板厚方向的抗疲勞特性優(yōu)異的厚鋼板及其制造方法和使用該厚鋼板的角焊接頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供適合用于壓力容器等焊接鋼結(jié)構(gòu)物的、板厚方向的抗疲勞特性優(yōu)異的厚鋼板及其制造方法、以及使用該厚鋼板的角焊接頭。具體而言，本發(fā)明提供這樣一種厚鋼板及其制造方法和使用該厚鋼板的角焊接頭：所述厚鋼板的至少與鋼板軋制面兩側(cè)或單側(cè)在板厚方向上相距2mm的位置處到板厚的3/10位置處的范圍內(nèi)具有與板面平行的（110）的面的X射線強(qiáng)度比在2.0以上的集合組織，板厚方向的壓縮殘余應(yīng)力的平均值在160MPa以上，與板面平行的（100）面的X射線強(qiáng)度比在1.1以下，含有C、Si、Mn，并含有Ti、Nb中的一種或二種，根據(jù)需要還含有Cu、Ni、Cr、Mo、V、W、Zr、B、Al中的一種或二種以上，余部為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
【專利說明】板厚方向的抗疲勞特性優(yōu)異的厚鋼板及其制造方法和使用該厚鋼板的角焊接頭
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及適合用于船舶(ships)、海洋結(jié)構(gòu)物(marine structure)、橋梁(bridge)、建筑物(construction)、壓力容器(pressure vessel)等焊接鋼結(jié)構(gòu)物(weldedsteel structure)的板厚方向的抗疲勞特性(fatigue resistance)優(yōu)異的厚鋼板(steelplate)及其制造方法和使用該厚鋼板的角焊接頭。
【背景技術(shù)】
[0002]作為船舶、海洋結(jié)構(gòu)物、橋梁、建筑物、壓力容器等焊接鋼結(jié)構(gòu)物中所使用的鋼板，當(dāng)然不僅要有優(yōu)異的強(qiáng)度(stength)、韌性(toughness)等機(jī)械性能(mechanicalproperty)、焊接性(weldability),而且，對于運(yùn)轉(zhuǎn)時的穩(wěn)定的循環(huán)荷載(steady cyclicload)、因風(fēng)(wind)、地震(earthquake)等震動引起的不穩(wěn)定的循環(huán)荷載(unsteady cyclicload),還要求鋼板具有能確保結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)安全性(structural safety)的特性。尤其是近年來，強(qiáng)烈要求鋼板具有優(yōu)異的抗疲勞特性。
[0003]焊接鋼結(jié)構(gòu)物中，焊趾部等處存在大量的應(yīng)力集中部，由于焊趾部容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，且拉伸的殘余應(yīng)力也起作用，因此，在循環(huán)荷載產(chǎn)生作用的情況下，容易從焊趾部(weld toe)發(fā)生疲勞裂紋(fatigue crack),焊趾部成為疲勞裂紋的發(fā)生源的情況較多。
[0004]為了防止這種疲勞裂紋的發(fā)生，已知的有改善趾部形狀、導(dǎo)入壓縮殘余應(yīng)力(compressive residual stress)等對策。但是，由于在焊接鋼結(jié)構(gòu)物中存在大量的焊趾部，因此，對焊趾部逐一實(shí)施上述防止疲勞裂紋發(fā)生的對策需要很大的勞力和時間，會導(dǎo)致施工量增加和施工成本上 漲。
[0005]因此，作為這種防止疲勞裂紋發(fā)生的對策的替代方法，設(shè)想通過提高所使用的鋼板自身的抗疲勞特性來提高焊接鋼結(jié)構(gòu)物的抗疲勞特性。通過提高鋼板自身的抗疲勞特性，疲勞裂紋的生長受到抑制，可延長焊接鋼結(jié)構(gòu)物的疲勞壽命(fatigue life)。
[0006]針對這種需要，例如，專利文獻(xiàn)I中提出了一種具有沿鋼板軋制方向存在的條紋狀第二相在母相內(nèi)以5-50%的面積率分布的微觀結(jié)構(gòu)(microstructure)，第二相的硬度(hardness) Hv比母相的硬度Hv高30 %以上，抗疲勞裂紋擴(kuò)展特性(fatigue crackpropagation properties)良$子白勺
[0007]在專利文獻(xiàn)I記載的技術(shù)中，使硬度高的第二相分散在母相中，通過疲勞裂紋到達(dá)硬的第二相附近時裂紋傳播會大幅度延遲這一現(xiàn)象來提高鋼板的抗疲勞裂紋傳播特性，因此，優(yōu)選使第二相的長寬比(aspect ratio)在4以上。據(jù)專利文獻(xiàn)I記載，若將這種鋼板用于表面會有疲勞裂紋產(chǎn)生并傳播的大型結(jié)構(gòu)物，則不需要特別的思量，就能賦予大型結(jié)構(gòu)物以高的阻止疲勞裂紋傳播的特性。
[0008]此外，已經(jīng)知道,在焊接接頭中，包角焊接(box arc weld)、十字焊接(cruciformarc weld)、蓋板焊接(cover plate weld)、螺柱焊接(stud weld)等角焊接頭(filletwelded joint)的疲勞強(qiáng)度(fatigue strength)最低,尤其是被用于最近的大型集裝箱船(container vessels)等的極厚鋼板(heavy gauge steel)的角焊接頭的疲勞強(qiáng)度改善被當(dāng)作緊急的課題(urgent issue)。使用角焊接頭時，焊趾部產(chǎn)生的疲勞裂紋會沿板厚方向擴(kuò)展，因此，使用板厚方向的抗疲勞特性優(yōu)異的鋼板對提高接頭的抗疲勞特性有效。
