WO2007072752A1 - 疲労亀裂進展抑制に優れた鋼板 - Google Patents

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fatigue crack
crack growth
grain boundaries
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Seiichi Ogaki
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Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho
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    • C21D8/02—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
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    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/002—Bainite

Definitions

  • the present invention relates to a steel sheet used mainly as a structural material for ships and bridges.
  • the present invention relates to a high-strength steel sheet mainly composed of a bainite phase capable of suppressing the crack growth rate and ensuring a good fatigue life.
  • the fatigue process of steel materials can be broadly divided into two processes: the generation of cracks in stress-concentrated portions and the development of cracks that have occurred.
  • the occurrence of macroscopic cracks is considered as the limit of use, and there is almost no design that allows crack growth.
  • a fatigue crack occurs, it does not immediately break. This crack is discovered by periodic inspection before the final stage, and the cracked part is repaired. Or if the crack does not grow to the length that will lead to final failure within the period of use, the structure will be able to withstand even the crack.
  • Patent Document 1 has a two-phase structure of a hard phase and a soft phase, and the boundary between the soft phase and the hard phase is as follows. Technologies have been proposed that suppress the crack growth rate by bending, stopping, and branching cracks. [0006] However, with this technology, there is a problem that a high strength steel cannot be manufactured because of the necessary force S to make a structure basically including a soft ferrite structure.
  • Patent Document 2 a bainite structure or a martensite structure is mainly used, and the maximum tensile 'compression strain is ⁇ 0.012, the repetition rate is 0.5Hz, and the wave number is gradually increased up to the maximum strain.
  • the repetitive softening parameter indicated by the ratio ⁇ ⁇ ⁇ to the stress ⁇ is 0.65 or more and 0.95 or less.
  • Patent Document 3 improves the shape memory characteristics and magnetostriction characteristics by specifying the ratio of grain boundaries corresponding to ⁇ 1 and ⁇ 3-29.
  • An iron-based shape memory alloy is disclosed.
  • the crack growth rate and the state of the grain boundary are not taken into consideration, and the established knowledge about the influence of the grain boundary state on the characteristics, especially for the steel sheet, is obtained. It is the actual situation.
  • Patent Document 1 Japanese Patent No. 3298544 Patent Claim etc.
  • Patent Document 2 JP-A-2004-27355 Patent Claim
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 11 269611 Claims, etc.
  • the present invention has been made paying attention to the above-described circumstances, and its purpose is to clarify the influence of the grain boundary state on the characteristics in a steel sheet mainly composed of vanite. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a steel sheet having more excellent fatigue crack propagation resistance.
  • the steel sheet of the present invention that has been able to achieve the above-mentioned object also has a structural force mainly composed of a bainite phase, and is a grain corresponding to ⁇ 3 among large-angle grain boundaries in which the orientation difference between two crystals is 15 ° or more. It has a gist in that the share of the world is 0.065 or more.
  • “mainly composed of bainite” means that the ratio of the bainite phase to the entire steel is 90% or more.
  • the chemical component composition is effective as long as it is a component composition as a normal steel sheet.
  • C 0.01 to 0.10% (mean mass 0/0, the same below), Si: 0.01 ⁇ 0.6%, Mn : 0.6 ⁇ 2.0%, A1:. 0.001 ⁇ 0 1% other containing each a, Cu: 0.03 to 3.0%, Cr : 0.03 to 3.0%, Ni: 0.03 to 3.0%, Mo: 0.03 to: L 0%, V: 0.001 to 0.1%, Nb: 0.001 to 0.1%, Ti: 0.001 to 0.1% and B : The group power consisting of 0.0003 to 0.030% is also selected. One or more are selected, and the balance is iron and inevitable impurities.
  • the DI value or DI value specified by the following formula (1) or (2) is 1.5 to 8.0. Is more
  • [C], [Si], [Mn], [Cu], [Ni], [Cr], [Mo], [V] and [B] are C, Si, Mn, Cu and Ni, respectively. , Cr, Mo, V and B content (% by mass)
  • a steel plate having a structure mainly composed of bainite can be realized by appropriately defining the ratio of a specific corresponding grain boundary, whereby a steel plate excellent in fatigue crack growth suppression can be realized.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a corresponding grain boundary.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the proportion of grain boundary 3 and the fatigue crack growth rate.
  • the present inventors have focused particularly on a steel sheet having a bainitic structure, and considered that the grain boundary in the steel sheet becomes resistance to crack growth, and the state of the grain boundary and fatigue crack growth.
  • Various angular forces were also examined in relation to speed. As a result, it was found that increasing the ratio of a certain corresponding grain boundary was extremely effective in suppressing fatigue crack growth, and the present invention was completed. In the following, the effects of the present invention will be described along with the process of completing the present invention.
  • the corresponding grain boundary means a special grain boundary having high geometric consistency. These grain boundaries are structurally stable and are said to have excellent mechanical and chemical properties, but there are many details that have yet to be elucidated. For example, consider the overlap of two crystals when one of the two crystals is rotated around the rotation axis M by an angle ⁇ (rotation angle). At this time, depending on the rotation axis M and the rotation angle ⁇ , lattice points that overlap periodically other than the origin (a point in the original position) are formed. The points that overlap are Call it a point! The ratio between the unit cell volume of the original crystal lattice and the unit cell volume of the corresponding lattice point formed here is called the threshold value. A grain boundary in which this saddle value is 3 is called a grain boundary corresponding to ⁇ 3.
  • Figure 1 shows a simple cubic lattice rotated by 36.52 ° around the 001> axis (rotation angle 0) (Y-M-X ⁇ ⁇ - ⁇ - ⁇ ). 5 Corresponds to the corresponding grain boundary. In the figure, the points where the lattice points overlap each other are indicated by “ ⁇ ” marks, which are the corresponding lattice points.
