JP3298544B2

JP3298544B2 - 疲労亀裂進展抑制効果を有する鋼板

Info

Publication number: JP3298544B2
Application number: JP08551699A
Authority: JP
Inventors: 正人山下; 知哉藤原; 和茂有持; 英昭幸; 秀治岡口; 威一ノ瀬; 隆弘櫛田; 登誉田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2002-07-02
Anticipated expiration: 2017-07-02
Also published as: JPH11310846A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、土木建築構造物、
船体、海洋構造物や装置およびラインパイプ等の材料と
して好適な、大気中および腐食環境中において疲労亀裂
進展特性に優れる鋼板に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、土木建築構造物等は大型化および
軽量化が要求されており、このため、構造用鋼材の高強
度化が望まれている。船体用材料等でも、大型化および
コストダウンの観点から高張力鋼の使用が拡大され始め
ている。しかし、高強度鋼を使用する場合、当然設計応
力が上昇するために疲労破壊が重要な問題となる。

【０００３】一方、構造用鋼材等の厚鋼板では一般に溶
接施工が施されるため、溶接部から疲労亀裂が発生する
場合が多い。したがって、溶接部から発生進展する疲労
亀裂を鋼材で停留させることができれば、構造物の疲労
寿命を延長するのに有効である。

【０００４】疲労亀裂の進展を停留させるためには、特
開平５−148541号公報にあるように疲労亀裂先端にマイ
クロクラックを発生させる方法がある。しかし、この方
法の効果は、低ΔＫ（ΔＫ：最大応力拡大係数と最小応
力拡大係数との差）領域、すなわち、亀裂が長くなく応
力レベルが低い場合に限られ、溶接部から発生してある
程度の長さを有しており、中ΔＫ領域にある亀裂に関し
ては、少ないと考えられる。

【０００５】日本機械学会論文集Ａ編, vol.45(1979),
P.440〜445 にあるように、機械構造用鋼の分野で疲労
耐久限度におよぼす組織の影響が調査されているが、長
さが約500 μm を超える長い亀裂においては、その進展
は組織の影響を受けにくいことが指摘されており、疲労
亀裂の進展抑制をさらに向上させようとする場合に必要
な、比較的長い亀裂の進展を抑制するための知見は示さ
れていない。

【０００６】特開平４−329848号公報には、疲労強度が
重要な特性である自動車用ホイールをはじめとする各種
用途の熱延鋼板に関して、二相組織中の母相と第二相の
硬さ、面積率および第二相の粒径を限定すれば、良好な
疲労強度が得られることが示されているものの、疲労亀
裂の進展挙動については十分に検討がなされているとは
言えず、また組織間の硬度差に着目した疲労亀裂の進展
抑制効果については明らかになっていない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記課題を解
決するためになされたものであり、具体的な目的は、土
木建築構造物や船体、海洋構造物や装置、ラインパイプ
等の材料として使用される鋼材であって、疲労亀裂が進
展しにくい性質を有する鋼板を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は下記の
(1)〜 (3) の疲労亀裂進展抑制効果を有する鋼板にあ
る。

【０００９】(1)質量％で、Ｃ：0.01〜0.3 ％、Si： 0.
1〜0.5 ％、Mn:0.3〜2.0 ％およびsol.Al：0.005 〜0.1
％、さらに、Cr：1.5 ％以下（無添加でもよい）、M
o：0.6％以下（無添加でもよい）、Ni：0.5 ％以下（無
添加でもよい）、Cu：1.0 ％以下（無添加でもよい）、
Nb：0.1 ％以下（無添加でもよい）、Ti：0.1 ％以下
（無添加でもよい）およびＶ：0.1 ％以下（無添加でも
よい）を含み、残部はFeと不可避不純物からなる鋼板で
あって、その組織は軟質部の素地とこの素地に分散した
硬質部とからなり、この２部分の硬度差がビッカース硬
度で150 以上であり、前記硬質部の平均間隔が50μm 以
下（硬質部がマルテンサイトであってその平均間隔が20
μm 以下である場合を除く）であることを特徴とする疲
労亀裂進展抑制効果を有する鋼板。