[0009]此外，專利文獻(xiàn)2記載了一種按質(zhì)量計，含有C:0.015-0.20%、S1:0.05-
2.0%,Μη:0.1-2.0%、P:0.05%以下、S:0.02%以下，余部由Fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，用X射線測得的板厚方向(200)的衍射強(qiáng)度比(diffracted intensity ratio)為2.0-15.0,且回復(fù)鐵素體粒(recovery ferrite grain)或重結(jié)晶鐵素體粒(recrystallizedferrite grain)的面積率(area ratio)為15-40 %的板厚方向的疲勞裂紋傳播速度(fatigre crack growth rate)低的厚鋼板。
[0010]專利文獻(xiàn):
[0011]專利文獻(xiàn)1:日本特開平7-90478號公報
[0012]專利文獻(xiàn)2:日本特開平8-199286號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]然而，在專利文獻(xiàn)I記載的技術(shù)中，為了降低疲勞裂紋傳播速度并使疲勞裂紋的傳播顯著延遲，需要使第二相的硬度高于母相，并大量分散在母相中，從而會出現(xiàn)鋼板的延展性(ductility)、韌性顯著降低的問題。鋼板的延展性及韌性的降低有時雖可通過添加大量的合金元素而防止，但難 以回避導(dǎo)致材料成本高漲的問題。
[0014]此外，在專利文獻(xiàn)2記載的技術(shù)中，使板厚方向(200)的衍射強(qiáng)度比在2.0以上，即，使(100)面均整地平行于板面的集合組織(texture)發(fā)展，在疲勞裂紋前端(fatiguecrack tip)使各種滑移系(slip system)活動，并使位錯(dislocation)之間產(chǎn)生干涉(interference),從而抑制裂紋的傳播，降低板厚方向的疲勞裂紋傳播速度。但是,(100)面為解理面(cleavage plane),在(100)面均整地平行于板面的厚鋼板中,仍遺留下板厚方向的韌性變差的問題。
[0015]此外，專利文獻(xiàn)1、2記載的技術(shù)雖然能降低疲勞裂紋傳播速度，但總體(total)疲勞壽命并未顯著增加。
[0016]如上所述，專利文獻(xiàn)1、2所記載的抗疲勞特性優(yōu)異的厚鋼板用于焊接結(jié)構(gòu)物時，在成本和性能方面還有應(yīng)該改善的余地，另一方面，即使在角焊接頭的制作中，用于提高其用作接頭時的抗疲勞特性的焊接法尚未解明。
[0017]本發(fā)明的目的在于提供一種能夠有利地解決現(xiàn)有技術(shù)的問題、可良好地用于焊接鋼結(jié)構(gòu)物、板厚方向的抗疲勞特性優(yōu)異的厚鋼板及其制造方法。
[0018]此外，本發(fā)明旨在以使用板厚方向的抗疲勞特性優(yōu)異的厚鋼板的角焊接頭來提供一種抗疲勞特性優(yōu)異的角焊接頭。
[0019]為了在不會伴有板厚方向的韌性降低的情況下提高疲勞特性，本
【發(fā)明者】著眼于集合組織并進(jìn)行了深入研究，由此獲得了以下發(fā)現(xiàn)。
[0020](I)為了提高疲勞特性，在與鋼板軋制面兩側(cè)或單側(cè)在板厚方向上相距2mm的位置處至板厚的3/10位置處的范圍內(nèi)形成與板面平行地使(110)面發(fā)展的組織(有時也稱作(110)集合組織)是有效的。
[0021 ] (2 )為了抑制板厚方向的韌性降低，在上述范圍內(nèi)與板面平行地形成抑制了( 100 )面發(fā)展的組織是有效的。
[0022](3)為了在不伴有板厚方向的韌性降低的情況下提高疲勞特性，導(dǎo)入板厚方向殘余應(yīng)力并盡可能地減小其平均值(使其在壓縮側(cè))是有效的。
[0023](4)具備上述(1)、(2)的特性的集合組織可通過熱軋，在與鋼板軋制面兩側(cè)或單側(cè)在板厚方向上相距2mm的位置處至板厚的3/10位置處的范圍成為二相溫度區(qū)域的溫度區(qū)域內(nèi)以使I焊接道的平均壓下率小于3.5%且累積壓下率為50%的方式進(jìn)行熱軋而得到，板厚方向的殘余應(yīng)力通過累積壓下率在50%以上的二相區(qū)域軋制或熱軋后的加速冷卻的冷卻速度而導(dǎo)入。
[0024](5)限制制作角焊接頭時的焊接輸入熱和層積數(shù)對于提高角焊部疲勞強(qiáng)度是有效的。
[0025]另外，本發(fā)明以板厚50mm以上的鋼板為對象，“抗疲勞特性優(yōu)異”是指使用圖1所示的尺寸形狀的三點(diǎn)彎曲疲勞試片(three-point bend fatigue specimen)、在應(yīng)力比(stress ratio)(=最小荷載/最大荷載)為0.1的條件下實(shí)施疲勞試驗(yàn)(fatigue test),求出板厚方向的疲勞壽命，在應(yīng)力范圍(stress range)為340MPa時的疲勞壽命在200萬次以上的情況。