  • the corresponding grain boundary is generated by rotating at a certain angle with respect to the adjacent crystal lattice, and has a higher degree of regularity than a normal high-angle random grain boundary. Energy is low and stable. Thus, it is known that the corresponding grain boundary has a lower grain boundary energy than the random grain boundary, and it is known that the grain boundary does not easily slide. The effect of the corresponding grain boundary on the fatigue crack growth rate Ny, it hasn't been studied yet
  • the proportion of the grain boundaries corresponding to ⁇ 3 out of the large-angle grain boundaries (large tilt boundaries) where the orientation difference between the two crystals at all measurement points is 15 ° or more. It has been found that if it becomes 0.065 or more (preferably 0.070 or more), the fatigue crack growth rate in the steel sheet can be greatly suppressed as compared with the conventional steel.
  • the “orientation difference” is also referred to as “shift angle” or “inclination angle”, and may be hereinafter referred to as “crystal orientation difference”.
  • This energy ⁇ can be expressed as shown in (3) below.
  • the grain boundary energy ⁇ of the corresponding grain boundary is small.
  • ⁇ is the grain boundary surface energy and ⁇ is the grain boundary energy.
  • the EBSP method (Electron Backscattering Pater rn method) may be employed to measure the ratio of the grain boundary corresponding to ⁇ 3.
  • the width and intensity of the scattered wave (Kikuchi line) generated when the sample is irradiated with an electron beam, the crossing angle of the scattered waves and the position where they appear are determined by the crystal system, crystal structure and orientation, Therefore, it is possible to determine the crystal orientation difference by analyzing the image features of EBSP.
  • the crystal orientation difference is divided at each measurement point. Since it was possible to measure whether or not there was, the crystal orientation difference was calculated from the difference in the orientation (tilt) of adjacent crystals.
  • the ⁇ 3 corresponding grain boundary is a grain boundary when adjacent crystals have a specific orientation difference. If the orientation difference between crystals is strong, it can be determined from the orientation difference whether it is a grain boundary corresponding to ⁇ 3.
  • the chemical component composition is such that the effect is exhibited as long as it is a component composition as a normal steel sheet.
  • C 0.01-0 10%, Si: 0.01 ⁇ 0.6%, Mn: 0.6 ⁇ 2.0%, A1: 0.001 ⁇ 0.1 0%, Cu: 0.03 ⁇ 3 0%, Cr: 0.03 to 3.0%, Ni: 0.03 to 3.0%, Mo: 0.03 to: L 0%, V: 0.001 to 0.1%, Nb: 0. 001 to 0.1%, Ti: 0.001 to 0.1%, 8: 0. 0003-0. 030% group power, including one or more selected, the balance Are iron and inevitable impurities.
  • the reasons for limiting the ranges of these components are as follows.
  • C is an element necessary for ensuring the strength of the steel sheet.
  • Minimum strength as a steel sheet ie In order to obtain about 490MPa (depending on the thickness of the steel used), it is better to contain 0.01% or more.
  • C when C is excessively contained (in the case of medium carbon or high carbon), the selected noriant changes by changing the transformation mechanism of the bainite, so it should be 0.10% or less.
  • the more preferable lower limit of the C content is 0.03%, and the preferable upper limit is 0.08%.
  • Si is a necessary element for deoxidation and securing strength, and the minimum strength as a structural member cannot be secured unless it is less than 0.01%. However, if it exceeds 0.6%, the weldability will deteriorate significantly.
  • Mn is an element effective for securing the strength and toughness of the steel sheet, and in order to exert such effects, it is preferable to contain 0.6% or more. However, if over 2.0% is added, the weldability and cracking susceptibility deteriorate, so it is better to make it 2.0% or less. A more preferable lower limit of the Mn content is 0.8%, and a more preferable upper limit is 1.8%.
  • A1 is a useful element for deoxidation, and if it is less than 0.001%, there is no deoxidation effect. However, if the content exceeds 0.10%, the toughness of the welded portion deteriorates, so it is preferable to make it 0.10% or less.
  • These elements have the effect of suppressing transformation and lowering the bainite transformation start temperature Bs.
  • the amount of random grain boundaries can be changed, and the proportion of corresponding grain boundaries can be increased.
  • the basic components in the high-tensile steel sheet of the present invention are as described above, and the balance is composed of iron and inevitable impurities (for example, P, S, N, O, etc.). From the viewpoint of maintaining good weldability, it is preferable to control the DI value or DI value represented by the above formula (1) or (2) within the range of 1.5 to 8.0. In addition, the above
  • P and S in the unavoidable impurities are preferably suppressed to 0.025% or less and 0.02% or less, respectively.
  • the reasons for defining these ranges are as follows.
  • DI value or DI value is an index of hardenability. If this value is less than 1.5,
  • P is an impurity that is detrimental to crystal grains and adversely affects ductility and toughness, so it is preferable that it be as small as possible, but considering the degree of cleanliness of practical steel, it is suppressed to 0.025% or less. Is good.
  • S is an impurity that combines with alloy elements in the steel sheet to form various inclusions and adversely affects the ductility of the steel sheet, so it is preferable that it be as small as possible. Considering the degree, it is better to keep it below 0.02%.
  • the steel plate of the present invention may contain Ca: 0.0005 to 0.003% and Z or REM: 0.0005 to 0.030% depending on necessity. By adding these elements, the properties of the steel sheet are further improved.
  • Ca and REM are effective elements for improving the toughness due to the fixation of S, and in order to exert the effect, it is preferable to contain both 0.0005% or more. However, since the effect is saturated even if it is contained excessively, it is preferable that the content of Ca is 0.003% or less and that of REM is 0.030% or less. A more preferred lower limit when Ca is contained is 0.001%.