【００１０】(2)軟質部の平均粒径が50μm 以下である
上記（1）の鋼板。

【００１１】

【００１２】ここでいう硬質部とは、マルテンサイト、
ベイナイト、パーライト、疑似パーライトおよび焼戻し
マルテンサイトの１種以上から、軟質部とはフェライト
から、それぞれ構成される組織を意味する。

【００１３】本発明は、疲労挙動に及ぼす材料因子につ
いて検討して得た次の〜の知見に基づいている。

【００１４】鋼材の疲労挙動を調査した結果によれ
ば、複合組織であって、構成組織間の硬度差が大きい場
合、疲労亀裂が停留しやすいこと。そして、この効果
は、硬質部と軟質部との存在比率（体積率）によって、
あまり影響を受けないこと。

【００１５】複合組織中の各組織間の硬度差をある値
以上にした場合、またこれに加えて軟質部の平均粒径を
一定値以下に抑制した場合、または、硬質部の平均間隔
（分散距離）を一定値以下に抑制した場合、進展する亀
裂が硬質部と軟質部の境界近傍に到達した際、先端にお
ける塑性変形が抑制されることにより、上述の疲労亀裂
の停留が起こること。

【００１６】Cr、Mo、NiおよびCuのいずれかを少量添
加することにより、鋼材の耐食性等を向上させ、腐食環
境中においても疲労亀裂進展抑制特性を向上させる効果
が期待できること。

【００１７】また、Nb、TiおよびＶのいずれかを添加す
れば、炭化物を生成することにより軟質部（フェライ
ト）を強化する効果が得られ、軟質部内を進展する疲労
亀裂進展速度は低下すること。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の鋼板の化学組成、
その組織および軟質部と硬質部の硬度差の限定理由を作
用効果とともに説明する。％は質量％を意味する。

【００１９】１）鋼板の化学組成Ｃ：0.01〜0.3 ％Ｃは鋼の強度を高める成分である。本発明鋼板の用途に
必要な強度レベルを保持するために、Ｃ含有量は0.01％
以上とした。これを下回ると必要な強度と組織を確保す
るのが困難である。一方、鋼板の主要な用途では必ず溶
接施工を受けるので、溶接割れの発生を防止するため
に、Ｃ含有量の上限は0.3 ％とした。望ましいＣ含有量
の範囲は0.03〜0.18％である。

【００２０】Si： 0.1〜0.5 ％ Siは鋼の脱酸のために必要な成分である。Si含有量が0.
1 ％未満ではこの効果が期待できない。一方、0.5 ％を
超えると鋼の靱性が損なわれる。望ましいSi含有量の範
囲は0.25〜0.4 ％である。

【００２１】Mn： 0.3〜2.0 ％ Mnは鋼の強度を向上させる成分である。Mn含有量が0.3
％未満では、鋼板の用途に必要な強度を確保するのが困
難である。しかし、MnもＣと同様、溶接熱影響部を硬化
させ溶接割れをもたらす成分であることから、その含有
量には上限がある。すなわち、2.0 ％を上回ると溶接割
れが発生しやすくなる。望ましいMnの含有量は 0.7〜1.
4 ％である。

【００２２】sol.Al： 0.005〜0.1 ％ Alは、鋼の脱酸のためにsol.AlとしてAl含有量が0.005
％以上となるようする必要がある。しかし、sol.Al含有
量が 0.1％を上回ると鋼の清浄度および靱性が損なわれ
る。

【００２３】本発明の鋼板の一つは、上記の成分の外、
残部がFeと不可避不純物からなるものである。不純物の
中のＰとＳは、それぞれ0.025 ％以下、0.020 ％以下に
抑えるのが望ましい。