[0026]此外,本發(fā)明以板厚50mm以上的厚鋼板的角焊接頭為對象。板厚小于50mm時,板厚效果(thickness effect)導(dǎo)致的疲勞強(qiáng)度的降低并不那么顯著，而且，按照基于過去的許多疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(database)而作出的各種疲勞設(shè)計曲線(fatigue design curve),即使不使用本發(fā)明，也能確?？蛊诎踩?fatigue resistant safety)?！翱蛊谔匦詢?yōu)異”是指使用圖3所示的尺 寸形狀的帶切口的三點(diǎn)彎曲角焊接頭疲勞試片，在應(yīng)力比為0.1的條件下實(shí)施疲勞試驗(yàn)，求出板厚方向的疲勞壽命，在應(yīng)力范圍為340MPa時的疲勞壽命在25萬次以上的情況。
[0027]根據(jù)上述發(fā)現(xiàn)，本
【發(fā)明者】進(jìn)一步深入地進(jìn)行了研究，并由此完成了本發(fā)明。即，本發(fā)明的要點(diǎn)如下。
[0028](I)板厚方向的抗疲勞特性優(yōu)異的厚鋼板，其特征在于，至少在與鋼板軋制面兩側(cè)或單側(cè)在板厚方向上相距2mm的位置處至板厚的3/10位置處的范圍內(nèi)具有與板面平行的(110)面的X射線強(qiáng)度比在2.0以上的集合組織，且板厚方向的壓縮殘余應(yīng)力(compressiveresidual stress)的平均值在 160MPa 以上。
[0029](2) (I)所述的板厚方向的抗疲勞特性優(yōu)異的厚鋼板，其特征在于，所述集合組織中的與板面平行的(100)面的X射線強(qiáng)度比在1.1以下。
[0030](3) (I)或(2)所述的板厚方向的抗疲勞特性優(yōu)異的厚鋼板，其特征在于，所述厚鋼板具有按質(zhì)量計，含有C:0.03-0.15%,S1:0.60%以下、Mn:0.80-1.80%，還含有選自T1:0.005-0.050%, Nb:0.001-0.1 %中的一種或二種，余部由Fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的組成。
[0031](4) (3)所述的板厚方向的抗疲勞特性優(yōu)異的厚鋼板，其特征在于，除上述組成外，按質(zhì)量計，還含有選自Cu:2.0%以下、N1:2.0%以下、Cr:0.6%以下、Mo:0.6%以下、V:0.2%以下、W:0.5%以下、Zr:0.5%以下、B:0.0050%以下中的一種或二種以上。
[0032](5) (3)或(4)所述的板厚方向的抗疲勞特性優(yōu)異的厚鋼板，其特征在于，除上述組成外，按質(zhì)量計，還含有Al:0.1%以下。[0033](6)板厚方向的抗疲勞特性優(yōu)異的厚鋼板的制造方法，其特征在于，在對具有
(3)-(5)中任一項(xiàng)中所述的組成的鋼素材加熱、進(jìn)行熱軋、制作厚鋼板時，所述熱軋包括在奧氏體部分重結(jié)晶溫度(austenite partial recrystallization temperature)以上的溫度區(qū)域下進(jìn)行的使累積壓下率為10%以上的第一軋制，以及在相當(dāng)于與所述厚鋼板軋制面兩側(cè)或單側(cè)在板厚方向上相距2mm的位置處至板厚的3/10位置處的范圍形成二相組織的溫度區(qū)域進(jìn)行的各焊接道的平均壓下率小于3.5%且累積壓下率在50%以上的第二軋制，在鋼板表面溫度在600°C以上的熱軋結(jié)束后，以1°C /s以上的冷卻速度進(jìn)行加速冷卻(accelerated cooling),冷卻至 400°C 以下。
[0034](7)疲勞強(qiáng)度優(yōu)異的角焊接頭，其特征在于，對板厚50mm以上的板厚方向的抗疲勞特性優(yōu)異的厚鋼板的角焊縫部在輸入熱量在30kJ/cm以下的條件下進(jìn)行3層以下(31ayers or less)、6 焊接道以下(6passes or less)的多層焊接。
[0035](8) (7)所述的疲勞強(qiáng)度優(yōu)異的角焊接頭，其特征在于，所述板厚50mm以上的厚鋼板至少在與鋼板軋制面兩側(cè)或單側(cè)在板厚方向上相距2mm的位置處至板厚的3/10位置處的范圍內(nèi)具有與板面平行的(110)面的X射線強(qiáng)度比在2.0以上的部位。
[0036](9) (8)所述的疲勞強(qiáng)度優(yōu)異的角焊接頭，其特征在于，所述板厚50mm以上的厚鋼板的所述組織中，與板面平行的(100)面的X射線強(qiáng)度比進(jìn)一步地在1.1以下。
[0037](10) (8)或(9)所述的疲勞強(qiáng)度優(yōu)異的角焊接頭，其特征在于，所述板厚50mm以上的板厚方向的壓縮殘余應(yīng)力的平均值在160MPa以上。
[0038]根據(jù)本發(fā)明，在不損害鋼板的延展性、韌性的情況下，能容易且廉價地制造板厚方向的抗疲勞特性優(yōu)異的板厚50mm以上的厚鋼板，在產(chǎn)業(yè)上具有顯著的效果。
[0039]此外，根據(jù)本發(fā)明，通過使用具有作為焊接結(jié)構(gòu)物的延展性和韌性的厚鋼板，能容易且廉價地提高疲勞強(qiáng)度尤其成為問題的板厚50mm以上的厚鋼板的角焊部的疲勞特性，在產(chǎn)業(yè)上具有顯著的效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]圖1是說明疲勞試驗(yàn)中使用的三點(diǎn)彎曲試片的尺寸形狀的示意圖。
[0041]圖2是說明板厚方向的截面中的擴(kuò)展的疲勞裂紋前端中的滑移的發(fā)生狀況的示意圖。
[0042]圖3是示意性地顯示疲勞試驗(yàn)中使用的帶切口的三點(diǎn)彎曲角焊接頭疲勞試片的尺寸形狀的說明圖。