  • the method for producing the steel sheet of the present invention is not particularly limited.
  • the steel slab having the chemical composition as described above is subjected to the following procedure, and the structure mainly composed of bainite. Just do it.
  • the nature of grain boundaries is related to grain growth due to grain boundary movement.
  • intragranular bainite generated from austenite grains ( ⁇ grains) generates random grain boundaries.
  • Such a force is preferably heated to a temperature range of at least 900 to 1200 ° C and finished in an austenite state of 700 ° C or higher.
  • cooling in order to suppress the formation of random grain boundaries from within the grains, after the end of rolling, in order to suppress the formation of pseudopolygonal freight (a), cooling to a temperature range of 400 ° C or lower for 5 ° CZ seconds or more. It is preferable to perform accelerated cooling at a speed.
  • the faster the cooling rate with less strain before cooling the lower the nucleation frequency and the lower the transformation temperature.
  • the transformation temperature is lowered, the distance in which atoms can move during transformation is reduced, and the transformation behavior is changed from diffusion transformation to shear transformation, and the formation of corresponding grain boundaries is promoted.
  • it is effective to add alloying elements or increase the cooling rate.
  • Measurement was carried out using an EBSP method (Electron Backscattering Pattern method).
  • the SEM-EBSP online crystal orientation 'grain boundary character automatic analyzer used at this time is composed of FE-SEM, TSL OIM hardware' software and SGI computer.
  • the measurement conditions at this time are as follows: measurement area: 200 mX 200 m, measurement pitch: 0.5 m interval, and a measurement point with a confidence index indicating the reliability of the measurement direction is smaller than 0.1. Excluded from analysis. In an actual structure, a grain boundary having a completely corresponding lattice relationship is extremely rare, and a slight deviation often occurs due to the introduction of dislocations that do not disturb the regular relationship.
  • the resulting force in Table 3 can also be considered as follows. First Test No. 1 to 13 of those, which satisfy the requirements stipulated in the present invention, (3. propagation rate 5 X 10- 5 mm / cycle or less) sufficient fatigue crack growth inhibiting effect exerted You can see that.
  • test Nos. 14 to 18 lack any of the requirements defined in the present invention, and none of them exhibits the fatigue progress suppressing effect.
  • Test Nos. 14 and 15 neither accelerated cooling was performed, so the rate of fatigue crack growth with a low percentage of grain boundaries corresponding to ⁇ 3 was increasing.