【００２４】本発明の鋼板は上記の各成分に加えて、さ
らに、必要に応じて次の７種類の成分の中の１種または
２種以上を含むものであってもよい。

【００２５】Cr：1.5 ％以下 Crは、腐食環境下での疲労亀裂進展抑制特性の改善およ
び軟質部の転位構造の制御と微視的塑性変形の抑制に有
効な成分である。したがって、積極的に添加する場合Cr
含有量は0.01％以上とするのが望ましい。しかし、Cr含
有量が1.5 ％を超えると、これらの効果が飽和する上に
鋼の強度が過剰に上昇しすぎ、靱性が損なわれる。より
望ましいのは 0.3〜1.0 ％の範囲である。

【００２６】Mo：0.6 ％以下 Moも、腐食環境下での疲労亀裂進展抑制特性の改善およ
び軟質部の転位構造の制御と微視的組成変形の抑制に有
効な成分である。したがって、積極的に添加する場合Mo
含有量の下限は0.05％とするのが望ましい。しかし、Mo
含有量が0.6 ％を超えると、これらの効果が飽和する上
に鋼の強度が過剰に上昇しすぎ、靱性が損なわれる。よ
り望ましいのは 0.1〜0.4 ％の範囲である。

【００２７】Ni：0.5 ％以下 Niも、腐食環境下での疲労亀裂進展抑制特性の改善およ
び軟質部の転位構造の制御と微視的塑性変形の抑制に有
効な成分である。したがって、積極的に添加する場合Ni
含有量の下限は0.1 ％とするのが望ましい。しかし、Ni
含有量が0.5 ％を超えると、これらの効果が飽和する上
に鋼の強度が過剰に上昇しすぎ、靱性が損なわれる。よ
り望ましいのは 0.2〜0.4 ％の範囲である。

【００２８】Cu：1.0 ％以下 Cuも、腐食環境下での疲労亀裂進展抑制特性の改善およ
び軟質部の転位構造の制御と微視的組成変形の抑制に有
効な成分である。ただし、Cu含有量が 0.1％未満ではそ
の効果が小さいので、積極的に添加する場合Cu含有量は
0.1 ％以上とするのが望ましい。しかし、Cu含有量が1.
0 ％を超えると、これらの効果が飽和する上に鋼の強度
が過剰に上昇しすぎ、靱性が損なわれる。より望ましい
のは、 0.3〜0.5 ％の範囲である。

【００２９】以上のCr、Mo、NiおよびCuは、いずれも耐
食性を向上させる作用を有し、この効果も相俟って腐食
環境下での疲労亀裂進展抑制特性が改善される。

【００３０】Nb、Ti、Ｖ：いずれも0.1 ％以下 Nb、TiおよびＶは、いずれも炭化物を生成することによ
り、軟質部を細粒化して強化するため、腐食環境下での
疲労亀裂進展抑制特性の改善に有効な成分である。した
がって、これらの３種類の成分から１種以上を選んで積
極的に添加する場合には、含有量はいずれも0.01％以上
とするのが望ましい。しかし、含有量が0.1％を超える
と上記効果が飽和する上に鋼の強度が過剰に上昇しす
ぎ、靱性が損なわれる。より望ましいのは、TiおよびNb
でともに0.01〜0.03％、Ｖで0.02〜0.05％の範囲であ
る。

【００３１】２）鋼板の組織および硬度差上記の化学組成を有する本発明鋼板は、通常の溶製、鋳
造（連続鋳造またはインゴット鋳造）の後、熱間鍛造ま
たは熱間圧延を行い、熱処理を施す製造工程で得ること
ができる。

【００３２】本発明鋼板は、軟質部の素地とこの素地に
分散した硬質部とからなる複合組織を有するものであ
る。硬質部はマルテンサイト、ベイナイト、パーライ
ト、疑似パーライトおよび焼戻しマルテンサイトの１種
以上からなる組織、軟質部はフェライト組織である。

【００３３】これは、硬質部と軟質部の２種類の組織を
複合形成させて、その界面近傍において亀裂進展の停留
効果を得るためである。この効果は、硬質部と軟質部と
の存在比率（体積率）によって、あまり影響を受けな
い。したがって、本発明鋼板では、上記の存在比率は特
に限定されない。