[0043]圖4是說明角焊接頭的焊接條件的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0044]下面，對本發(fā)明中規(guī)定的組織、壓縮殘余應(yīng)力、優(yōu)選的成分組成、制造條件進(jìn)行說明。
[0045]〔組織〕
[0046]本發(fā)明的厚鋼板至少在與鋼板軋制面兩側(cè)或單側(cè)在板厚方向上相距2mm的位置處起至板厚的3/10位置處的范圍內(nèi)具有與板面平行的(110)面的X射線強(qiáng)度比在2.0以上的集合組織。[0047]為了抑制在板厚方向上擴(kuò)展的疲勞裂紋(裂紋面為板厚面)的擴(kuò)展(傳播)，可使
(110)面為與裂紋面(板厚面)成90°傾斜的組織，即形成與板面平行地集聚(110)面的組織((110)集合組織)，并使X射線強(qiáng)度比在2.0以上。
[0048]圖2是說明板厚方向的截面中在擴(kuò)展的疲勞裂紋前端的滑移發(fā)生狀況的示意圖。通常，疲勞裂紋因循環(huán)應(yīng)力的作用，在裂紋前端，在與剪切應(yīng)力呈最大的裂紋面成45°左右的面上發(fā)生不可逆的滑移，這種滑移會累積并擴(kuò)展(因裂紋前端的應(yīng)力場和結(jié)晶方位(crystal orientation)的關(guān)系,在剪切應(yīng)力最高的滑移體系(滑移面滑移方向)中發(fā)生滑移變形(slip deformation),裂紋擴(kuò)展)。
[0049]因此,若使體心立方(bcc)結(jié)構(gòu)(body-centered cubic structure)的鋼板的主滑移面(principal slip plane)即(110) 面與傾斜，與裂紋面成90。，則與剪切應(yīng)力(shearstress)呈最大的裂紋面成45°傾斜的面的滑移受到抑制。
[0050]此外，與板面平行的(110)面的X射線強(qiáng)度比小于2.0時，無法充分獲得降低疲勞裂紋傳播速度、提高板厚方向的疲勞特性的效果，因此，使其在2.0以上。另外，與板面平行的(110)面的X射線強(qiáng)度比是指以具有隨機(jī)方位(random direction)的鋼板中的來自與板面平行的(110)面的X射線強(qiáng)度為基準(zhǔn)，相對于此基準(zhǔn)的來自平行于板面存在的(110)面的X射線的強(qiáng)度之比。與板面平行的(110)面的X射線強(qiáng)度比在2.0以上是指與具有隨機(jī)的結(jié)晶方位的鋼板相比，與板面平行的(110)面以2.0倍以上高高集聚，形成(110)集合組織。
[0051]本發(fā)明的厚鋼板至少在與鋼板軋制面兩側(cè)或單側(cè)在板厚方向上相距2mm的位置處至板厚的3/10位置處的范圍內(nèi)具有與板面平行的(110)面的X射線強(qiáng)度比在2.0以上的集合組織。
[0052]沿板厚方向傳播的疲勞裂紋從鋼板表面附近的應(yīng)力集中部(stressconcentration area)、例如安裝在表面的部件等的焊接部發(fā)生,但在該部位、尤其是在從鋼板表面到2mm的部位，因用于安裝部件等的焊接熱(welding heat)而形成的集合組織消失了。
[0053]另一方面，擴(kuò)展到板厚中央部的疲勞裂紋的裂紋變大，裂紋前端的應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)(stress intensity factor)變大,循環(huán)荷載的每I循環(huán)的疲勞裂紋擴(kuò)展量(fatigue crackgrowth)變大，幾乎無法得到由(110)集合組織的存在產(chǎn)生的疲勞裂紋傳播速度的降低效
果O
[0054]因此，至少在與鋼板軋制面兩側(cè)或單側(cè)在板厚方向上相距2mm的位置處至板厚的3/10位置處的范圍內(nèi)形成上述集合組織。但是，即使使鋼板整體變成(110)集合組織，也不會損害本發(fā)明的作用效果，對于本發(fā)明的厚鋼板而言，在使板厚方向整體變成上述集合組織這一點(diǎn)上無任何限制。
[0055]在體心立方(bcc)結(jié)構(gòu)的鋼板中，(100)面為解理面，與板面平行的(100)面的存在會使板厚方向的韌性降低，當(dāng)(100)面與板面平行地發(fā)展時，會妨礙(110)集合組織的形成，因此，至少在與鋼板軋制面兩側(cè)或單側(cè)在板厚方向上相距2mm的位置處至板厚的3/10位置處的范圍內(nèi)，將與板面平行的(100)面的X射線強(qiáng)度比降低到1.1以下，優(yōu)選盡可能地降低。另外，與板面平行的(100)面的X射線強(qiáng)度比是指以具有隨機(jī)方位的鋼板中的來自與板面平行的(100)面的X射線強(qiáng)度為基準(zhǔn)，相對于該基準(zhǔn)的來自平行于板面存在的(100)面的X射線強(qiáng)度的比。與板面平行的(100)面的X射線強(qiáng)度比在1.1以下是指，與具有隨機(jī)方位的鋼板相比，與板面平行的(100)面的集聚在1.1倍以下，幾乎未形成(100)集合組織。
[0056]〔板厚方向的壓縮殘余應(yīng)力〕
[0057]板厚方向的壓縮殘余應(yīng)力對抑制板厚方向的韌性降低及降低板厚方向的疲勞裂紋傳播速度有效，但在小于160MPa時，得不到上述優(yōu)異的抗疲勞特性，因而使其在160MPa以上。板厚方向的壓縮殘余應(yīng)力的平均值通過X射線測定(X-ray measurement),在板厚方向以4_間距測定板厚方向(裂紋傳播方向)的殘余應(yīng)力，取其壓縮側(cè)值(負(fù)側(cè)的值)的平均值的絕對值。
