疲勞龜裂發展的抑制性能優異的鋼板的製作方法

2023-09-21 06:23:45 1

專利名稱：：疲勞龜裂發展的抑制性能優異的鋼板的製作方法
技術領域：
：本發明主要涉及作為船舶和橋梁的結構材使用的鋼板，特別是涉及能夠抑制龜裂發展速度而確保良好的疲勞壽命的貝氏體相為主體的高張力
背景技術：
在以造船和橋梁領域為首的各種結構材料中，由於施加反覆應力的情況不少，因此為了確保結構材料的安全性，作為原材使用的鋼板疲勞特性良好在設計上極為重要。鋼材的疲勞過程，認為大體區分為在應力集中部的龜裂的發生，和一旦發生的龜裂的進展這2個過程。而且，在通常的機械零件中認為可視的龜裂的發生為使用界限，幾乎沒有允許龜裂的進展的設計。然而，在焊接結構物中，即使疲勞龜裂發生也不會立即導致破壞，該龜裂在達到最終階段前可通過定期檢查等被發現，如果龜裂的進入部分得到修理，或者在使用期間內沒有成長到致使最終破壞的長度，那麼即使有龜裂，焊接結構物也能夠經得起充分地使用。可是，在焊接結構物中，作為應力集中部的焊接縫邊部大量存在，完全防止疲勞龜裂的發生在技術上也幾乎不可能，另外在經濟性上也算不得上策。即，為了使焊接結構物的疲勞壽命良好，從龜裂己經存在的狀態大幅延長龜裂壽命，比防止龜裂的發生本身更有效，因此儘可能延緩鋼材的龜裂的進展速度這樣的設計成為重要的事項。作為抑制疲勞龜裂發展的速度的技術，至今為止也提出有各種，例如在專利文獻l中提出有一種技術，其是作為硬質相和軟質相的2相組織，利用軟質相/硬質相邊界的龜裂的彎曲、停留、分歧來抑制龜裂發展速度。然而，在該技術中，需要成為基本上含有軟質的鐵素體組織的組織，這就存在不能製造高強度鋼的問題。另一方面，在專利文獻2中提出有一種疲勞龜裂發展特性優異的鋼材，其以貝氏體組織或馬氏體組織為主體，施加最大拉伸壓縮應變±0.012，反覆速度0.5Hz，達到最大應變的波數12的漸增，漸減反覆負荷15次時，由1次的最大應變時的應力o,與15次的最大應變時的應力o15的比o015表示的反覆軟化參數為0.65以上、0.95以下。而且，在該技術中，關於反覆軟化，認為是由負荷反覆應力時的位錯的再排列引起的，龜裂前端的位錯密度越高，軟化越容易發生，顯示出在疲勞龜裂發展抑制上有效。在上述技術中，為了提高位錯密度，如實施例所示需要實質上直接淬火和離線進行淬火。然而，離線的熱處理可預料到生產性會降低，另外，即使在線上直接淬火仍必須考慮由位錯導入帶來的強度，因此有不使強度過高地處於低成分這樣的制約。其結果是，在成分設計上的自由度低，可充分意識到其他的特性會劣化。另外如上述的軟化參數即使在規定範圍內部，仍存在斷裂轉變溫度vTrs超過Ot:的實施例，有不能充分滿足作為結構物的特性的可能性。作為對龜裂發展速度造成影響的因素，還考慮有晶界的狀態。作為將晶界狀態應用於材料特性的技術，例如在專利文獻3中，就一種鐵基形狀記憶合金進行公開，其通過規定S1對應晶界、S329對應晶界等的比例來改善形狀記憶特性和磁應變特性。然而，其關於龜裂發展速度和晶界的狀態並未加以考慮，而實際情況是，特別是在鋼板中關於晶界狀態對特性造成的影響並沒有得到確定的結論。專利文獻l:專利第3298544號公報權利要求的範圍等專利文獻2:特開2004-27355號公報權利要求的範圍等專利文獻3:特開平11-269611號公報權利要求的範圍等