  • Test No. 16 although the production conditions are within the preferable range, the C content is high (Steel type D in Table 1), and the transformation mechanism during the formation of the bait changes. (3) The fatigue crack growth rate is increasing because the corresponding grain boundaries have decreased. Furthermore, in test No.
  • Test No. 18 has a structure in which some ferrite is formed (ferrite + pearlite), and the rate of fatigue crack growth is low with a low ratio of ⁇ ⁇ 3 corresponding grain boundaries.

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Abstract

　ベイナイトを主体とする鋼板において、各結晶方位関係を適切に規定することによって、疲労亀裂進展抑制に優れたものとした鋼板を提供する。本発明の鋼板は、ベイナイト相を主体とする組織からなり、２つの結晶の方位差が１５°以上の大角粒界のうち、Σ３対応粒界の占める割合が０．０６５以上であり、必要により化学成分組成を、Ｃ：０．０１～０．１０％、Ｓｉ：０．０１～０．６％、Ｍｎ：０．６～２．０％、Ａｌ：０．００１～０．１％を夫々含有する他、Ｃｕ：０．０３～３．０％、Ｃｒ：０．０３～３．０％、Ｎｉ：０．０３～３．０％、Ｍｏ：０．０３～１．０％、Ｖ：０．００１～０．１％、Ｎｂ：０．００１～０．１％、Ｔｉ：０．００１～０．１％およびＢ：０．０００３～０．０３０％よりなる群から選択される１種または２種以上を含み、残部が鉄および不可避不純物のものとする。

Description

明 細 書
疲労亀裂進展抑制に優れた鋼板
技術分野
[0001] 本発明は、主として船舶や橋梁の構造材として用いられる鋼板に関するものであり
、特に亀裂の進展速度を抑制して良好な疲労寿命を確保することのできるベイナイト 相を主体とする高張力鋼板に関するものである。
背景技術
[0002] 造船や橋梁分野を始めとする各種構造材料では、繰り返し応力が加わるものが少 なくないことから、構造材料の安全性を確保するためには、素材として用いられてい る鋼材には疲労特性が良好であることが設計上極めて重要である。
[0003] 鋼材の疲労過程は、応力集中部での亀裂の発生と、ー且発生した亀裂の進展とい う 2つの過程に大別して考えられる。そして、通常の機械部品では巨視的な亀裂の発 生が、使用限界として考えられており、亀裂の進展を許容する設計は殆どされていな い。し力しながら、溶接構造物においては、疲労亀裂が発生しても直ちに破壊に至る ことはなぐこの亀裂が最終段階に至る前に定期検査などで発見され、亀裂の入った 部分が修理されるか、或は使用期間内に亀裂が最終破壊に至る長さまでに成長しな いならば、亀裂があっても構造物は十分に使用に耐え得ることになる。
[0004] ところで、溶接構造物では、応力集中部としての溶接止端部が多数存在しており、 疲労亀裂の発生を完全に防止することは技術的にも不可能に近ぐまた経済的にも 得策とはいえない。即ち、溶接構造物の疲労寿命を良好にするためには、亀裂の発 生そのものを防止するよりも、亀裂が既に存在している状態からの亀裂進展寿命を大 幅に延長することが有効であり、そのためには鋼材の亀裂の進展速度をできるだけ 遅くするような設計が重要な事項となる。
[0005] 疲労亀裂進展の速度を抑制する技術としてもこれまで様々なものが提案されており 、例えば特許文献 1には、硬質相と軟質相の 2相組織とし、軟質相 Z硬質相境界に おける亀裂の屈曲、停留、分岐によって亀裂進展速度を抑制する技術が提案されて いる。 [0006] し力しながら、この技術では、軟質のフェライト組織を基本的に含む組織とする必要 力 Sあり、高強度鋼を製造することはできないという問題がある。
[0007] 一方、特許文献 2では、ベイナイト組織またはマルテンサイト組織を主体とし、最大 引張 '圧縮歪で ±0. 012、繰り返し速度 0. 5Hz、最大歪までの波数 12の漸増'漸 減繰り返し負荷を 15回与えたときの、 1回の最大歪時の応力 σ と 15回の最大歪時
1
の応力 σ との比 σ Ζ σ で示される繰り返し軟化パラメータが 0. 65以上 0. 95以
15 1 15
下であるような疲労亀裂進展特性に優れた鋼材が提案されている。そして、この技術 では、繰り返し軟ィ匕については、繰り返し応力が負荷された際の転位の再配列によつ て起こるとされており、亀裂先端の転位密度が高いほど軟ィ匕が起こりやすぐ疲労亀 裂進展抑制に効果があることが示されて 、る。
[0008] 上記技術において、転位密度を高めるためには、実施例に示されているように実質 的に直接焼入れや、オフラインで焼入れを行う必要がある。しカゝしながら、オフライン の熱処理では生産性が低下することが予想され、またライン上で直接焼入れするに しても転位導入による強度を考慮しなければならな 、ので、強度が高くなり過ぎな 、 ように低成分にするという制約がある。その結果、成分設計上での自由度が低いもの となり、その他の特性が劣化することが十分に考えられる。また上記のような軟化パラ メータが規定範囲内部であっても、破面遷移温度 vTrsが 0°Cを超える実施例が存在 し、構造物としての特性を十分に満足できな 、可能性がある。
[0009] 亀裂進展速度に影響を与える因子として、粒界の状態も考えられる。粒界状態を材 料特性に応用した技術として、例えば特許文献 3には、∑1対応粒界、∑3〜29対応 粒界等の割合を規定することによって、形状記憶特性ゃ磁歪特性を改善した鉄基形 状記憶合金について開示されている。し力しながら、亀裂進展速度と粒界の状態に っ 、ては考慮されておらず、特に鋼板にぉ 、て粒界状態が特性に与える影響につ Vヽては確立された知見が得られて 、な 、のが実情である。
特許文献 1 :特許第 3298544号公報 特許請求の範囲等
特許文献 2：特開 2004— 27355号公報 特許請求の範囲等