[0058]為使本發(fā)明的厚鋼板兼具作為焊接鋼結(jié)構(gòu)物用的強(qiáng)度和韌性(拉伸強(qiáng)度(tensilestrength) TS:490MPa 以上、一40°C下的吸收能量(absorbed energy):200J 以上)，優(yōu)選的成分組成和制造條件如下。
[0059]〔成分組成〕在以下說明中，％表示質(zhì)量％。
[0060]C:0.03 -0.15% [0061]C是一種具有使鋼的強(qiáng)度增加的作用的元素，為了確保所期望的高強(qiáng)度，優(yōu)選含0.03%以上,但含有量超過0.15%時,焊接熱影響部(welded heat-affected zone)的韌性會降低。因此，優(yōu)選將C限定在0.03-0.15%的范圍內(nèi)。
[0062]S1:0.60% 以下
[0063]Si是一種既具有脫氧劑(deoxidizing agent)作用，又具有固溶后使鋼的強(qiáng)度增加的作用的元素。為了得到這種效果，優(yōu)選含0.01%以上。另一方面，若含有量超過0.60%，則會使焊接熱影響部的韌性降低。因此，優(yōu)選將Si限定在0.60%以下。另外，更優(yōu)選在0.50%以下。
[0064]Mn:0.80 -1.80%
[0065]Mn是一種具有使鋼的強(qiáng)度增加的作用的元素，為了確保所期望的高強(qiáng)度，優(yōu)選含0.80%以上，但若含有量超過1.80%，則母材的韌性可能降低。因此，優(yōu)選將Mn限定到0.80-1.80%的范圍。另外，更優(yōu)選為0.9-1.60%。
[0066]選自Ti:0.005 -0.050%, Nb:0.001 -0.1 % 中的一種或二種
[0067]T1、Nb是通過析出強(qiáng)化(precipitation strengthening)而使強(qiáng)度增加并通過抑制加熱時的奧氏體顆粒的成長而有助于鋼板組織微細(xì)化的元素，在本發(fā)明中含有一種或二種。
[0068]Ti會形成碳化物(carbide)、氮化物(nitride)、有助于鋼板制造時的奧氏體顆粒的微細(xì)化，并抑制焊接熱影響部的晶粒組大化，提高焊接熱影響部的韌性。為了獲得這種效果，優(yōu)選含0.005%以上。另一方面，若含有量超過0.050%，則會使韌性降低。因此，優(yōu)選將Ti限定在0.005-0.050%的范圍。另外，更優(yōu)選為0.005-0.02%。
[0069]Nb與Ti 一樣，具有通過析出強(qiáng)化而使強(qiáng)度增加，進(jìn)而使組織微細(xì)化，并抑制奧氏體的重結(jié)晶，促進(jìn)用于形成所希望的組織的軋制所產(chǎn)生的效果的作用。為了獲得這種效果，優(yōu)選含0.001 %以上，但若含有量超過0.1 %，則會有組織發(fā)生針狀化(needle-1 ike)、韌性降低的傾向。因此，優(yōu)選將Nb限制在0.001-0.1%的范圍內(nèi)。另外，更優(yōu)選為0.02-0.05%。[0070]要使特性進(jìn)一步提高，除上述基本成分外，還可含有Cu、N1、Cr、Mo、V、W、Zr、B、Al中的一種或二種以上。
[0071]Cu:2.0% 以下、Ni:2.0% 以下、Cr:0.6% 以下、Mo:0.6% 以下、V:0.2% 以下、W:0.5%以下、Zr:0.5%以下、B:0.0050以下％中的一種或二種以上
[0072]Cu、N1、Cr、Mo、V、W、Zr、B是提高鋼的強(qiáng)度和韌性的元素，根據(jù)所期望的特性而含有其一種或二種以上。
[0073]Cu主要通過析出強(qiáng)化而有助于鋼的強(qiáng)度增加。為了獲得這種效果，優(yōu)選含0.05%以上，但若含有量超過2.0%，則析出強(qiáng)化過多，韌性降低。因此，在含有該元素的情況下，優(yōu)選將Cu限定在2.0%以下。另外，更優(yōu)選在0.35%以下。
[0074]Ni不僅增加鋼的強(qiáng)度，還有助于提高韌性。此外，Ni能有效地用于防止Cu引起的熱軋時的開裂。為了獲得這種效果，優(yōu)選含0.05%以上。但是，即使超過2.0%而大量含有，效果也會出現(xiàn)飽和，不能期待與含量相應(yīng)的效果，在經(jīng)濟(jì)上不利，且Ni是高價的元素，大量含有會導(dǎo)致材料成本高漲。因此，在含有該元素的情況下，優(yōu)選將Ni限定在2.0%以下。另外，更優(yōu)選在0.1%以上。
[0075]Cr能使珠光體的量(amont of pearlite)增加,有助于增加鋼的強(qiáng)度。為了獲得這種效果，優(yōu)選含0.01 %以上，但若含有超過0.6%，則會降低焊接部的韌性。因此，在含有該元素的情況下，優(yōu)選將Cr限定在0.6%以下。另外，更優(yōu)選為0.01-0.2%。
[0076]Mo有助于增加鋼的強(qiáng)度。為了獲得這種效果，優(yōu)選含0.01%以上，但若含有量超過0.6%，則會降低焊接部的韌性。因此，在含有該元素的情況下，優(yōu)選將Mo限定在0.6%以下。另外，更優(yōu)選為0.01-0.08%。
[0077]V通過固溶強(qiáng)化(so lid solution strength)、析出強(qiáng)化而有助于增加鋼的強(qiáng)度。為了獲得這種效果，優(yōu)選含0.05%以上，但若含有量超過0.2%，則會顯著降低母材韌性和焊接性。因此，優(yōu)選將V限定在0.2%以下。另外，更優(yōu)選為0.05-0.1%。