發明內容本發明著眼於上述這種情況而做，其目的在於提供一種鋼板，其是在以貝氏體相為主體的鋼板中，通過明確晶界的狀態對特性造成的影響，從而使疲勞龜裂發展阻抗性更加優異。能夠達成上述目的的所謂本發明的鋼板，在以下的點上具有要旨其4由貝氏體相為主體的組織構成，在2個結晶的方位差為15°以上的大角晶界之中，與23相對應晶界所佔的比例為0.065以上。還有，在本發明中，所謂"貝氏體為主體"是指貝氏體相在鋼總體中所佔的比例為90%以上的情況。在本發明的鋼板中，關於其化學成分組成，如果作為通常的鋼板的成分組成，雖然就可發揮其效果，但是作為優選的化學成分組成可列舉如下除了分別含有C:0.010.10%(質量％的意思，以下同)、Si:0.010.6%、Mn:0.62.0%、Al:0.0010.1%以外，還含有Cu:0.033.0%、Cr:0.033.0%、Ni:0.033.0%、Mo:0.031.0%、V:0.0010.1%、Nb:0.0010.1%、Ti:0.0010.1%和B:0.00030.030%之中的一種或二種以上，餘量是鐵和不可避免的雜質。在本發明的鋼板中，根據需要，優選由下式(1)或式(2)規定的DI,值或Dl2值為1.58.0，由此，鋼板的特性得到進一步改善。(Mn〉1.2。/。的時候)DI產U6X(([C]/10)X(0.75[Si]+l)X{5.1([Mn]—1.2)+5.0}X(0.35[Cu]+l)X(0.36[Ni]+l)X(2.16[Cr]+l)X(3[Mo]+1)X(1,75[V]+1)X(200[B]+1)…(1)(Mn《1.2。/。的時候)DI屍1.16X(A/一[C]/10)X(0.75[Si]+l)X3.33([Mn]+l)X(0,35[Cu]+1)X(0.36[Ni]+l)X(2.16[Cr]+l)X(3[Mo]+l)X(1.75[V]+1)X(200[B]+1)…(2)其中，[C]、[Si]、[Mn]、[Cu]、[Ni]、[Cr]、[Mo]、[V]和[B]，分別表示C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V和B的含量(質量％)。另外，還優選(a)分別將不可避免的雜質中的P控制在0.025n/。以下(不含0%)，S抑制在0.02Q/。以下(不含0%)，禾Q(b)含有Ca:0.00050.0030%和/或稀土類元素(REM):0.00050.030°/。，對應抑制或含有的成分，高強度張力鋼板的特性得到進一步改善。本發明中，在具有以貝氏體為主體的組織的鋼板中，通過適當地規定特定的對應晶界的比例，能夠實現疲勞龜裂發展的抑制性能優異的鋼板，這樣的鋼板作為以造船和橋梁領域為首的各種結構材料的原材有用。圖1是用於說明對應晶界的圖。圖2是表示與S3相對應晶界的比例與疲勞龜裂發展速度的關係的曲線圖。具體實施方式本發明者們為了解決上述課題，特別著眼於作為貝氏體組織的鋼板，考慮使此鋼板中的晶界變成龜裂發展的阻抗，並就晶界的狀態與疲勞龜裂發展速度的關係從各種角度進行研究。其結果發現，使一定的對應晶界的比例增加，在抑制疲勞龜裂發展上極其有效，從而完成了本發明。以下，沿著完成本發明的脈絡，對於本發明的作用效果進行說明。所謂對應晶界，意思是幾何學上整合性高的特殊的晶界。該晶界被認為在結構上也穩定，在力學性的、化學性的方面也具有優異的特性，但是關於其詳情尚未了解的部分還有很多。例如，認為使2個結晶之一在旋轉軸M的周圍只旋轉角度e(旋轉角度)時的2個結晶重疊。這時，對於旋轉軸M和旋轉角度e來說，在原點(處於原來位置的狀態的點)以外也周期性地形成有重疊的晶格點。如此重要的點稱為對應晶格點。原來的結晶晶格的單位晶胞體積與在此形成的對應晶格點的單位晶胞體的比稱為2值。處於該S值為3的關係中的對應晶界稱為S3。圖1是使單純立方晶格在軸周圍旋轉36.52°(旋轉角度e)並使(Ya—M—Xa—Yp—M—Xp)重合的圖，相當於S5對應晶界，圖中相互的晶格點重要的點由"〇"標記表示，但其為對應晶格點。如上述，對應晶界是相對於鄰接的結晶晶格，進行一定的角度旋轉而生成的，與通常的高角度隨機晶界相比，規則度高，晶界能低而穩定。