たせることによ
り、き裂先端の塑性変形を抑制し、疲労き裂伝播特性を
高めた構造用鋼板に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、材料やその構造物の疲労破壊
は、疲労き裂の発生過程と、伝播過程に分けられる。鉄
鋼材料、特にその溶接継手については、疲労き裂の発生
過程は、溶接止端での応力集中や溶接残留応力の影響を
受けるため、止端処理と呼ばれる改善処理により、疲労
き裂の発生を抑える方法が研究されてきた。例えばグラ
インダーによって止端を研削して止端半径を大きくする
方法（例えば特開平５−０６９１２８号公報）、ＴＩＧ
溶接およびプラズマ熱源によって止端を再溶融して止端
形状を滑らかにする方法（例えば特公昭５４−３０３８
６号公報）、ショットピーニング、ハンマーピーニング
等によって止端に圧縮残留応力を発生させる方法（例え
ば特開平４−２１７１７号公報）がある。

【０００３】構造用鋼に限定しなければ、冷延鋼板等の
薄鋼板のスポット溶接継手疲労強度向上を目的とした発
明はいくつかあり、特公平３−５６３０１号公報、特開
昭６３−３１７６２５号公報、特開平３−１９９３４２
号公報等が提案されている。このうち、特公平３−５６
３０１号公報では、スポット溶接継手のナゲット近傍の
硬度分布を定めるため、ＴｉまたはＮｂとＢ添加、並び
に未再結晶組織の面積率を制限している。特開昭６３−
３１７６２５号公報および特開平３−１９９３４２号公
報は、いずれも鋼板の化学成分を規定したものであり、
特開昭６３−３１７６２５号公報はＴｉ，Ｎｂ，Ｂの三
者共存を、特開平３−１９９３４２号公報はＴｉ，Ｖ，
Ｚｒ等の成分添加を提案している。また溶接継手に限定
しなければ、鋼板母材の疲労き裂伝播特性の向上を目的
としたものはいくつかあり、特に本発明のようにＣｕ元
素を含有した鋼板に関するものでは、特公平１−３２３
０１号公報、特開昭６０−１５５６４２号公報、特開平
３−８２７０８号公報等が提案されている。

【０００４】また、溶接残留応力に関連した報告はいく
つかあり、相変態の超塑性現象に着目して、低合金鋼お
よびステンレス鋼の溶接残留応力の緩和や溶接変形低減
を検討した報告が、溶接学会全国大会講演概要，第３７
集ｐ．３１４−３１５，第３８集ｐ．７８−７９，第３
９集ｐ．３３８−３３９，ｐ．３４０−３４１に見られ
る。また、溶接残留応力を低減させる溶接方法として
は、マルテンサイト系ステンレス鋼溶接棒による変態膨
張効果を用いた特開昭６０−６８１７５号公報、熱膨張
率の小さい溶接材料（ステンレス用）を用いた特開昭５
７−１７３７７号公報等が提案されている。

【０００５】さらにスポット溶接継手の強度向上を目的
として、特開平２−１１５３５２号公報によりＣｕ，
Ｐ，Ｎ等の成分を限定し、特定の位置（ナゲット外周か
ら板厚と同じ距離離れた熱影響部〔以下ＨＡＺとい
う〕）での硬さが、母材硬さおよびナゲット部硬さをも
とにある関係式より求められる値以上であることを満足
することを特徴とする鋼板が提案されている。

【０００６】他方、疲労き裂伝播を抑制させる方法とし
ては、疲労き裂伝播面に垂直にき裂を分岐させることが
有効であることが、Proceedings of an internatinal c
onference sponspord by Metals Society (1981, Londo
n)のｐ．７９〜に記載されている。また同様な方法とし
て日本造船学会論文 Vol．１６９，ｐｐ．２５７−２６
６では微小セパレーションによる疲労き裂伝播速度遅延
効果が示されている。さらに、鋼板の板厚方向に単調か
つ連続的に強度差を付与して、板厚貫通き裂の伝播速度
を抑える方法が特開平３−２９１３５５号公報に示され
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来技術のうち薄鋼板
に関する特公平３−５６３０１号公報はＴｉまたはＮｂ
添加に加えて未再結晶組織の面積率を規定しており製造
コストが高くなるとともに、特に加熱・圧延条件の調整
が煩雑になる。特開昭６３−３１７６２５号公報はＴ
ｉ，Ｎｂ，Ｂの同時添加を必須としており、また特開平
３−１９９３４２号公報はＯが一定値以下でかつＡｌ／
Ｎ比を一定値以上にすることを必須としており、製鋼工
程の多大なコスト上昇になるという問題がある。