[0078]W有助于增加鋼的強(qiáng)度，尤其有助于增加鋼的高溫強(qiáng)度。為了獲得這種效果，優(yōu)選含0.1 %以上，但若超過0.5%而大量含有，則會降低焊接部的韌性。此外，大量含有高價的W會導(dǎo)致材料成本的高漲。因此，在含有該元素的情況下，優(yōu)選將W限定在0.5%以下。另外，更優(yōu)選為0.2-0.4%。
[0079]Zr有助于增加鋼的強(qiáng)度，并能提高鍍鋅處理材料中的耐鍍膜破裂性。為了獲得這種效果，優(yōu)選含0.01 %以上，但若含有量超過0.5%，則會降低焊接部的韌性。因此，在含有該元素的情況下，優(yōu)選將其限定在0.5%以下。另外，更優(yōu)選為0.01-0.1%。
[0080]B通過提高淬火性而有助于增加鋼的強(qiáng)度，并在軋制中作為BN析出，有助于軋制后的鐵素體顆粒的微細(xì)化。為了獲得這種效果，優(yōu)選含0.0010 %以上，但若含有量超過0.0050%,則會使韌性變差。因此，在含有該元素的情況下，優(yōu)選將B限定在0.0050%以下。另外，更優(yōu)選為0.0010-0.0035% O
[0081]Al:0.1% 以下
[0082]Al既作為脫氧劑發(fā)揮作用，又有助于晶粒的微細(xì)化，為了獲得這種效果，優(yōu)選含0.015%以上，但若超過0.1 %而過量含有，則會導(dǎo)致韌性降低。因此，在含有該元素的情況下，將Al限定在0.1%以下。另外，優(yōu)選在0.08%以下。
[0083]上述成分以外的余部為Fe和不可避免的雜質(zhì)，可容許P:0.035%以下、S:0.035%以下、N:0.012%以下。
[0084]〔制造條件〕
[0085]對鋼坯(slab)等鋼素材的制造方法無特殊限制。將上述組成的熔鋼(moltensteel)用轉(zhuǎn)爐(converter furnace)等常用的熔爐進(jìn)行熔制,通過連續(xù)鑄造法(continuouscasting)等常用的方法，形成鋼坯等鋼素材，加熱至900-1350°C的溫度。
[0086]加熱溫度小于900°C時，所希望的熱軋(hot rolling)變得困難。另一方面，在超過1350°C的加熱溫度下,表面氧化(surface oxidation)顯著,且晶粒的粗大化顯著。因此，優(yōu)選將鋼素材的加熱溫度(heating temperature)限定在900-1350°C的范圍。另外，從提高韌性的觀點(diǎn)考慮，更優(yōu)選在1150°C以下。
[0087]對加熱過的鋼素材實(shí)施熱軋。熱軋包括第一軋制和第二軋制，第一軋制在奧氏體部分重結(jié)晶溫度以上的溫度區(qū)域(在上述成分組成的情況下，奧氏體部分重結(jié)晶溫度以上的溫度區(qū)域是表面溫度為1000-850°C的溫度區(qū)域)進(jìn)行，使累積壓下率在10%以上。奧氏體顆粒至少部分重結(jié)晶，因此，可使鋼板組織微細(xì)且均勻。另外，由于至少奧氏體顆粒部分重結(jié)晶，因此，優(yōu)選使累積壓下率在10%以上。軋制溫度區(qū)域在奧氏體未重結(jié)晶溫度區(qū)域內(nèi)時，不能期待晶粒的均勻化。另外，從確保第二軋制的壓下率的觀點(diǎn)考慮，累積壓下率的上限優(yōu)選為30%。
[0088]上述第一軋制后，在與鋼板軋制面兩側(cè)或單側(cè)在板厚方向上相距2mm的位置處至板厚的3/10位置處的范圍位于形成二相組織的溫度區(qū)域的情況下，實(shí)施各焊接道的平均壓下率小于3.5%且累積壓下率在50%以上、軋制結(jié)束溫度在600°C以上的第二軋制。
[0089]在第二軋制中，由于在與鋼板軋制面兩側(cè)或單側(cè)在板厚方向上相距2mm的位置處至板厚的3/10位置處的范圍導(dǎo)入剪切應(yīng)變、使累積壓下率在50%以上、軋制結(jié)束溫度在600°C以上時，會形成與板面平行的(110)面的X射線強(qiáng)度比在2.0以上的(110)集合組織，因此，使各焊接道的平均壓下 率小于3.5 %。
[0090]累積壓下率小于50%時，無法使與板面平行的(110)面的X射線強(qiáng)度比在2.0以上。
[0091]另外，在上述組成范圍的情況下，在表面溫度為900-600°C的溫度區(qū)域，與鋼板軋制面兩側(cè)或單側(cè)在板厚方向上相距2mm的位置處至板厚的3/10位置處的范圍會形成近似二相組織。使軋制結(jié)束溫度為表面溫度在600°C以上的溫度區(qū)域的溫度。
[0092]軋制結(jié)束溫度在表面溫度小于600°C的區(qū)域時，鐵素體中會有過度的加工應(yīng)變導(dǎo)入，韌性下降，因此，使軋制結(jié)束溫度在600°C以上，優(yōu)選為850-600 V。
[0093]用上述制造方法制成的厚鋼板至少在與鋼板軋制面兩側(cè)或單側(cè)在板厚方向上相距2mm的位置處至板厚的3/10位置處的范圍內(nèi)，與板面平行的(100)面的X射線強(qiáng)度比在1.1以下，板厚方向的韌性劣化受到抑制。
[0094]熱軋中，形成板厚50mm以上的鋼板。板厚小于50mm的情況下,熱軋時，至少在與鋼板軋制面兩側(cè)或單側(cè)在板厚方向上相距2mm的位置處至板厚的3/10位置處的范圍內(nèi)，難以導(dǎo)入對(110)集合組織的發(fā)展有效的剪切應(yīng)變。而且，在板厚小于50mm的情況下，由于導(dǎo)入了板厚方向的壓縮殘余應(yīng)力，鋼板的屈曲性能可能降低。由此，形成板厚50mm以上的厚鋼板。此外，熱軋除了第一軋制和第二軋制以外，也可在不損害這些軋制的作用效果的范圍內(nèi)實(shí)施軋制。[0095]第二軋制后，以TC /s以上的冷卻速度實(shí)施加速冷卻，冷卻至400°C以下。若冷卻速度小于l°c /S、冷卻停止溫度超過400，則難以使板厚方向的壓縮殘余應(yīng)力的平均值在160MPa以上，因此，將冷卻速度設(shè)在1°C /s以上，冷卻停止溫度設(shè)在400以下。另外，更優(yōu)選以5°C /s以上的冷卻速度冷卻至350°C以下。