如此，對應晶界與隨機晶界相比，其晶界能低，原本可知難以發生晶界滑動，但是關於這樣的對應晶界帶給疲勞龜裂發展速度的影響並未得到研究。本發明者們在這一狀態之下，對於鋼板的晶界的狀態，基於EBSP法(ElectronBackscatteringPattern法)進行測定的結果判明，全部測定點的2個結晶的方位差為15。以上的大角晶界(大傾角境界)之中，如果與S36相對應晶界所佔的比例為0.065以上(優選為0.070以上)，則鋼板的疲勞龜裂發展速度能夠比現有鋼得到大幅抑制。還有，前述"方位差"也稱為"偏角"或"傾角"，以下稱為"結晶方位差"。如上述，通過加大與S3相對應晶界的比例，能夠抑制疲勞龜裂發展速度，關於其理由還不能完全解釋明白，但恐怕能夠考慮為如下原因。艮P，設龜裂在進展時所需要的能量為Ya，使該能量^以下述(3)的方式表示，但因為對應晶界的晶界能Yb小，所以龜裂所需要的能量^大，從而認為疲勞龜裂發展所需要的能量變大。換言之，作為龜裂發展的機理被認為是，整合性高的穩定的晶界有龜裂發展時，必須消耗很大的破壞能，從而進展速度降低。Ya=2H...(3)其中，YS:晶界的表面能，Yb:晶界能還有，為了測定與13相對應晶界的比例，採用EBSP法(ElectronBackscatteringPattern法)即可。在該方法中，對試料照射電子射線時發生的散射波(菊池線)的寬度和強度，散射波這間的交差角度和出現的位置，根據結晶系和結晶構造及方位來決定，因此，通過分析EBSP的圖像的特徵就可以決定結晶方位差。在EBSP法中，現在以0.5pm間距照射電子射線，測定各個位置的散射波，根據此信息計算該位置的結晶相對於電子射線的照射面呈哪種程度傾斜。還有，所述"全部測定點"意思是，照射這些全部的電子射線而得到的散射信息的點。另外，對於判別方位差是否在15。以上來說，因為通過各個測定點可知結晶的方位，所以由相鄰彼此的測定點也能夠測定各個結晶有什麼程度傾斜度的差，因此根據該相鄰結晶的方位(傾斜度)的差，可計算結晶方位差並加以判別。對於是否是與S3相對應晶界的判別來說，因為與S3相對應晶界是相鄰的結晶具有特定的方位差時的晶界，所以如上述，如果可知相鄰的結晶彼此的方位差，則根據該方位差就能夠進行是否是與23相對應晶界的判別。在本發明的鋼板中，關於其化學成分組成，如果是作為通常的鋼板的成分組成，則其效果可得到發揮，但作為優選的化學成分組成，則可列舉如下除了分別含有C:0.010.10%、Si:0.010.6°/0、Mn:0.62.0%、Al:0.0010.1%以外，還含有Cu:0.033.0%、Cr:0.033.0°/0、Ni:0.033.00/o、Mo:0.031.0o/o、V:0.0010.1%、Nb:0.0010.1%、Ti:0.0010.1%和B:0.00030.030%之中的一種或二種以上，餘量是鐵和不可避免的雜質。這些成分的範圍限定理由如下。(C:0.010.10%)c是用於確保鋼板的強度所需要的元素。為了獲和作為鋼板的最低強度，即大約490MPa左右(也取決於所使用的鋼材的壁厚)，可以使之含有0.01%以上。但是，若過剩地含有C(若變成中碳、高碳)，則貝氏體的相變機構變化，所選擇的變量變化，因此為0.10%以下。還有，C含量的更優選的下限為0.03%,優選的上限為0.08%。(Si:0,010.6%)Si是用於脫氧和確保強度所需要的元素，若低於0.01%，則不能確保作為結構構件的最低強度。但是若過剩地含有而超過0.6%，則將使焊接性大幅地劣化。(Mn:0.62.0%)Mn是用於確保鋼板的強度和韌性有效的元素，為了發揮這樣的效果，優選使之含有0.6%以上。