JPH1068043A - 高速変形下における耐脆性破壊特性に優れた構造用耐火鋼材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】耐火性能を維持しつつ、活断層タイプの大地震
等で生じる高速変形下においても、耐脆性破壊特性が優
れた構造用鋼を提供する。 【解決手段】重量比で、Ｃ：０．０３〜０．２０％、Ｓ
ｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ａ
ｌ：０．００１〜０．１％、Ｍｏ：０．１〜０．７％を
含有し、Ｓ：０．００５％未満、Ｏ：０．００３％以下
に規制し、さらにＮｂ：０．００５〜０．２％、Ｖ：
０．０１〜０．３％、Ｔｉ：０．００３〜０．１の１種
または２種以上を含有する高速変形下における耐脆性破
壊特性に優れた構造用耐火鋼材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は火災などで高温状態
になることが懸念される建造物に使用する鋼材に係り、
特に地震等で生じる高速変形下においても優れた耐脆性
破壊特性が要求される建造物への利用に適した構造用耐
火鋼材に関する。

【０００２】

【従来の技術】構造用鋼材は、通常常温で所定の強度を
有するように製造されているが，一般に温度の上昇にと
もない強度は低下し、特に従来の構造用鋼は５００℃程
度の高温状態で顕著な強度低下を示すことが知られてい
る。そのため、火災などで高温状態になることが懸念さ
れる建造物、特に人間が居住する建築物では、高温状態
でも構造物が倒壊したり、著しく変形することがないよ
うにし、安全を確保するために、鋼材の温度が著しく高
くならないように耐火被覆が施されている。

【０００３】しかし、耐火被覆による工法は建造物の建
築コストの上昇や、工期の長期化を招くため、鋼材その
ものに耐火性能を付与した構造用鋼材に対する要求され
ている。そのため、特開平２−７７５２３号公報、特開
平２−１６３３４１号公報、特開平３−１９７４２０号
公報等には、Ｍｏ，Ｖ等の合金元素を添加することによ
り、高温でも強度特性が優れている構造用鋼が開示され
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、１９９４年
１月のアメリカ・ノースリッジ地震や１９９５年１月の
阪神淡路大地震では多くの鉄骨構造物が甚大な被害を受
けたが、その特徴的な破壊形態として、柱−梁接合部や
スカラップ部等の形状不連続部からの脆性破壊があげら
れる。柱−梁接合部やスカラップ部等では通常、溶接施
工がなされており、溶接金属の止端部や未溶着部、また
は溶接欠陥等が応力集中源となり破壊の起点になりやす
い。また、ノースリッジ地震や阪神淡路大地震は活断層
タイプの地震で電源が近かったために、揺れの速度が非
常に速く、変形速度は歪速度で１〜１０／秒にも達して
いたと考えられている。

【０００５】鋼材が高速変形を受けた場合、通常の静的
な変形速度に比較し延性脆性遷移温度が上昇するといわ
れているが、ノースリッジ地震や阪神淡路大地震でみら
れた破壊は、柱−梁接合部やスカラップ部等の応力集中
部に高速の変形が加わったため、その部分の延性脆性遷
移温度が上昇し、常温でも脆性破壊を生じたためと考え
られる。

【０００６】前述した様な耐火用鋼材においても、建築
物などの安全性が求められる建造物に利用される場合に
は、地震等の高速変形時に脆性破壊が生じないことが望
まれるが、前記特開平２−７７５２３号公報、特開平２
−１６３３４１号公報、特開平３−１９７４２０号公報
等に開示された構造用耐火鋼材では、地震等の高速変形
時に脆性破壊に対しては何ら検討がなされていない。

【０００７】本発明は上記した問題点を解決するために
成されたものであり、耐火性能を維持しつつ、活断層タ
イプの大地震等で生じる高速変形下においても、耐脆性
破壊特性が優れた構造用鋼を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは高速変形下
での鋼材の破壊特性について鋭意研究を重ねた結果、以
下の知見を得るに至った。鋼材が塑性変形する場合、塑
性変形に要したエネルギーが熱エネルギーに変わるが、
高速変形下では熱伝導により熱が散逸する時間が少ない
ため、鋼材の温度が上昇する。そして、塑性変形量が多
いほどそれによる発熱も大きくなる。一般に温度が高い
ほど鋼材のシャルピー吸収エネルギーが高くなるととも
に、脆性破面率が低下するが、柱−梁接合部やスカラッ
プ部等の応力集中部が高速変形下でも十分に塑性変形す
れば、応力集中部の温度が上昇し、高速変形による延性
脆性遷移温度の上昇、つまり脆性破面率の上昇を抑制で
きることから、阪神淡路大地震等において見られたよう
な脆性破壊を防ぐことが可能となる。