特許文献 3：特開平 11 269611号公報 特許請求の範囲等
発明の開示 発明が解決しょうとする課題
[0010] 本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、べィナイ トを主体とする鋼板において、粒界の状態が特性に与える影響を明らかにすることに よって、疲労亀裂進展抵抗性をより優れたものとした鋼板を提供することにある。
課題を解決するための手段
[0011] 上記目的を達成することのできた本発明の鋼板とは、ベイナイト相を主体とする組 織力もなり、 2つの結晶の方位差が 15° 以上の大角粒界のうち、∑3対応粒界の占 める割合が 0.065以上である点に要旨を有するものである。尚、本発明において、「 ベイナイトを主体とする」とは、ベイナイト相の鋼全体に占める割合が 90%以上の場 合をいうものとする。
[0012] 本発明の鋼板においては、その化学成分組成については通常の鋼板としての成 分組成であれば、その効果が発揮されるものであるが、好ましい化学成分組成として は、 C:0.01〜0.10% (質量0 /0の意味、以下同じ)、 Si:0.01〜0.6%、 Mn:0.6 〜2.0%、A1:0.001〜0. 1%を夫々含有する他、 Cu:0.03〜3.0%、Cr:0.03 〜3.0%、Ni:0.03〜3.0%、Mo:0.03〜： L 0%、V:0.001〜0. l%、Nb:0. 001〜0. l%、Ti:0.001〜0.1%および B:0.0003〜0.030%よりなる群力も選 択される 1種または 2種以上を含み、残部が鉄および不可避不純物であるものが挙 げられる。
[0013] 本発明の鋼板においては、必要によって、下記（1)式または（2)式で規定される DI 値または DI値が 1.5〜8.0であることが好ましぐこれによつて鋼板の特性が更に
1 2
改善される。
[Μη>1.2%のとき]
DI =1.16X (^[C]/10) X (0.75[Si] + l) X{5. l([Mn]— 1.2) +5.0} X ( 0.35[Cu] + l) X (0.36[Ni] + l) X (2.16[Cr] + l) X (3[Mo] + l) X (1.75 [V] + 1) X(200[B] + 1) …ひ） [Mn≤l.2%のとき]
DI =1.16X (^[C]/10)X (0.75[Si] + l) X3.33([Mn] + l) X (0.35 [Cu]
2
+1) X (0.36[Ni] + l) X (2. 16[Cr] + l) X (3[Mo] + l) X (1.75[V] + 1) X ( 200[Β] + 1) · ·· (2)
但し、 [C] , [Si] , [Mn] , [Cu] , [Ni] , [Cr] , [Mo] , [V]および [B]は、夫々 C, S i, Mn, Cu, Ni, Cr, Mo, Vおよび Bの含有量（質量％)を示す。
[0014] また、（a)不可避不純物中の Pを 0. 025%以下（0%を含まない）、 Sを 0. 02%以 下（0%を含まない）に夫々抑制することや、（b) Ca : 0. 0005〜0. 0030%および Z または希土類元素 (REM) : 0. 0005〜0. 030%を含有することも好ましぐ抑制若 しくは含有する成分に応じて、高強度張力鋼板の特性が更に改善される。
発明の効果
[0015] 本発明では、ベイナイトを主体とする組織を有する鋼板にぉ 、て、特定の対応粒界 の割合を適切に規定することによって、疲労亀裂進展抑制に優れた鋼板が実現でき 、こうした鋼板は、造船や橋梁分野を始めとする各種構造材料の素材として有用であ る。
図面の簡単な説明
[0016] [図 1]対応粒界を説明するための図である。
[図 2]∑ 3対応粒界の割合と疲労亀裂進展速度の関係を示すグラフである。
発明を実施するための最良の形態
[0017] 本発明者らは、前記課題を解決するために、特にべイナイト組織である鋼板に着目 し、その鋼板における粒界が亀裂進展の抵抗になると考え、粒界の状態と疲労亀裂 進展速度の関係について様々な角度力も検討した。その結果、一定の対応粒界の 割合を増加させることが、疲労亀裂進展を抑制する上で極めて有効であることを見出 し、本発明を完成した。以下、本発明を完成させた経緯に沿って、本発明の作用効 果について説明する。
[0018] 対応粒界とは、幾何学的に整合性の高い特殊な粒界を意味する。この粒界は構造 的にも安定で、力学的、化学的にも優れた特性を有するといわれているが、その詳細 については未だ解明されていない部分が多い。例えば、 2つの結晶の一つを回転軸 Mの周囲に角度 Θ (回転角度)だけ回転させた場合の 2つの結晶の重なりを考える。 この際、回転軸 Mと回転角度 Θによっては、原点（元の位置にある状態の点）以外に も周期的に重なる格子点が形成されることになる。このように重なった点を対応格子 点と呼んで!/、る。元の結晶格子の単位胞体積とここで形成される対応格子点の単位 胞体積の比を∑値と呼ぶ。この∑値が 3である関係にある粒界を∑ 3対応粒界と呼ぶ
[0019] 図 1は、単純立方格子をく 001〉軸周りに 36. 52° 回転（回転角度 0 )させて (Y - M— X →Υ -Μ-Χ )重ね合わせた図であり、∑ 5対応粒界に相当するものであ り、図中相互の格子点が重なった点を「〇」印で示しているが、これが対応格子点と なる。
[0020] 上記のように対応粒界は、隣り合う結晶格子に対して、一定の角度回転することで 生成されるものであり、通常の高角度ランダム粒界に比べて規則度が高く粒界エネ ルギ一が低く安定なものとなる。このように、対応粒界がランダム粒界に比べて粒界 エネルギーが低ぐ粒界すべりが起きにくいこと自体は知られていることである力 こう した対応粒界が疲労亀裂進展速度に与える影響にっ 、ては未だ検討されて 、な ヽ
[0021] 本発明者らは、こうした状況の下で、鋼板における粒界の状態について、 EBSP法
(Electron Backscattering Pattern法）に基づいて測定した結果、全測定点における 2 つの結晶の方位差が 15° 以上の大角粒界（大傾角境界）のうち、∑ 3対応粒界の占 める割合が 0. 065以上 (好ましくは 0. 070以上)となれば、鋼板における疲労亀裂進 展速度を従来鋼に比べて大幅に抑制できることが判明したのである。尚、前記「方位 差」は、「ずれ角」若しくは「傾角」とも呼ばれているものであり、以下では「結晶方位差 」と呼ぶことがある。