[0096]本發(fā)明中，作為板厚方向的抗疲勞特性優(yōu)異的厚鋼板的角焊接頭的焊接條件，對焊接輸入熱量(kj/cm)和層積方法進(jìn)行規(guī)定。將焊接輸入熱量(welding heat input)(有時也僅稱作輸入熱量)設(shè)在30kJ/cm以下。用超過30kJ/cm的輸入熱進(jìn)行角焊時，由于焊接的熱影響，鋼板的組織或內(nèi)部殘余應(yīng)力的形態(tài)會發(fā)生變化，對板厚方向的抗疲勞特性優(yōu)異的鋼板的疲勞特性產(chǎn)生不良影響，因而將其設(shè)在30kJ/cm以下。
[0097]此外，即使焊接輸入熱量在30kJ/cm以下，若以超過3層6焊接道的層積制作角焊接頭，則焊趾部的壓縮殘余應(yīng)力會高，得不到提高疲勞特性的效果，因此，使層積在3層以下且在6焊接道以下。另外,對焊接法無特殊規(guī)定?？墒褂檬止ず附?hand welding)、MIG焊接(metal inert gas welding)、CO2 焊接(carbon dioxide welding)等。
[0098]實(shí)施例1
[0099]對表I所示組成的鋼素材，在表2所示的條件下實(shí)施熱軋，形成了板厚50-80mm的厚鋼板。對這些厚鋼板實(shí)施組織觀察、拉伸試驗(yàn)、韌性試驗(yàn)、疲勞裂紋傳播試驗(yàn)。
[0100](I)組織觀察(microstructure observation)
[0101]從所得的厚鋼板的板厚的1/4位置(作為與表面在板厚方向上相距2mm處-板厚的3/10位置處的范圍的代表)起，與板面平行地采取組織觀察用試驗(yàn)片(大小:厚1.5mmX寬25mmX長30mm)，用X射線衍 射法求出與板面平行的(110)面及(100)面的X射線衍射強(qiáng)度。將所得的X射線強(qiáng)度與隨機(jī)組織標(biāo)準(zhǔn)試樣(random sampIe)的(110)面積(100)面的的X射線衍射強(qiáng)度之比分別作為與板面平行的(110)面的X射線強(qiáng)度比、與板面平行的(100)面的X射線強(qiáng)度比。
[0102](2)殘余應(yīng)力測定
[0103]從所得的厚鋼板上采取用于用X射線進(jìn)行殘余應(yīng)力測定的試片(大小:板厚(鋼板原有厚度)X12.5_X300_〔板厚方向尺寸X軋制直角方向尺寸X軋制方向尺寸〕)，對測定面〔12.5mmX300mm的面〕〔軋制直角方向的尺寸X軋制方向尺寸〕實(shí)施電解研磨后，沿板厚方向，以4mm間距，通過X射線測定板厚方向的殘留應(yīng)力。對測得的殘余應(yīng)力中的壓縮側(cè)(負(fù)側(cè))的值進(jìn)行平均，將其絕對值作為板厚方向的壓縮殘余應(yīng)力的平均值。
[0104](3)拉伸試驗(yàn)
[0105]從所得的厚鋼板上，根據(jù)JIS Z2201 (1998)的規(guī)定，以使拉伸方向與鋼板軋制方向成直角方向的方式采取JIS4號拉伸試片(平行部直徑:14_)。試片的采取位置為板厚的1/4位置(作為與表面在板厚方向上相距2mm處-板厚的3/10位置處的范圍的代表)。拉伸試驗(yàn)按照J(rèn)IS Z2241 (1998)進(jìn)行，求出YS:屈服強(qiáng)度Gys或0.2%耐力σ Q 2、TS:拉伸強(qiáng)度σ TS、伸長率E1，對靜態(tài)拉伸時的拉伸特性進(jìn)行評價。
[0106](4)韌性試驗(yàn)
[0107]從所得的厚鋼板上，根據(jù)JIS Z2242 (2005)的規(guī)定，以使長度方向平行于軋制方向的方式采取V切口試片，求出一 40°C下的吸收能量，對韌性進(jìn)行評價。需要說明的是，V試片取自板厚的1/4位置處(作為與表面在板厚方向上相距2mm處-板厚的3/10位置處的范圍的代表)。
[0108](5)疲勞試驗(yàn)
[0109]從所得的厚鋼板上，以使疲勞裂紋的傳播方向?yàn)榘搴穹较虻姆绞?，采取疲勞試?yàn)用試片(大小:板厚(鋼板原有厚度)X 12.5mmX 300-350mm〔板厚方向尺寸X軋制垂直方向尺寸X軋制方向尺寸〕)。試片為圖1所示尺寸形狀的帶切口的三點(diǎn)彎曲疲勞試片，由于將疲勞試驗(yàn)時的彎曲跨度(bending span)設(shè)為板厚的4倍，因此,板厚為50-65mm時,將軋制方向的尺寸設(shè)為300mm，板厚為80mm時，將軋制方向的尺寸設(shè)為350mm。疲勞試驗(yàn)在應(yīng)力范圍為340MPa、應(yīng)力比R (=最小荷載/最大荷載)為0.1的條件下實(shí)施，求出板厚方向的疲勞特性(疲勞壽命)。
[0110]將所得的疲勞壽命在200萬次以上的情況評價為“板厚方向的抗疲勞特性優(yōu)異”，記作〇，將除此以外的情況評價為X。另外，試片切口(缺口)為寬0.1mm的機(jī)械加工缺口(machined notch)。
[0111]在本發(fā)明例(N0.4、7、9、11、14、17 )中，均得到了這樣的厚鋼板:其在板厚的I/4位置(作為與表面在板厚方向上相距2mm處-板厚的3/10位置處的范圍的代表)，與板面平行的(110)面的X射線強(qiáng)度比在2.0以上，板厚方向的壓縮殘余應(yīng)力的平均值在160MPa以上且與板面平行的(100)面的X射線強(qiáng)度比在1.1以下，板厚方向的韌性也不降低，板厚方向的抗疲勞特性優(yōu)異。另一方面 ，在不在本發(fā)明范圍的比較例(N0.1、2、3、5、6、8、10、12、13、15,16)中，與板面平行的(110)面的X射線強(qiáng)度比小于2.0或板厚方向的壓縮殘余應(yīng)力的平均值小于160MPa，板厚方向的抗疲勞特性差。