【００３４】本発明鋼板の一つは、上記の軟質部の素地
とこの素地に分散した硬質部とからなる複合組織におい
て、さらに硬質部と軟質部との硬度の差をビッカース硬
度（以下、Ｈv という) で150 以上としたものである。

【００３５】軟質部と硬質部との硬度差をＨv で150 以
上にする理由は次のとおりである。この硬度差が150 以
上になると、亀裂先端の転位の移動が軟質部と硬質部と
の界面で阻止されるとともに、バーガースベクトルが界
面に直交する転位が、両部の界面近傍の軟質部内に配列
するため、傾角粒界が形成される。この傾角粒界は、粒
界一次転位のみにより構成されるため、粒界凝集力が高
く、破壊の抵抗となりやすい。さらに、形成された傾角
粒界には転位が突入しにくいため、引き続き繰り返し応
力が作用する場合には、粒界に隣接する軟質部側に新し
い傾角粒界が形成される。このようなステップを繰り返
すことにより、大きな体積を有する傾角粒界の集合部が
形成される。この集合部は亀裂進展の抵抗となり、鋼材
の亀裂進展抑制特性を向上させるのである。

【００３６】本発明鋼板の他の一つは、その組織を軟質
部（素地）と硬質部（分散相）とからなるものとし、こ
の２部分の硬度差をＨv で150 以上、さらに分散相の硬
質部の平均間隔（分散距離）を50μm 以下としたもので
ある。ここで、硬質部の平均間隔は中心間距離を指すも
のである。

【００３７】このような複合組織も、硬質、軟質の両部
からなり、適正な硬度差を有するため、その界面近傍で
亀裂進展の停留効果を得ることができる。

【００３８】硬質部の平均間隔が50μm 以下で分散する
ように制御した場合には、この制御により軟質部内の微
視的な塑性変形を抑制し、亀裂停留効果が顕著になる。
硬質部の平均間隔が50μm を超えると、その顕著な効果
が得られなくなる。

【００３９】本発明鋼板では、前記の複合組織と硬度差
を維持し、さらに軟質部の平均粒径が50μm 以下と硬質
部の平均間隔が50μm 以下との両方の条件を満たせば、
一層好ましい効果を得ることができる。

【００４０】

【実施例】表１に示す化学組成の鋼を連続鋳造により厚
さ160mm のスラブとし、熱間で直送して熱間圧延に供
し、厚さ40mmの鋼板とした。得られた鋼板の組織と硬度
差を制御するため、これらの鋼板に表２に示す条件で加
工熱処理を施した。

【００４１】

【表１】

【００４２】

【表２】

【００４３】すなわち、鋼番１〜24の各鋼に対し、加熱
温度、圧延条件、冷却速度等を適切に制御することによ
って、種々の組織、軟質部と硬質部の硬度差、軟質部の
平均粒径、硬質部の平均間隔（分散距離）を有し、引張
強度が41〜86kgf/mm² の範囲の鋼板とした。比較例とし
て、焼入れ後、表２に記載の条件で焼戻し処理をおこな
った鋼板も評価した。

【００４４】これらの鋼板から採取した試験材を試番１
〜56とし、組織、軟質部の平均粒径、硬質部の平均間
隔、硬度差及び疲労亀裂進展抑制特性を調査した。

【００４５】鋼板の組織調査と硬度の測定は、サンプル
をエポキシ樹脂に埋め込み、切断、断面の研磨、エッチ
ングを施して、顕微鏡観察および微小領域の硬度測定を
行うことにより行った。

【００４６】疲労亀裂進展抑制特性の調査は、図１(b)
に示すＣＴ試験片１と図１(a) に示すサーボパルサ装置
を用いる疲労試験法によった。

【００４７】図１(a) に示す装置では、１はＣＴ試験
片、２は試験溶液槽、３は溶液循環ポンプ、４はロード
セル、５は油圧シリンダー、６は油圧源、７はサーボバ
ルブ、８は波形発生器、９は負荷制御器であり、試験溶
液槽２中で試験片１に油圧シリンダー５により繰返し応
力を負荷することができる。疲労試験条件は次のとおり
である。