但是，若過剩地含有而超過2.0%，同焊接性、裂紋敏感性劣化，因此為2.0%以下。還有，Mn含量的更優選的下限為0.8%，更優選的上限為1.8%。(Al:0.0010.1%)Al是用於脫氧的有用的元素，若低於0.001%，則沒有脫氧效果。但是，若含有超過0.10%，則使焊接部的韌性劣化，因此為0.10%以下。(Cu:0,033.0%、Cr:0.033.0%、Ni:0.033.0%、Mo:0.031.0%、V:0扁0.1%、Nb:0.0010.1%、Ti:0.0010.1%禾口B:0細30.030%之中的一種或二種以上)這些元素髮揮的作用是，抑制相變，使貝氏體相變開始溫度Bs降低。在貝氏體相變時，由於在低溫下相變，從而使隨機晶界的生成量變化，並能夠使對應晶界的比例增加。為了發揮這樣的效果，優選在上述的各下限%以上含有這些元素的一種或二種以上，但若大量使之含有，則有損焊接性，因此在各上限以下為宜。本發明的高張力鋼板的基本成分中上所述，餘量由鐵和不可避免的雜質(例如P、S、N、0等)構成，但為了得到貝氏體組織，以及從良好地維持焊接性這一觀點出發，優選將上述(1)式或(2)式所示的DI,值或Dl2值控制在1.58.0的範圍內。另外，優選上述不可避免的雜質中的P和S分別控制在0.025%以下和0.02%以下。規定這些範圍的理由如下。[由(1)式或(2)式所示的DI,值或Dl2值1.58.0]DI,值或Dl2值是淬火性的指標，當該值低於1.5時，鐵素體相增加而難以變成貝氏體組織。另外，若該值超過8.0，則島狀馬氏體(M-A相)增加，將使焊接性和HAZ韌性劣化。還有，前述(1)式和(2)式基於ASTMA255求得。[P:0.025%以下(不含0%)和S:0.02%以下(不含0%)]P在晶粒偏析，是對延性和韌性起著有害作用的雜質，因此優選儘可能少的方面，但是考慮到實用鋼的純淨度的程度而抑制在0.025%以下為宜。另外，S與鋼板中的合金元素化合而形成各種夾雜物，是對鋼板的延性和韌性起著有害作用的雜質，因此優選儘可能少的方面，但是考慮到實用鋼的純淨度的程度而抑制在0.02%以下為宜。。另外，在本發明的鋼板中，除上述成分以外，根據需要含有Ca-0.00050.00300/o禾口/或REM:0.00050.030%也有效，通過含有這些元素，將進一步改善鋼板的特性。(Ca:0.00050.0030%和/或REM:0.00050,030%)Ca和REM是在通過固定S而提高韌性上有效的元素，為了發揮此效果，均優選使之含有0.0005%以上。然而，即使過剩地含有其效果也是飽和，因此優選Ca為0.003%以下，REM為0.030%以下。使Ca含有時的更優選的下限為0.001%。作為製造本發明的鋼板的方法沒有特別限定，但是例如將具有上述這種化學成分組成的鋼坯，按以下所示的步驟，成為以貝氏體為主體的組織即可。晶界的性格與晶界的移動造成的晶粒成長有關，由奧氏體晶粒(Y粒)生成的晶內貝氏體會生成隨機晶界。由此，至少加熱至9001200°C的溫度範圍，在70(TC以上的奧氏體狀態下結束軋制即可。而且，為了抑制來自晶內的隨機晶界的生成，為了在軋制結束後抑制準多邊鐵素體(Ctq)的生成，優選以5。C/秒以上的冷卻速度進行加速冷卻直至40(TC以下的溫度域。如此，冷卻前的應變越少，冷卻速度越快，核生成頻率越是降低，相變溫度也越是降低。若相變溫度低，則相變時的原子的可移動距離降低，相變舉動也從擴散形相變變成剪斷型相變，將使對應晶界的生成得到促進。對於相變點的降低來說，合金元素的添加和冷卻速度的增加等有效。以下，列舉實施例更具體地說明本發明，但本發明當然不受下述實施例的限制，在能夠符合前、後述的宗旨的範圍內當然也可以適當加以變更實施，這些均包含在本發明的技術範圍內。