[0022] 上記のように∑ 3対応粒界の割合を大きくすることによって、疲労亀裂進展速度を 抑制できる理由については、その全てを解明し得た訳ではないが、恐らく次のように 考えることができた。即ち、亀裂が進展するに際に必要なエネルギーを γとしたとき、
a
このエネルギー Ύ は下記（3)のように表せる力 対応粒界の粒界エネルギー γ が小
a b さいので、亀裂に必要なエネルギー γが大きくなつて、疲労亀裂が進展するに必要
a
なエネルギーが大きくなると考えられる。換言すれば、亀裂進展の機構としては、整 合性の高!、安定な粒界を亀裂が進展する際には、大きな破壊エネルギーを消費しな ければならず、進展速度は低下するものと考えられる。 Ύ =2y ― y ·" (3)
a s b
但し、 γ ：粒界の表面エネルギー、 γ ：粒界エネルギー
s b
[0023] 尚、∑ 3対応粒界の割合を測定するには、 EBSP法 (Electron Backscattering Patte rn法)を採用すれば良い。この方法では、試料に電子線を照射したときに発生する散 乱波 (菊池線)の幅や強度、散乱波同士の交差角度や現出する位置は、結晶系や 結晶構造および方位によって決まり、従って EBSPの画像的特徴を解析することによ つて、結晶方位差を決定することが可能である。
[0024] EBSP法にぉ 、て、今回 0. 5 μ mピッチで電子線を照射し、夫々の位置での散乱 波を測定し、その情報力 その位置での結晶が電子線の照射面に対してどの程度傾 いているかを算出した。尚、前記「全測定点」は、それらの全ての電子線を照射して 散乱情報を得た点を意味するものである。
[0025] また、方位差 15° 以上であるか否かの判別については、それぞれの測定点で結晶 の方位が分力つているため、隣同士の測定点でもそれぞれ結晶がどの程度傾きの差 があるかを測定することができるので、その隣あう結晶の方位 (傾き）の差から、結晶 方位差を算出して判別した。
[0026] ∑ 3対応粒界力否かの判別については、∑ 3対応粒界は、隣あう結晶が特定の方 位差を持った場合の粒界のことであるので、上述の通り、隣あう結晶同士の方位差が わ力つていれば、その方位差から∑ 3対応粒界か否かの判別を行うことができる。
[0027] 本発明の鋼板において、その化学成分組成については通常の鋼板としての成分 組成であれば、その効果が発揮されるものである力 好ましい化学成分組成としては 、 C:0. 01〜0. 10%、 Si:0. 01〜0. 6%、 Mn:0. 6〜2. 0%、 A1:0. 001〜0. 1 0%を夫々含有する他、 Cu:0. 03〜3. 0%、 Cr:0. 03〜3. 0%、 Ni:0. 03〜3. 0 %、Mo:0. 03〜： L 0%、V:0. 001〜0. l%、Nb:0. 001〜0. l%、Ti:0. 001 〜0. 1%ぉょび8:0. 0003-0. 030%よりなる群力 選択される 1種または 2種以 上を含み、残部が鉄および不可避不純物であるものが挙げられる。これらの成分の 範囲限定理由は、次の通りである。
[0028] [C:0. 01〜0. 10%]
Cは、鋼板の強度確保のために必要な元素である。鋼板としての最低強度、即ち概 ね 490MPa程度 (使用する鋼材の肉厚にもよるが）を得るためには、 0. 01%以上含 有させるのが良い。しかし、 Cを過剰に含有させると（中炭素、高炭素になると）、べィ ナイトの変態機構が変化して選択されるノリアントが変化するので、 0. 10%以下とす るのが良い。尚、 C含有量のより好ましい下限は 0. 03%であり、好ましい上限は 0. 0 8%である。
[0029] [Si: 0. 01〜0. 6%]
Siは脱酸と強度確保のための必要な元素であり、 0. 01%に満たないと構造部材と しての最低強度を確保できない。しかし、 0. 6%を超えて過剰に含有させると溶接性 が大幅に劣化することになる。
[0030] [Mn: 0. 6〜2. 0%]
Mnは鋼板の強度および靭性確保のために有効な元素であり、こうした効果を発揮 させるためには 0. 6%以上含有させることが好ましい。しかし、 2. 0%を超えて過剰 に含有させると溶接性、割れ感受性が劣化するので 2. 0%以下とするのが良い。尚 、 Mn含有量のより好ましい下限は 0. 8%であり、より好ましい上限は 1. 8%である。
[0031] [A1: 0. 001〜0. 10%]
A1は脱酸のために有用な元素であり、 0. 001%に満たないと脱酸効果がない。し かし、 0. 10%を超えて含有させると溶接部の靭性を劣化させるので 0. 10%以下と するのが良い。
[0032] [Cu: 0. 03〜3. 0%、 Cr: 0. 03〜3. 0%、 Ni: 0. 03〜3. 0%、 Mo : 0. 03〜： L 0%、 V: 0. 001〜0. l%、Nb : 0. 001〜0. l%、Ti: 0. 001〜0. 1%および B : 0. 0003-0. 030%よりなる群力 選択される 1種または 2種以上]
これらの元素は、変態を抑制し、ベイナイト変態開始温度 Bsを低下させる作用を発 揮する。ベイナイトは変態の際に、低温で変態することで、ランダム粒界の生成量を 変化させ、対応粒界の割合を増カロさせることができる。こうした効果を発揮させるため には、これらの元素の 1種または 2種以上を上記した各下限％以上含有させることが 好ましいが、多量に含有させると溶接性を損なうので各上限以下とするのが良い。
[0033] 本発明の高張力鋼板における基本成分は上記の通りであり、残部は鉄および不可 避不純物（例えば、 P, S, N, O等)からなるものである力 ベイナイト組織を得るため 、および溶接性を良好に維持するという観点からして、前記（1)式または（2)で示さ れる DI値または DI値を 1. 5〜8. 0の範囲に制御することが好ましい。また上記不
1 2
可避不純物中の Pや Sは、夫々 0. 025%以下および 0. 02%以下に抑制することが 好ましい。これらの範囲を規定する理由は下記の通りである。
[0034] [ (1)式または（2)で示される DI値または DI値： 1. 5〜8. 0]
1 2
DI値または DI値は焼入れ性の指標となるものであり、この値が 1. 5未満では、フ
1 2
エライト相が増加してベイナイト組織になり難くなる。また、この値が 8. 0を超えると島 状マルテンサイト (M— A)が増加し、溶接性および HAZ靭性が劣化することになる。 尚、前記（1)式および（2)式は、 ASTM A255に基づいて求めたものである。