【００４８】ｆ（繰返し速度）＝30Ｈz Ｒ（応力比）＝0.1 Ｔ（試験温度）＝室温試験雰囲気：湿潤硫化水素環境中（水10％を懸濁させた原油に、硫化水素濃度１％、残り
は窒素の混合ガスを試験期間中常時吹き込み）ＡＳＴＭ, Ｄ−1141−52で規定する人工海水中大気中疲労試験結果の検討によれば、いずれの試験片の場合も
中ΔＫ領域 (本試験では約50〜300 kgf/mm^3/2)における
第２領域で、 Paris則〔Trans.ASME,Ser.D.85.523 (196
3)) 〕、すなわちda/dN=C( ΔＫ) ^m 、ただし、〔Δ
Ｋ〕：kgf/mm^3/2 ，〔da/dN 〕：mm/cycleが成り立つこ
とが判明した。したがって、疲労亀裂進展抑制特性は、
この中ΔＫ領域のΔＫ＝50および100kgf/mm^3/2におけ
る、亀裂進展速度da/dN(mm/cycle) の平均値 (da/dN)_m
で評価することとした。表３〜表６に上記の調査、測定
および疲労試験の結果を示す。

【００４９】

【表３】

【００５０】

【表４】

【００５１】

【表５】

【００５２】

【表６】

【００５３】各試験片の (da/dN)m からわかるように、
本発明例である試験 No.１〜19では(da/dN)m が小さ
く、高い疲労亀裂進展抵抗を有している。一方、硬度差
が本発明で定める範囲外にある試験 No.38〜56の場合で
は (da/dN)m が大きく、疲労亀裂進展特性は改善されて
いない。

【００５４】

【発明の効果】本発明の鋼板は、中ΔＫ領域においても
疲労亀裂進展抑制特性に優れており、溶接部から疲労亀
裂が発生した場合でも、従来鋼に比べて疲労寿命の延長
が期待できる。したがって、土木建築構造物、船体、海
洋構造物、海洋装置およびラインパイプなどに用いられ
る鋼材として適している。

【図面の簡単な説明】

【図１】(a) は試験装置の概要を示す図、(b) は疲労試
験片の形状を示す図である。

【符号の説明】

１：ＣＴ試験片、２：試験溶液槽、３：溶液循環
ポンプ、４：ロードセル、５：油圧シリンダー、６：
油圧源、７：サーボバルブ、８：波形発生器、９：
負荷制御器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者幸英昭大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者岡口秀治大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者一ノ瀬威大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者櫛田隆弘大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者誉田登大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (56)参考文献特開平５−112843（ＪＰ，Ａ) 特開平４−337026（ＪＰ，Ａ) 特開平４−337037（ＪＰ，Ａ) 特開平７−11383（ＪＰ，Ａ) 特開平７−90480（ＪＰ，Ａ) 特開平６−271985（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％で、Ｃ：0.01〜0.3 ％、Si： 0.1〜
0.5 ％、Mn:0.3〜2.0 ％およびsol.Al：0.005 〜0.1
％、さらに、Cr：1.5 ％以下（無添加でもよい）、Mo：
0.6 ％以下（無添加でもよい）、Ni：0.5 ％以下（無添
加でもよい）、Cu：1.0 ％以下（無添加でもよい）、N
b：0.1 ％以下（無添加でもよい）、Ti：0.1 ％以下
（無添加でもよい）およびＶ：0.1 ％以下（無添加でも
よい）を含み、残部はFeと不可避不純物からなる鋼板で
あって、その組織は軟質部の素地とこの素地に分散した
硬質部とからなり、この２部分の硬度差がビッカース硬
度で150 以上であり、前記硬質部の平均間隔が50μm 以
下（硬質部がマルテンサイトであってその平均間隔が20
μm 以下である場合を除く）であることを特徴とする疲
労亀裂進展抑制効果を有する鋼板。
【請求項２】上記軟質部の平均粒径が50μm 以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の疲労亀裂進展抑制効
果を有する鋼板。