【０００８】また、母材疲労強度向上を目的とした特公
平１−３２３０１号公報は耐食性の向上効果も兼ねてい
るため、ＭｏまたはＣｏ，ＮｂまたはＶ，ＺｒまたはＢ
ｅ，ＣｅまたはＰｂの添加を必須としており、製造コス
トが著しく高くなる。特開昭６０−１５５６４２号公報
は耐腐食疲労特性の向上を目的としており、ＳとＰの含
有量比率が規定しているため製鋼工程でのコストが上昇
する。特開平３−８２７０８号公報は、ＣとＰの含有量
比率を規定しており、かつＰの含有量が高いことから、
溶接性に悪影響を及ぼすと考えられる。

【０００９】また、溶接残留応力に関連した溶接学会全
国大会講演概要，第３７集ｐ．３１４−３１５，第３８
集ｐ．７８−７９，第３９集Ｐ．３３８−３３９，ｐ．
３４０−３４１および特開昭６０−６８１７５号公報
は、オーステナイトからフェライトあるいはマルテンサ
イトへの変態温度の低下を狙って溶接残留応力を低減さ
せたものであるので、一般に高合金鋼が対象となって高
コストは避けられない。特開昭５７−１７３７７号公報
も同様に高合金材料である。

【００１０】また特開平２−１１５３５２号公報では、
スポット溶接継手の十字引張強度の向上を目的としてお
り、溶接された継手の疲労強度が向上するかどうかは不
明である。上述の既存技術は、主に疲労き裂の発生過程
を抑制することにより疲労き裂伝播特性向上を狙ったも
のであるが、疲労き裂伝播過程での効果は期待できず、
一旦疲労き裂が発生してしまうと、従来鋼と同じき裂伝
播速度で疲労き裂が伝播することになる。

【００１１】また、疲労き裂伝播を抑制させる従来技術
のうち、Proceedings of an international conference
sponspord by Metals Society (1981, London）、日本
造船学会論文 Vol．１６９，ｐｐ．２５７−２６６、特
開平５−１４８５４１号公報は、基本的には微小クラッ
クを板厚に平行に多数発生させてき裂伝播を抑制する方
法であるが、必ずしも明瞭な効果が得られないとの報告
もある（西部造船会会報）。さらに、特開平３−２９１
３５５号公報では板厚方向に単調かつ連続的に強度差を
付与しているため、比較的長いき裂（大きなΔＫ）の場
合には疲労き裂の伝播を十分に遅らせることができない
という問題がある。本発明の目的は、鋼板の強度レベル
によらず疲労き裂伝播特性が優れ、回し溶接継手におい
ても疲労強度に優れる高い疲労強度を有する構造用鋼を
提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明はき裂先端に強度
不連続部を存在させ、き裂先端の塑性域の差によって応
力の多軸度を増加させて塑性変形領域を抑制することに
より、疲労き裂伝播特性向上を実現することを特徴とす
る。即ち、本発明の要旨とするところは、板厚方向に、
強度比で１．４０〜２．３０倍の不連続な降伏強度分布
を持つことを特徴とする疲労き裂伝播特性に優れた構造
用鋼板にある。ここで不連続な降伏強度分布とは、注目
している平面（境界面）から両側（上下）へ３mmの範囲
において、それぞれの降伏強度の平均値に２０MPa 以上
の有意差があり、かつ平面の両側の降伏強度のばらつき
が、それぞれの平均値に対して±１０MPa 未満である状
態をいう。

【００１３】

【作用】以下に本発明を詳細に説明する。本発明の構造
用鋼板の疲労き裂伝播特性が優れているのは以下の理由
による。一般に疲労き裂先端には、応力拡大係数と材料
の降伏強度によって決まる塑性変形領域が存在し、塑性
変形領域の大小は疲労き裂伝播速度に影響を及ぼす。即
ち、負荷応力が大きい場合には、塑性変形領域（および
その領域内の歪）も大きくなり、疲労き裂伝播速度は大
きくなる。き裂先端の材質が均質である場合には、塑性
変形領域は、負荷応力がき裂面に垂直に作用する場合
（モードＩ）、鼓のような形であり、板厚中央部より表
面の方が大きい。ただし、疲労き裂は板厚中央部の方が
表面よりやや長い、“ＴｈｕｍｂＮａｉｌ”形状で伝
播する。