【０００９】しかし、鋼材の塑性変形能は、ＪＩＳ・Ｚ
２２０１に規定された平行部を有する引張試験片により
求まる絞り値や延びで評価されるのが一般的であるが、
柱−梁接合部やスカラップ部等で見られる溶接金属の止
端部や未溶着部、または溶接欠陥等の周辺は高い３軸応
力状態にあるため、このような応力集中部、すなわち高
い３軸応力状態での塑性変形能は、従来の平行部を有す
る引張試験片では正しく評価できない。そこで、高い３
軸応力状態での塑性変形能を評価する方法について検討
を重ねた結果、柱−梁接合部やスカラップ部等で見られ
る溶接金属の止端部や未溶着部、または溶接欠陥等の周
辺の応力集中状態に相当する応力集中係数を有する切欠
付試験片を用いて引張試験を行えば、その時の絞り値に
よって、応力集中部での塑性変形能を正しく評価できる
ことがわかった。

【００１０】従来の建築用鋼材から採取した切欠底の曲
率半径が０．２５ｍｍの切欠付試験片（図１、応力集中
係数α＝６．７）を用いて、引張試験を行ったときの脆
性破面率と温度の関係を図２に示す。評点間の平均歪速
度が０．００１／秒（静的変形）と１０／秒（地震時の
高速変形に対応）の２条件で行ったが、静的変形に比べ
高速変形の方が脆性破面率が高く、延性脆性破面遷移温
度が上昇していることが明らかであり、ノースリッジ地
震や阪神淡路大地震でみられたような、高速変形下での
破壊挙動が再現されていることがわかる。

【００１１】しかし、同一の鋼材で切欠底半径が２．０
ｍｍの切欠丸棒試験片（応力集中係数α＝３．０）を用
いて同様の試験を行った結果を図３に示したが、静的変
形、高速変形ともにいずれの温度でも脆性破壊を生じて
いない。これは、切欠部の応力集中が十分でなく、柱−
梁接合部やスカラップ部等で見られるような応力状態を
再現できていないために、破壊の発生点が切欠底でな
く、試験片中心部になったためである。

【００１２】図４は応力集中係数の異なる試験片で試験
温度：０℃、静的条件で引張試験を行ったときの脆性破
面率とそのときの破壊起点を示したものである。応力集
中係数が５以上の場合は全て切欠底から破壊が発生して
おり、脆性的破面が見られるのに対し、それ未満の応力
集中係数では試験片中心部からの破壊となっており、柱
−梁接合部やスカラップ部等の応力集中部からの破壊を
再現できていないことが明らかである。このように引張
試験に用いる切欠試験片は一定値以上の応力集中係数を
有することが必要である。

【００１３】そして、上記の切欠付試験片を用いて静的
条件で引張試験を行った場合の絞り値が、一定値以上と
なる鋼材であれば、高速変形下においても十分に塑性変
形するため応力集中部の温度が上昇し、耐脆性破壊特性
を高めることが可能となるものである。

【００１４】ここで、鋼の脆性破壊に対する抵抗につい
ては、従来ＪＩＳ・Ｚ２２４２に規定されたシャルピー
衝撃試験等によって評価されている。しかし、シャルピ
ー衝撃試験では変形速度による破壊挙動の違いを比較す
ることはできず、地震で見られるような高速変形による
脆性破面率の上昇に対する抵抗力、すなわち高速変形下
での耐脆性破壊特性を評価することは不可能である。

【００１５】また鋼の塑性変形能、すなわち延性に対し
て硫化物系及び酸化物系介在物が悪影響を及ぼすことは
以前より知られており、通常、Ｓ及びＯは材質が劣化し
ない程度まで低減されている。しかし、柱−梁接合部や
スカラップ部等で見られる溶接金属の止端部や未溶着
部、または溶接欠陥等の周辺は高い３軸応力状態にある
ため、通常の引張試験で評価されるような伸びや絞り値
が低下しない程度のＳ量またはＯ量であっても、硫化物
系及び酸化物系介在物がミクロボイドの発生起点とな
り、延性亀裂が進展しやすくなるため、十分な塑性変形
能が得られない場合がある。そのため、応力集中部での
塑性変形能を高めるためにはＳ量またはＯ量を厳しく制
限する必要がある。