[0035] [P : 0. 025%以下（0%を含まない）および S : 0. 02%以下（0%を含まない）]
Pは結晶粒に偏祈し、延性ゃ靭性に有害に作用する不純物であるので、できるだけ 少ない方が好ましいのであるが、実用鋼の清浄度の程度を考慮して 0. 025%以下 に抑制するのが良い。また Sは、鋼板中の合金元素と化合して種々の介在物を形成 し、鋼板の延性ゃ靭性に有害に作用する不純物であるので、できるだけ少ない方が 好ましいのである力 実用鋼の清浄度の程度を考慮して 0. 02%以下に抑制するの が良い。
[0036] また、本発明の鋼板には、上記成分の他必要によって、 Ca : 0. 0005〜0. 003% および Zまたは REM : 0. 0005〜0. 030%を含有させることも有効であり、これらの 元素を含有させることによって鋼板の特性が更に改善されることになる。
[0037] [Ca: 0. 0005〜0. 003%および Zまたは REM : 0. 0005〜0. 030%]
Caおよび REMは、 Sの固定による靭性の向上に有効な元素であり、その効果を発 揮させるためには、いずれも 0. 0005%以上含有させることが好ましい。しかしながら 、過剰に含有させてもその効果が飽和するので、 Caで 0. 003%以下、 REMで 0. 0 30%以下とすることが好ましい。 Caを含有させるときのより好ましい下限は 0. 001% である。
[0038] 本発明の鋼板を製造する方法としては、特に限定するものではないが、例えば上 記のような化学成分組成を有する鋼片を以下に示す手順に従って、ベイナイトを主 体とする組織とすれば良い。粒界の性格は、粒界の移動による粒成長に関連してお り、オーステナイト粒（γ粒)から生成する粒内べイナイトは、ランダム粒界を生成する ことになる。こうしたこと力 、少なくとも 900〜1200°Cの温度範囲に加熱し、 700°C 以上のオーステナイト状態で圧延を終了するのが良い。そして、粒内からのランダム 粒界の生成を抑えるために、圧延終了後は擬ポリゴナルフ ライト（ a )の生成を抑 制するために、 400°C以下の温度域まで 5°CZ秒以上の冷却速度で加速冷却を行 なうことが好ましい。このように、冷却前の歪が少なぐ冷却速度が速いほど、核生成 頻度が低下し、変態温度も低下する。変態温度が低くなると、変態の際の原子の移 動可能距離が低下し、変態挙動も拡散型変態から剪断型変態に変化して対応粒界 の生成が促進されることになる。変態点の低下には、合金元素の添加や冷却速度の 増加等が有効である。
[0039] 以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実 施例によって制限を受けるものではなぐ前 ·後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に 変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範 囲に包含されるものである。
実施例
[0040] [実施例 1]
下記表 1に示す化学成分組成の鋼材を転炉で溶製し、種々の冷却、圧延条件によ つて鋼板を製造した。このときの製造条件を下記表 2に示す。尚、下記表 2中、「AcC 」は加速冷却 (水による冷却）、「AC」は空冷、を夫々意味する。
[0041] [表 1]
Figure imgf000012_0001
[表 2]
Figure imgf000013_0001
得られた各鋼板について、機械的特性 [降伏点: YP、引張り強さ: TS、降伏比 (YP ZTS)： YR、伸び: EL]を測定すると共に、∑ 3対応粒界の割合、疲労亀裂進展速 度、破面遷移温度 vTrs等を下記の方法によって測定した。これらの結果を一括して 、下記表 3に示す。
[0044] [∑ 3対応粒界の割合]
EBSP法（Electron Backscattering Pattern法）を採用して測定した。このとき用いた SEM— EBSPオンライン結晶方位'粒界性格自動解析装置は、 FE— SEM、 TSL 社製 OIMハードウェア 'ソフトウェアと SGI社製コンピュータで構成されるものである。 このときの測定条件は、測定領域： 200 mX 200 m、測定ピッチ： 0. 5 m間隔と し、測定方位の信頼性を示すコンフイデンス '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。尚、実際の組織中において、完全に対 応格子関係を持つ粒界は極めてまれであり、規則関係を乱さないような転位の導入 から、若干のズレが生じていることが多い。∑値算出による許容角度として、 TOLER ANCE (許容範囲） =KZ∑— nで、 K= 15、 η=0. 5とした。
[0045] この条件では、結晶方位差が 15° 未満の小角粒界は、∑1として判定されるので、 全測定点から∑1を引いた数を大角粒界数と考え、そのうちで∑ 3を示す割合を算出 した。
[0046] [疲労亀裂進展速度]
ASTM Ε647に準拠し、コンパクト型試験片を用いて、疲労亀裂進展試験を実施 することによって、疲労亀裂進展速度を求めた。この際、下記 (4)式によって規定さ れるパリス則が成り立つ安定成長領域 Δ Κ= 20 (MPa · m)での値を代表値として 評価した。尚、疲労亀裂進展速度の評価基準については、通常の鋼材力 〜6 X 10 — 5mmZcycle ( AK= 20のとき）程度の進展速度であることから、 3. 5 X 10"5mm/c ycle以下を合格とした。
da/dn=C ( AK)m- -- (4)
但し、 a:亀裂長さ， n:繰り返し数， C, m:材料、荷重等の件で決まる定数を夫々示 す。
[0047] [破面遷移温度 vTrs]
機械カ卩ェによって作製し^ JIS4号衝撃試験片を用い、 JIS Z2242に準拠した試 験方法で衝撃試験を行!ヽ、 JISに準拠した方法で脆性破面率 (若しくは「延性破面率 」）を求め、（試験温度 vs脆性破面率)の曲線から、脆性破面率が 50%となる遷移温 度 vTrsを求めた。
[表 3]
試験 板厚 機械的特性 ∑ 3対応粒界 亀裂進展速度 ν Τ r a 鋼種
No. Υ Ρ (Μ Ρ a ) Τ S (MP a ) Υ R (%) Ε L (%) の割合 (X 10— ' mm / cycle (°C)