【００１４】き裂先端に強度不連続部が存在すると、ま
ず初めに強度の低い部分で塑性変形が始まる。塑性変形
領域は、強度の高い部分よりも低い部分の方が大きく、
強度の低い部分の方が塑性変形領域内の歪は大きくな
る。従って強度不連続部界面の両側では、図２に示すよ
うに、塑性変形している領域（低強度部）と、弾性変形
領域（高強度部）が隣合わせの領域が存在する。しか
し、界面で接合されるためには、低強度部と高強度部の
界面近傍での変形は同じでなければならないから、界面
近傍で弾性応力が働く。

【００１５】即ち、低強度部で塑性変形領域を高強度部
のそれに合わせようとする応力（塑性変形の広がりを妨
げようとする応力）が、高強度部では逆に、塑性変形域
を低強度部に合わせようとする弾性応力が働く。このよ
うな、変形の不連続を補うための弾性応力は、同じ塑性
変形領域内での歪の差によっても生じる。これらの応力
は、板表面の平行な方向の応力である。従ってき裂をも
つ強度不均質材界面近傍は、き裂面に垂直方向の応力
（外力による応力）と、界面両側の変形の違いを補う応
力によって、応力の多軸度が大きくなり、このことが塑
性変形を拘束する。

【００１６】その結果、強度不連続の界面では塑性変形
領域が極めて小さくなり、疲労き裂の伝播が抑制され、
き裂形状は“ＴｈｕｍｂＮａｉｌ”形状ではなく、不
連続部界面でのき裂長さが短くなるような形状をとる
（図３）。このような、高強度部の不連続界面近傍に生
じる変形拘束は、低強度部と高強度部の強度比が大きい
ほど大きくなる。従って、本発明は、特開平３−２９１
３５５号公報に示されているような単調かつ連続的な強
度分布の鋼材とは、基本的に異なった作用により疲労き
裂伝播特性を向上させている。

【００１７】次に、不連続部の強度比について述べる。
本発明者らは、種々の強度比をもつ強度不連続部を含む
鋼板を製造し、これらの鋼材について強度比と疲労き裂
伝播速度の関係を同じ応力拡大係数範囲について調べた
結果、図１に示す結果を得た。即ち、疲労き裂伝播速度
は、強度比（＝〔高強度部の降伏強度〕／〔低強度部の
降伏強度〕）の２乗が２を超えると顕著に減少すること
がわかった。線形破壊力学では、き裂先端の塑性変形領
域は材料の降伏強度の２乗に反比例するため、図１の横
軸は強度比の２乗としたが、強度比そのものは、√２＝
約１．４倍以上であれば、疲労き裂伝播速度を小さくで
きることになる。従って、本発明では強度比を１．４倍
以上とした。

【００１８】しかし、さらに強度比を上げて疲労き裂伝
播速度を調査した結果、降伏強度比の２乗が５．３を超
える材料については、疲労き裂伝播速度が減少しないこ
とがわかった。これは、過度の不連続により、不連続界
面に平行な方向のせん断応力（図２における相手側の変
形に合わせようとする応力）が過大になり、境界面に平
行に微細な割れが発生するためである。疲労き裂が、境
界面に平行な微細割れを伴って伝播する結果、伝播速度
に有意差が見られなくなる。このような理由から、強度
比の上限を√５．３＝約２．３とした。

【００１９】上記では板厚貫通き裂が伝播する場合の作
用を説明したが、付加物の回し溶接部等の応力集中部か
ら鋼板板厚方向にき裂が伝播する場合にも、本発明の構
造用鋼板は疲労き裂伝播を抑制する効果をもつ。即ち、
鋼板表面の応力集中部から疲労き裂が発生・伝播する場
合には、き裂は応力集中部を中心にして近似的に半楕円
形状で伝播する。従って鋼板は少なくとも２箇所でき裂
伝播を抑制し、鋼板に平行なき裂の伝播を抑える。鋼板
に平行な方向のき裂伝播が抑制されることは、一種のピ
ン止め効果として板厚方向の伝播も抑制する効果をも
つ。

【００２０】本発明の構造用鋼板は、特に強度のものを
規定しないが、定性的には強度レベルにかかわらず疲労
き裂伝播特性向上効果が期待できる。さらに、本発明は
特定の化学元素の添加量を制限するものではなく、強度
不連続に基づく力学的な現象により疲労き裂伝播特性を
向上させる構造用鋼板である。