[0112]實(shí)施例2
[0113]使用具有表3所示的化學(xué)成分、在表4所示的制造條件下制造并具有表4所示的特性的板厚50-80mm的板厚方向的疲勞特性優(yōu)異的厚鋼板I制作角焊接頭，使用圖3中所示形狀的帶切口的三點(diǎn)彎曲角焊接頭疲勞試片實(shí)施三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)。用于確認(rèn)厚鋼板I的組織、機(jī)械特性及板厚方向的疲勞特性的試驗(yàn)方法按與實(shí)施例1相同的方式進(jìn)行。
[0114]使用由上述試驗(yàn)確認(rèn)了特性的厚鋼板1，在圖4所示的條件下制作了角焊接頭，實(shí)施了疲勞試驗(yàn)。作為疲勞試片，使用圖3所示尺寸形狀的帶切口的三點(diǎn)彎曲角焊接頭疲勞試片，在應(yīng)力范圍為340MPa、應(yīng)力比R (=最小荷載/最大荷載)為0.1的條件下實(shí)施，求出疲勞壽命。將用厚鋼板I所得的結(jié)果示于表5。
[0115]對于厚鋼板1，確認(rèn)在本發(fā)明例(試驗(yàn)Νο.3、4、6)中，均得到了在應(yīng)力范圍為340MPa的苛刻條件下的疲勞壽命在25萬次以上、抗疲勞特性優(yōu)異的角焊接頭。另一方面，在處于本發(fā)明所規(guī)定的焊接條件(輸入熱量30kJ/cm以下、3層6焊接道以下的層積條件)的范圍之外的比較例(試驗(yàn)N0.1、2 )及使用了板厚方向的疲勞壽命差的厚鋼板的比較例(試驗(yàn)N0.5)中，未能確?？蛊谔匦浴?br> [0116]表I
【權(quán)利要求】
1.厚鋼板，其至少在與鋼板軋制面的兩側(cè)或單側(cè)在板厚方向上相距2mm的位置處至板厚的3/10位置處的范圍內(nèi)具有與板面平行的(110)面的X射線強(qiáng)度比在2.0以上的集合組織，且板厚方向的壓縮殘余應(yīng)力的平均值在160MPa以上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的厚鋼板，其特征在于，所述集合組織中與板面平行的(100)面的X射線強(qiáng)度比在1.1以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的厚鋼板，其特征在于，所述厚鋼板的以質(zhì)量％計的組成是，含有 C:0.03 -0.15%, S1:0.60% 以下、Mn:0.80 -1.80%，還含有選自 T1:0.005 -0.050%, Nb:0.001-0.1%中的一種或二種，余部為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的厚鋼板，其特征在于，以質(zhì)量％計，所述組成中還含有選自Cu:2.0% 以下、N1:2.0% 以下、Cr:0.6% 以下、Mo:0.6% 以下、V:0.2% 以下、W:0.5% 以下、Zr:0.5%以下、B:0.0050%以下中的一種或二種以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的厚鋼板，其特征在于，以質(zhì)量計，所述組成中還含有Al:0.1%以下。
6.厚鋼板的制造方法，在該方法中，在對具有權(quán)利要求3-5的任一項(xiàng)中所述的組成的鋼素材進(jìn)行熱軋、制作厚鋼板時，所述熱軋包括在奧氏體部分重結(jié)晶溫度以上的溫度區(qū)域進(jìn)行的累積壓下率在10%以上的第一軋制以及在所述厚鋼板的與距軋制面兩側(cè)或單側(cè)2mm的位置處至板厚的3 /10位置處相當(dāng)?shù)姆秶纬啥嘟M織的溫度區(qū)域進(jìn)行的各焊接道的平均壓下率小于3.5%且累積壓下率在50%以上的第二軋制，在鋼板表面溫度在600°C以上的熱軋結(jié)束后，以1°C /s以上的冷卻速度進(jìn)行加速冷卻，冷卻至400°C以下。
7.角焊接頭，其通過在輸入熱量為30kJ/cm以下的條件下進(jìn)行的3層以下且6道以下的多層焊接將板厚在50mm以上的板厚方向的抗疲勞特性優(yōu)異的厚鋼板的角焊縫部焊接而成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的角焊接頭，其特征在于，所述板厚在50mm以上的厚鋼板至少在與鋼板軋制面兩側(cè)或單側(cè)在板厚方向上相距2mm的位置處至板厚的3/10位置處的范圍內(nèi)具有與板面平行的(110)面的X射線強(qiáng)度比在2.0以上的部位。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的角焊接頭，其特征在于，所述板厚在50mm以上的厚鋼板的所述組織中，與板面平行的(100)面的X射線強(qiáng)度比在1.1以下。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的角焊接頭，其特征在于，所述板厚在50mm以上的厚鋼板的板厚方向的壓縮殘余應(yīng)力的平均值在160MPa以上。
【文檔編號】B23K9/02GK103459640SQ201280015867
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月28日
【發(fā)明者】半田恒久, 伊木聰, 遠(yuǎn)藤茂 申請人:杰富意鋼鐵株式會社