1 Λ 4 0 4 9 2 6 6 2 7 4 . 3 2 6 . 6 0 . 1 0 5 . 1 'Λ 一 1 2
2 Λ 4 0 4 5 3 6 2 9 7 2 . 0 2 9 . 7 0 . 0 8 8 2 . 7 8 - 4 5
3 A 4 0 5 ] 0 7 0 1 7 5 . 6 2 6 . 9 0 . 1 0 9 2 . 1 0 - 3 5
4 Β 3 6 5 0 2 6 6 2 7 6 . 0 2 5 . 8 0 . 0 8 6 2 . 4 3 — 7 0
5 Β 2 5 4 9 7 6 6 5 7 5 . 0 2 6 . 4 0 . 0 9 2 . 1 5 - 4 8
6 Β 5 0 5 6 4 6 8 8 8 2 . 0 2 5 . 9 0 . 0 9 4 2 . 9 3 - 3 8
7 A 4 0 5 0 4 6 6 1 7 6 . 2 2 8 . 3 0 . 1 0 8 2 . 0 3 -- 7
8 F 2 5 4 6 4 6 5 0 7 1 . 2 2 4 . 8 0 . 0 8 4 2 . 5 -- 5 4
9 C 3 6 5 8 0 7 5 2 7 7 . 2 1 . 4 0 . 0 8 2 2 . 9 7 - 2 5
1 0 Λ 4 0 5 3 9 6 8 1 7 9 . 2 2 7 . 4 0 . 0 8 1 3 . 3 1 4 8
1 1 A 0 4 6 7 6 3 2 7 4 . 0 2 9 . 7 0 . 0 8 2 ： ί . 3 5 - 0
1 2 C 3 0 4 7 3 6 5 7 7 2 . 0 2 5 . 7 0 . 0 7 3 3 . 2 7 - 1 0 0
1 Β 3 6 4 6 8 6 5 7 7 1 . 3 2 8 . 8 0 . 0 8 7 3 . 2 6 1 4
1 4 C 3 β 5 4 9 6 4 0 8 5 . 7 2 3 . 9 0 . 0 6 4 3 . 8 4 - 7 2
1 5 Β 3 6 4 9 1 6 8 3 7 1 . 9 2 7 . 4 0 . 0 6 3 4 . 5 1 3 8
I 6 D 4 0 7 8 0 8 3 9 9 2 . 9 3 7 . 2 0 . 04 8 4 . 3 3 - 2 5
1 7 Β 4 0 5 0 9 6 3 6 8 0 . 0 2 6 . 4 0 . 0 6 1 3 . 5 1 - 54
1 8 Ε 3 5 4 2 7 6 2 2 6 8 . 7 3 0 . 7 0 . 0 2 5 5 . 0 1 -- 6 0
[0049] 表 3の結果力も次のように考察できる。まず試験 No. 1〜13のものは、本発明で規 定する要件を満足するものであり、十分な疲労亀裂進展抑制効果 (進展速度で 3. 5 X 10— 5mm/cycle以下）が発揮されていることが分かる。
[0050] これに対して、試験 No. 14〜18のものでは、本発明で規定する要件のいずれかを 欠くものであり、いずれも疲労進展抑制効果が発揮されていない。即ち、試験 No. 1 4、 15のものでは、いずれも加速冷却を行なっていないので、∑ 3対応粒界の割合が 低ぐ疲労亀裂進展速度が速くなつている。また、試験 No. 16のものでは、製造条件 は好ましい範囲内にあるものの、 C含有量が多くなつており（表 1の鋼種 D)、べィナイ ト生成の際の変態機構が変化し、∑ 3対応粒界が減少したため、疲労亀裂進展速度 が速くなつている。更に、試験 No. 17のものでは、圧延仕上げ温度が好ましい温度 よりも低くなつており、粒内べイナイト生成が多くなり、∑ 3対応粒界が減少したため、 疲労亀裂進展速度が速くなつている。試験 No. 18のものでは、一部フェライトが生成 して (フェライト +パーライト）の組織になっており、∑ 3対応粒界の割合も低ぐ疲労 亀裂進展速度が速くなつて ヽる。
[0051] 表 3の結果に基づき、∑ 3対応粒界の割合と疲労亀裂進展速度の関係を図 2に示 すが、上記割合を 0. 065以上とすることによって疲労亀裂進展速度が十分低くなつ ていることが分かる。

Claims

請求の範囲
[1] ベイナイト相を主体とする組織力もなり、 2つの結晶の方位差が 15° 以上の大角粒 界のうち、∑ 3対応粒界の占める割合が 0.065以上であることを特徴とする疲労亀 裂進展抑制に優れた鋼板。
[2] C:0.01〜0.10% (質量0 /0の意味、以下同じ)、 Si:0.01〜0.6%、 Mn:0.6〜2
.0%、 A1:0.001〜0.1%を夫々含有する他、 Cu:0.03〜3.0%、 Cr:0.03〜3 .0%、Ni:0.03〜3.0%、Mo:0.03〜： L 0%、V:0.001〜0. l%、Nb:0.001 〜0. l%、Ti:0.001〜0.1%および B:0.0003〜0.030%よりなる群力ら選択さ れる 1種または 2種以上を含み、残部が鉄および不可避不純物である請求項 1に記 載の鋼板。
[3] 下記（1)式または（2)式で規定される DI値または DI値が 1.5〜8.0である請求
1 2
項 2に記載の鋼板。
[Μη>1.2%のとき]
DI =1.16X (^[C]/10)X (0.75[Si] + l) X{5. l([Mn]— 1.2) +5.0} X (0
1
.35[Cu] + l) X (0.36[Ni] + l) X (2. 16[Cr] + l) X (3[Mo] + l) X (1.75[ V] + l) X (200[B] + 1)
[Mn≤l.2%のとき]
DI =1.16X (^[C]/10) X (0.75[Si] + l) X3.33([Mn] + l) X (0.35 [Cu]
2
+1) X (0.36[Ni] + l) X (2. 16[Cr] + l) X (3[Mo] + l) X (1.75[V] + 1) X ( 200[Β] + 1)···(2)
但し、 [C], [Si], [Mn], [Cu], [Ni], [Cr], [Mo], [V]および [B]は、夫々 C, S i, Mn, Cu, Ni, Cr, Mo, Vおよび Bの含有量（質量％)を示す。
[4] 不可避不純物中の Pを 0.025%以下（0%を含まない）、 Sを 0.02%以下（0%を 含まな 、）に夫々抑制したものである請求項 2または 3に記載の鋼板。
[5] 更に、 Ca:0.0005〜0.003%および Zまたは希土類元素： 0.0005〜0.030% を含有するものである請求項 2または 3に記載の鋼板。
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