【００２１】また、強度不連続部は上記の場合１箇所と
して記述したが、強度不連続の箇所が多ければ多いほど
効果が大きいことは明らかである。不連続部の境界面の
厚みは、上記力学的考察から薄ければ薄いほど効果が大
きい。また、厳密には降伏強度の組み合わせにも依存す
る。しかし、疲労き裂伝播速度の遅延の認められる強度
比１．４において、境界面の厚みを実験的に検討した結
果、顕著な効果を確保する境界部の厚みが２０μｍ以下
である必要があることを見いだした。この厚みは、強度
比１．４の場合のき裂先端の塑性変形域の寸法の差とほ
ぼ同レベルである。

【００２２】不均質材の形状は、鋼板以外に鋼板をもと
にした鋼管形状でも同じ効果が得られる。また不均質境
界面は、必ずしも板厚に垂直である必要はなく、鋼板の
両端で板厚方向における境界面の位置が異なっていても
よい。この場合、不均質境界では境界面に沿った方向の
疲労き裂伝播を抑える効果をもつ。強度不均質材の製造
方法としては、例えば強度の異なる均質鋼板を圧延や爆
着により接合して得ることができる。また、鋳造過程に
おいて、比重の違いにより複層化したスラブを製造し、
圧延することによっても製造することが可能である。

【００２３】

【実施例】

（実施例１）ＣＴ試験片による疲労き裂伝播特性表１に示す強度（降伏強度）の異なる材料の組み合わせ
鋼材Ａ〜Ｇについて、ＡＳＴＭ規格Ｅ６４７に準拠して
疲労き裂伝播試験を行った。試験片は図４に示すＣＴ試
験片である。試験片幅は１０mmであり、強度不連続の界
面は板厚中央になるように試験片を採取した。応力比は
０である。試験より得られる応力拡大係数範囲ΔＫとき
裂伝播速度ｄａ／ｄＮの関係を図５に示す。本発明鋼の
鋼種Ｅ〜Ｇは、他の鋼種Ａ〜Ｄに比べて同じΔＫに対す
るｄａ／ｄＮが約１／３になっており、広範囲のΔＫに
おいて疲労強度伝播特性に優れている。

【００２４】

【表１】

【００２５】（実施例２）回し溶接継手による疲労寿命表１に示す鋼種Ａ〜Ｇについて、２５mm厚の鋼板を製造
し、この鋼材に５００MPa クラスの強度をもつ溶接材料
を用いて入熱１８kJ／cmのＣＯ₂溶接を行って、回し溶
接継手を製作した。そして室温、大気中で公称応力範囲
１００MPa で、片振り疲労試験（応力比Ｒ＝０）を行っ
た。回し溶接継手の試験片形状・寸法をそれぞれ図６に
示す。

【００２６】疲労試験結果を表１に示す。疲労試験結果
は、試験片の破断寿命で比較している。本発明鋼Ｅ〜Ｇ
は、比較鋼に比べて２倍以上疲労強度が向上している。
本発明鋼ＥとＧでは、低強度部および高強度部の降伏応
力が異なるが、強度レベルによらず疲労強度の向上が認
められている。

【００２７】

【発明の効果】本発明にかかる構造用鋼板は、鋼板の強
度レベルによらず疲労き裂伝播特性が優れている。ま
た、回し溶接継手においても疲労強度に優れている。従
って疲労破壊が問題となる構造物での使用に際し、設計
・施工面で特別な配慮を必要とせず高い疲労強度を安定
して得ることが可能であり、工業的にその効果は大き
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】強度不均質材の強度比の２乗と、疲労き裂伝播
速度の関係を示す図表。

【図２】強度不均質材の板厚貫通き裂先端での塑性変形
領域の模式図。

【図３】伝播する疲労き裂の形状の模式図。

【図４】実施例１における疲労き裂伝播試験片の形状・
寸法を表す説明図。

【図５】実施例１における疲労き裂伝播特性の図表。

【図６】（ａ），（ｂ）は実施例２における回し溶接継
手試験片の形状・寸法を表す説明図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】板厚方向に、強度比で１．４０〜２．３
０倍の不連続な降伏強度分布を持つことを特徴とする疲
労き裂伝播特性に優れた構造用鋼板。