【００１６】すなわち本発明は上記した知見をもとにな
されたものであり、その要旨は （１）重量比で、Ｃ：０．０３〜０．２０％、Ｓｉ：
０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ａｌ：
０．００１〜０．１％、Ｍｏ：０．１〜０．７％を含有
し、Ｓ：０．００５％未満、Ｏ：０．００３％以下に規
制し、さらにＮｂ：０．００５〜０．２％、Ｖ：０．０
１〜０．３％、Ｔｉ：０．００３〜０．１の１種または
２種以上を含有することを特徴とする、高速変形下にお
ける耐脆性破壊特性に優れた構造用耐火鋼材。

【００１７】（２）重量比で、Ｃ：０．０３〜０．２０
％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０
％、Ａｌ：０．００１〜０．１％、Ｍｏ：０．１〜０．
７％を含有し、Ｓ：０．００５％未満、Ｏ：０．００３
％以下に規制し、さらにＮｂ：０．００５〜０．２％、
Ｖ：０．０１〜０．３％、Ｔｉ：０．００３〜０．１の
１種または２種以上を含有する鋼であって、応力集中係
数が５以上となる切欠を有する試験片を用いた引張試験
において、静的載荷条件で３０％以上の絞り値を有する
ことを特徴とする、高速変形下における耐脆性破壊特性
に優れた構造用耐火鋼材。

【００１８】（３）重量比で、さらに、Ｃｕ：０．０２
〜１．５％、Ｎｉ：０．０２〜１．５％、Ｃｒ：０．０
２〜１．５％、Ｚｒ：０．００３〜０．３％、Ｂ：０．
０００５〜０．００５％の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又は請求項２に記載の高
速変形下における耐脆性破壊特性に優れた構造用耐火鋼
材である。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に本発明における各構成要件
の限定理由を説明する。 Ｃ：０．０３〜０．２０％ Ｃは鋼材の強度を確保するために必要な元素であるが、
０．０３％未満では強度が不足し、０．２０％を越えて
添加すると溶接性を損ねるので、その含有量を０．０３
〜０．２０％とした。

【００２０】Ｓｉ：０．０５〜２．０％ Ｓｉは鋼材の強度を高めるとともに製鋼過程における脱
酸剤として必要であるが、０．０５％未満ではその効果
が不十分であり、２．０％を越えて添加すると溶接部の
靭性を劣化させるので、その含有量を０．０５〜２．０
％とした。

【００２１】Ｍｎ：０．３〜２．０％ Ｍｎは鋼材の強度を高めるために添加されるが、０．３
％未満では強度が不足し、２．０％を越えて添加すると
中心偏析が多くなり板厚中央の靭性が劣化するため、そ
の含有量を０．３〜２．０％とした。

【００２２】Ａｌ：０．００１〜０．１％ Ａｌは脱酸剤として必要であるが、０．００１％未満で
は脱酸が不十分であり、０．１％を越えて添加されると
連鋳スラブの表面疵の原因となるため、その含有量を
０．００１〜０．１％とした。

【００２３】Ｍｏ：０．１〜０．７％ Ｍｏは焼入性の向上、析出硬化等により鋼の強度を向上
させる有効な元素であり、特に中・高温強度に対して有
効である。しかし、０．１％未満では十分な効果が得ら
れず、０．７％を越えて添加すると溶接性が低下するだ
けでなく、コスト的にも不利になるため、その含有量を
０．１〜０．７％とした。

【００２４】Ｓ：０．００５％未満 Ｓは硫化物系介在物を生成する元素であるが、柱−梁接
合部やスカラップ部等の応力集中部のような高い３軸応
力状態では、硫化物系介在物がミクロボイドの発生起点
となり、延性亀裂発生進展を助長するため、応力集中部
での塑性変形能が著しく低下する。しかし、０．００５
％未満では問題ないので、その含有量を０．００５％未
満とした。

【００２５】Ｏ：０．００３％以下 Ｏは酸化物系介在物となって鋼中に存在するが、酸化物
系介在物と同様にミクロボイドの発生起点となり、延性
亀裂発生進展を助長するため、応力集中部での塑性変形
能が著しく低下する。しかし、０．００３％以下では問
題ないので、その含有量の上限を０．００３％とした。

【００２６】Ｎｂ：０．００５〜０．２％ Ｎｂは常温強度に有効なだけでなく、中・高温強度の上
昇に対して最も有効な元素である。しかし、その添加量
が０．００５％未満では必要な中・高温強度が得られ
ず、０．２％を越えて添加すると溶接性が劣化するた
め、その含有量を０．００５〜０．２％とした。