實施例(實施例1)用轉爐熔煉下述表1所示的化學成分組成的鋼材，以各種冷卻、軋制條件製造鋼板。這時的製造條件顯示在下述表2中。還有，下述表2中"AcC"意思是加速冷卻(用水的冷卻)，"AC"意思是空冷。。[表l]tableseeoriginaldocumentpage10tableseeoriginaldocumentpage10對於得到的各鋼板，測定機械的特性[屈服點YP、抗拉強度TS、屈強比(YP/TS):YR、延伸率EL]，並且根據下述的方法，測定與S3相對應晶界的比例、疲勞龜裂發展速度、斷裂轉變溫度VTrs等。這些結果一起顯示在下述表3中。(與23相對應晶界的比例)採用EBSP法(ElectronBackscatteringPattern法)進行測定。這時使用的SEM-EBSP在線結晶方位，晶界性格自動分析裝置，由FE-SEM、TSL社制的OIM硬體軟體和SGI社制的計算機構成。這時的測定條件為，測定區域200^imX200|im，測定間距0.5|im間隔，表示測定方位的可靠性的置信指數(confidenceindex)比0.1小的測定點從分析對象中剔除。還有，在實際的組織中，完全具有對應晶格關係的晶界極少，由於打亂規則關係這樣的位錯的導入，從而多發生一些偏差。作為S3計算的允許角度，為TOLERANCE(允許範圍)=K/S—n，K=15，n=0.5。在該條件中，結晶方位差低於15°的小角晶界判定為S1，因此從全部測定點減去21的數視為大角晶界數，計算其中表示i:3的比例。(疲勞龜裂發展速度)依據ASTM、E647，採用小型試驗片，實施疲勞龜裂發展試驗，由此求得疲勞龜裂發展速度。這時，以下式(4)所規定的帕裡斯規則成立的安穩成長區域AK:20(MPa々—m)的值為代表值進行評價。還有，關於疲勞龜裂發展速度的評價標準，由於通常的鋼材為46X10—5mm/cycle(AK^20時)左右的進展速度，因此3.5X10—5mm/cycle以下為合格。Da/dn=C(AK)m…(4)其中，a:表示龜裂長度，m表示重複次數，C、m:表示由材料、載荷等條件決定的常數。(斷裂轉變溫度vTrs)採用通過機械加工製作的JIS4號衝擊試驗片，以依據JISZ2242的試驗方法進行衝擊試驗，通過依據JIS的方法求得脆性斷裂率(或"延性斷裂率")，由(試驗溫度vs脆性斷裂率)的曲線，求得脆性斷裂率為50%的轉變溫度vTrs。[表3]實驗鋼種板厚機械特性r3對應晶界的比例龜^^展速度vTrj;rc〉YJ)LVU'"■rSPa)YR(%>El一(％)A40.19266274.:i0.10513i2A4u15362y72.07(J.0"2.78-453A4i)「>:i7CJ175.25.90-joy—354i;:ifi502^7fi,025,8U.086—7025.l9V75.00.0932.154825.70.073一10013B46S65'/71.328.80.0871'114C3ft.，9fi4{)85,723,90.U(;4—7215":jg4]fiS3/M.927.40.(〕f'34.51-3H"門0—,&u8:39i,2.!)3';.2CK0484.:i3-251'''li-'l0596r)HO.0.'，0.0ti13.m_5483「'■I27"26S.730.70.02「)5.01-60由表3的結果能夠進行如下考察。首先，試驗No.113滿足本發明規定的要件，可知發揮出充分的疲勞龜裂發展抑制效果(以進展速度計為3.5X10—5mm/cycle以下)。相對於此，試驗No.l418欠缺本發明規定的要件的任意一個，均沒有發揮出疲勞進展抑制效果。