【００２７】Ｖ：０．０１〜０．３％ ＶはＮｂと同様に常温強度に有効なだけでなく、中・高
温強度の上昇に対して最も有効な元素である。しかし、
その添加量が０．０１％未満では必要な中・高温強度が
得られず、０．３％を越えて添加すると溶接性が劣化す
るため、その含有量を０．００５〜０．２％とした。

【００２８】Ｔｉ：０．００３〜０．１％ ＴｉもＮｂ，Ｖと同様に常温強度に有効なだけでなく、
中・高温強度の上昇に対して最も行こうな元素である。
しかし、その添加量が０．００３％未満では必要な中・
高温強度が得られず、０．１％を越えて添加すると溶接
性が劣化するため、その含有量を０．００５〜０．２％
とした。

【００２９】本発明では上記の合金元素のほかに、鋼材
の強度・靭性を高めるためにＣｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，
Ｂの１種または２種以上を含有してもよいが、以下にそ
の成分の限定理由を述べる。

【００３０】Ｃｕ：０．０２〜１．５％ Ｃｕは強度・靭性の向上に有効であるとともに、耐候性
を向上する元素である。しかし、０．０２％未満ではそ
の効果が得られず、１．５％を越えて添加すると熱間加
工性が低下するだけでなく、表面疵が発生しやすくなる
ので、その含有量を０．０２〜１．５％とした。

【００３１】Ｎｉ：０．０２〜１．５％ Ｎｉは靭性の向上に極めて有効な元素であるが、その添
加量が０．０２％未満では効果が得られず、また非常に
高価な元素であることから１．５％を越えて添加すると
コスト的に不利になるため、その含有量を０．０２〜
１．５％とした。

【００３２】Ｃｒ：０．０２〜１．５％ Ｃｒは強度向上に有効な元素であるが、その添加量が
０．０２％未満では効果が得られず、１．５％を越えて
添加すると溶接性が低下するので、その含有量を０．０
２〜１．５％とした。

【００３３】Ｚｒ：０．００３〜０．３％ Ｚｒは、炭窒化物を形成し、結晶粒微細化に有効な元素
である。しかし、０．００３％未満ではその効果が得ら
れず、また、０．３％を越えて添加しても効果が飽和す
るとともにコスト上昇になるので、その含有量を０．０
０３〜０．３％とした。

【００３４】Ｂ：０．０００５〜０．００５％ Ｂは、微量添加で常温強度上昇に有効な元素である。し
かし、０．０００５％未満ではその効果が得られず、
０．００５％を越えて添加しても焼入れ性向上効果は小
さくなるとともに溶接性を劣化させることから、その含
有量を０．０００５〜０．００５％とした。

【００３５】そして、本発明の構造用耐火鋼材は、さら
に応力集中係数が５以上となる切欠を有する試験片を用
いた引張試験において、静的載荷条件下で３０％以上の
絞り値を有する。

【００３６】応力集中係数が５以上となる切欠を有する
試験片を用いるのは、応力集中係数が５未満の切欠を有
する試験片あるいは切欠のない試験片では、高速変形下
（歪速度で０．１／秒以上）での耐脆性破壊特性を評価
することは不可能であるためである。また、静的載荷条
件下で引張試験を行ったときの絞り値が３０％以上と限
定した理由は、切欠引張試験での絞り値が３０％未満で
は応力集中部の塑性変形能が不足しているため、地震な
どにより生じる高速変形下において、柱−梁接合部やス
カラップ部等で見られる応力集中部の温度上昇が小さ
く、延性脆性遷移温度が上昇、すなわち脆性破面率が増
加することにより、脆性破壊を生じやすくなる恐れがあ
るためである。なお、切欠引張試験片は応力集中係数が
５以上であれば任意の形状のものを使用することができ
る。また，応力集中係数αはＮｅｕｂｅｒの算出式に基
づいて以下の式で求めるものとする。 α＝１＋２（ａ／ρ）^1/2 ａ：切欠の深さ，ρ：切欠
先端の曲率半径

【００３７】

【発明の実施例】以下に、本発明の実施例について説明
する。表１に示した成分の鋼を用いて、種々のプロセス
により板厚２５ｍｍの鋼板を製造した。製造プロセス
は、製造圧延まま、制御圧延及び載加熱焼入焼戻しであ
る。表２にこれらの鋼板の常温及び６００℃での引張特
性を示した。ここで、引張試験片は板厚１／４位置で、
圧延方向に平行な方向から採取した。

【００３８】本発明鋼であるＡ〜Ｍは６００℃において
も高い降伏応力を有しており、耐火特性に優れているこ
とが明らかである。一方、Ｎ，Ｏ，ＰはＭｏまたはＮ
ｂ，Ｖ，Ｔｉの添加量が不足しているため、６００℃に
おいては降伏応力が著しく低下している。また、Ｑ〜Ｔ
はＳまたはＯが本発明の範囲から外れているが、Ｍｏま
たはＮｂ，Ｖ，Ｔｉが添加されているため高温でも十分
な特性が得られている。

【００３９】次に、Ａ〜Ｍ及びＱ〜Ｔの鋼板を用いて、
板厚１／４位置、圧延方向に平行な方向から、図１に示
したような切欠底の曲率半径：０．１５ｍｍ〜２．０ｍ
ｍ（応力集中係数：８．３〜３．０）の切欠を有する試
験片を採取した。そして、評点間の平均歪速度で０．０
０１／秒の静的引張試験、及び平均歪速度１０／秒の高
速引張試験を行い、引張強度、絞り値及び脆性破面率を
測定した。そして、高速変形による脆性破面率の変化量
より、耐脆性破壊特性を評価した。なお、試験温度は全
て０℃で行った。

【００４０】これらの結果を表３にまとめて示した。本
発明鋼であるＡ〜Ｍは応力集中係数が５以上の場合、い
ずれも静的引張試験での絞り値が３０％以上であり、高
速引張試験においては脆性破面率が変化しないか、また
は低下していることから、本発明鋼は高速変形下での耐
脆性破壊特性に優れていることが明らかである。また、
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ鋼において本発明範囲よりも小さい応力
集中係数の試験片で試験を行った場合は、絞り値は高く
なるが試験片中央部からの延性破壊となり、脆性破面率
の変化を評価できない。一方、比較鋼であるＱ〜Ｔはい
ずれも成分が本発明範囲から外れており、静的引張試験
での絞り値も本発明の範囲より小さいため、高速引張試
験では脆性破面率が大幅に増加している。

【００４１】

【表１】

【００４２】

【表２】

【００４３】

【表３】

【００４４】

【発明の効果】以上に示したように、本発明によれば耐
火特性が優れていると同時に、高速変形下においても応
力集中部の脆性破面率が増加する現象が起きず、耐脆性
破壊特性に優れた鋼材を提供することが可能であり、地
震などで高速変形を受けるような建造物の利用に適して
いるといえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例で使用した応力集中係数が６．７の環状
切欠を有する切欠丸棒試験片の形状を示す図。

【図２】切欠丸棒試験片（応力集中係数α＝６．７）を
用いた引張試験での脆性破面率と温度の関係の例を示し
た図。

【図３】切欠丸棒試験片（応力集中係数α＝３．０）を
用いた引張試験での脆性破面率と温度の関係の例を示し
た図。

【図４】応力集中係数の異なる試験片で試験温度：０
℃、静的条件で引張試験を行ったときの脆性破面率とそ
のときの破壊起点を示す図。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比で、Ｃ：０．０３〜０．２０％、
   Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、
   Ａｌ：０．００１〜０．１％、Ｍｏ：０．１〜０．７％
   を含有し、Ｓ：０．００５％未満、Ｏ：０．００３％以
   下に規制し、さらにＮｂ：０．００５〜０．２％、Ｖ：
   ０．０１〜０．３％、Ｔｉ：０．００３〜０．１の１種
   または２種以上を含有することを特徴とする、高速変形
   下における耐脆性破壊特性に優れた構造用耐火鋼材。
2. 【請求項２】 重量比で、Ｃ：０．０３〜０．２０％、
   Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、
   Ａｌ：０．００１〜０．１％、Ｍｏ：０．１〜０．７％
   を含有し、Ｓ：０．００５％未満、Ｏ：０．００３％以
   下に規制し、さらにＮｂ：０．００５〜０．２％、Ｖ：
   ０．０１〜０．３％、Ｔｉ：０．００３〜０．１の１種
   または２種以上を含有する鋼であって、応力集中係数が
   ５以上となる切欠を有する試験片を用いた引張試験にお
   いて、静的載荷条件で３０％以上の絞り値を有すること
   を特徴とする、高速変形下における耐脆性破壊特性に優
   れた構造用耐火鋼材。
3. 【請求項３】 重量比で、さらに、Ｃｕ：０．０２〜
   １．５％、Ｎｉ：０．０２〜１．５％、Ｃｒ：０．０２
   〜１．５％、Ｚｒ：０．００３〜０．３％、Ｂ：０．０
   ００５〜０．００５％の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又は請求項２に記載の高速
   変形下における耐脆性破壊特性に優れた構造用耐火鋼
   材。