即，試驗No.14、15因為均沒有進行加速冷卻，所以與S3相對應晶界的比例低，疲勞龜裂發展速度快。另外，試驗No.l6雖然製造條件處於優選的範圍內，但是C含量多(表1的鋼種D)，貝氏體生成時的相變機械變化，與S3相對應晶界減少，因此疲勞龜裂發展速度快。此外，No.17因為終軋溫度比優選的溫度低，晶內貝氏體生成變多，與23相對應晶界減少，所以疲勞龜裂發展速度快。試驗No.l8成為有一部分鐵素體生成(鐵素體+珠光體)的組織，與S3相對應晶界的比例也低，疲勞龜裂發展速度快。基於表3的結果，與13相對應晶界的比例與疲勞龜裂發展速度的關係顯示在圖2中，可知通過使上述比例在0.065以上，可使疲勞龜裂發展速度充分地低。1權利要求1.一種疲勞龜裂發展的抑制性能優異的鋼板，其特徵在於，由以貝氏體相為主體的組織構成，在兩個結晶的方位差為15°以上的大角晶界中，與∑3相對應晶界所佔的比例為0.065以上。2.根據權利要求1所述的鋼板，其特徵在於，以質量Q^計含有C:0.010，10。/0、Si:0.010.6%、Mn:0.62.0%、Al:0.0010.1%，還含有從Cu:0.033.0%、Cr:0,033.0%、Nh0.033,0%、Mo:0.031.0%、V:0.0010.1%、Nb:0.0010.1%、Ti:0.0010.1%和B:0.00030.030%中選出的一種或二種以上，餘量是鐵和不可避免的雜質。3.根據權利要求2所述的鋼板，其特徵在於，由下式(1)或(2)規定的DI,值或Dl2值為1.58.0，Mn〉1.2o/。時DI產1.16X(々_[C]/10)X(0.75[Si]+l)X{5.1([Mn]—l,2)+5.0}X(0.35[Cu]+l)X(0.36[Ni]+l)X(2,16[Cr]+l)X(3[Mo]+1)X(1.75[V]+1)X(200[B]+1)…(1)Mn《1.2。/。時DI產U6X(AT[C]/10)X(0.75[Si]+l)X3.33([Mn]+l)X(0.35[Cu]+1)X(0.36[Ni]+l)X(2.16[Cr]+l)X(3[Mo]+l)X(1,75[V]+1)X(200[B]+1)…(2)其中，[C]、[Si]、[Mn]、[Cu]、[Ni]、[Cr]、[Mo]、[V]和[B]，分別表示C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V和B的質量百分比含量。4.根據權利要求2或3所述的鋼板，其特徵在於，以質量％計，將不可避免的雜質中的P抑制在0.025%以下但不含0%，將S抑制在0.02%以下但不含0%。5.根據權利要求2或3所述的鋼板，其特徵在於，以質量％計還含有Ca:0.00050.003%和/或稀土類元素0.00050.030%。全文摘要提供一種鋼板，其是在以貝氏體為主體的鋼板中，通過適當規定各結晶方位關係，而使疲勞龜裂發展阻抑制優異。本發明的鋼板，由貝氏體相為主體的組織構成，2個結晶的方位差為15°以上的大角晶界之中，與∑3相對應晶界所佔的比例為0.065以上，根據需要，化學成分組成除了含有C0.01～0.10％、Si0.01～0.6％、Mn0.6～2.0％、Al0.001～0.1％以外，還含有Cu0.03～3.0％、Cr0.03～3.0％、Ni0.03～3.0％、Mo0.03～1.0％、V0.001～0.1％、Nb0.001～0.1％、Ti0.001～0.1％和B0.0003～0.030％之中的一種或二種以上，餘量是鐵和不可避免的雜質。文檔編號C21D8/02GK101326298SQ20068004620公開日2008年12月17日申請日期2006年12月15日優先權日2005年12月19日發明者大垣誠一申請人:株式會社神戶制鋼所