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、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)明提供下述厚鋼板及其制造方法和使用該厚鋼板的角焊接頭：所述厚鋼板在其軋制面兩側(cè)或單側(cè)至板厚方向上的4mm處的范圍內(nèi)，與板厚方向成直角的壓縮殘余應(yīng)力在100MPa以上，按質(zhì)量計(jì)，優(yōu)選含有C：0.03～0.15％、Si：1.0％以下，Mn：1.0～2.0％，還含有Ti：0.005～0.05％，Nb：0.001～0.05％中的一種或二種及Al：0.1％以下，并含有Cu、Ni、Cr、Mo、V、W、Zr、Ca、B中的一種或二種以上。
【專利說(shuō)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(duì)于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定的循環(huán)荷載(steady cyclicload)、因風(fēng)(wind)、地震(earthquake)等震動(dòng)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(lái)，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(duì)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(duì)焊趾部逐一實(shí)施上述防止疲勞裂紋發(fā)生的對(duì)策需要很大的勞力和時(shí)間，會(huì)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(duì)策的替代方法，設(shè)想通過(guò)提高所使用的鋼板自身的抗疲勞特性來(lái)提高 焊接鋼結(jié)構(gòu)物的抗疲勞特性。通過(guò)提高鋼板自身的抗疲勞特性，疲勞裂紋的生長(zhǎng)受到抑制，可延長(zhǎng)焊接鋼結(jié)構(gòu)物的疲勞壽命(fatigue life)。
[0006]針對(duì)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(guò)疲勞裂紋到達(dá)硬的第二相附近時(shí)裂紋傳播會(huì)大幅度延遲這一現(xiàn)象來(lái)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(zhǎng)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(huì)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(shí)，焊趾部產(chǎn)生的疲勞裂紋會(huì)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(duì)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(jì)，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(cè)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]根據(jù)專利文獻(xiàn)3，在對(duì)鋼板進(jìn)行淬火、正火等在線熱處理或直接淬火、加速冷卻等在線熱處理后，在Acl點(diǎn)以下的溫度下進(jìn)行回火，之后進(jìn)行冷卻時(shí)，進(jìn)行使冷卻過(guò)程中的鋼板表面與鋼板板厚中心部的溫差最大值在200°C以上的強(qiáng)制冷卻，由此得到鋼板表面被賦予壓縮殘余應(yīng)力、疲勞強(qiáng)度優(yōu)異的鋼板。
[0011]專利文獻(xiàn):
[0012]專利文獻(xiàn)1:日本特開(kāi)平7-90478號(hào)公報(bào)
[0013]專利文獻(xiàn)2:日本特開(kāi)平8-199286號(hào)公報(bào)
[0014]專利文獻(xiàn)3:日本特開(kāi)平6-100947號(hào)公報(bào)`
【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]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(huì)出現(xiàn)鋼板的延展性(ductility)、韌性顯著降低的問(wèn)題。鋼板的延展性及韌性的降低有時(shí)雖可通過(guò)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(wèn)題。
[0016]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(dòng)，并使位錯(cuò)(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(wèn)題。
[0017]此外，專利文獻(xiàn)1、2記載的技術(shù)存在雖然能降低疲勞裂紋傳播速度、但包括疲勞裂紋發(fā)生壽命在內(nèi)的總體(total)疲勞壽命并未顯著增加這一根本性的問(wèn)題。
[0018]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(shí)，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(shí)的抗疲勞特性的焊接法尚未解明。
[0019]此外，專利文獻(xiàn)3所記載的技術(shù)仍存在需要進(jìn)行退火處理以賦予鋼板表面以壓縮殘余應(yīng)力、不能提供生產(chǎn)效率良好的軋制狀態(tài)的鋼板的問(wèn)題。
[0020]本發(fā)明的目的在于提供一種能有利地解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題、具有可良好地用于焊接鋼結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度和韌性、板厚方向的抗疲勞特性優(yōu)異的厚鋼板及其制造方法。
[0021]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(lái)提供一種抗疲勞特性優(yōu)異的角焊接頭。
[0022]為了在不會(huì)伴有鋼板的延展性、韌性降低以及板厚方向的韌性降低的情況下、在生產(chǎn)效率良好的軋制狀態(tài)下提高疲勞特性，本
【發(fā)明者】著眼于鋼板的內(nèi)部殘余應(yīng)力并進(jìn)行了深入研究，由此獲得了以下發(fā)現(xiàn)。
[0023](I)在鋼板的軋制面兩側(cè)或單側(cè)至板厚方向上的4mm處的范圍內(nèi)，使與板厚方向成直角的壓縮殘余應(yīng)力在IOOMPa以上，能夠提高板厚方向的疲勞特性。
[0024](2)在進(jìn)行使板厚中央部的溫度在(Ar3點(diǎn)+50) °C以上、累積壓下率在30%以上的熱軋后，以3°C /s以上的冷卻速度冷卻至350°C以下，就可在軋制狀態(tài)下(不進(jìn)行退火處理)制造具有上述壓縮殘余應(yīng)力的鋼板。
[0025]另外，本發(fā)明以板厚50mm以上的鋼板為對(duì)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、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(shí)的疲勞壽命在200萬(wàn)次以上的情況。
[0026](4)使與鋼板的板厚方向成直角方向的壓縮殘余應(yīng)力在鋼板的軋制面兩側(cè)或單側(cè)至板厚方向上的4mm處的范圍內(nèi)在IOOMPa以上也有效。
[0027]此外，(5)限制制作角焊接頭時(shí)的焊接輸入熱量和層積數(shù)對(duì)提高角焊部的疲勞強(qiáng)度有效。
[0028]此外,本發(fā)明以板厚50mm以上的厚鋼板的角焊接頭為對(duì)象。板厚小于50mm時(shí),板厚效果導(dǎo)致的疲勞強(qiáng)度的降低并不那么顯著，而且，按照基于過(guò)去的許多疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)而作出的各種疲勞設(shè)計(jì)曲線，即使不使用本發(fā)明，也能確保抗疲勞安全性。“抗疲勞特性優(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(shí)的疲勞壽命在25萬(wàn)次以上的情況。
[0029]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。
[0030](I)板厚方向的抗疲勞特性優(yōu)異的厚鋼板，其特征在于，在鋼板的軋制面兩側(cè)或單側(cè)至板厚方向上的4mm處的范圍內(nèi)，與板厚方向成直角的壓縮殘余應(yīng)力在IOOMPa以上。
[0031](2) (I)所述的厚鋼板，其特征在于，所述厚鋼板具有按質(zhì)量計(jì)，含有C:0.03-0.15%,Si:1.0% 以下、Mn:1.0 -2.0%，還含有 Ti:0.005 -0.05%,Nb:0.001 -0.05%中的一種或二種及N:0.0035-0.0075%，余部由Fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的組成。
[0032](3)(2)所述的厚鋼板，其特征在于，按質(zhì)量計(jì)，還含有Cu:0.01-0.5%、Ni:2.0%以下、Cr:0.01 -0.5%、Mo:0.01 -0.5%、V:0.001 -0.1%、W:0.5% 以下、Zr:0.5% 以下、Ca:0.0005 -0.0030%, B:0.0005 -0.0020%中的一種或二種。
[0033](4) (2)或(3)所述的厚鋼板，其特征在于，還含有Al:0.1 %以下。
[0034](5)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，將具有(2)-
(4)的任一項(xiàng)中所述的化學(xué)成分的鋼素材加熱至1000-1250°C的溫度后，在板厚中央部為(Ar3點(diǎn)+50) °C以上的溫度區(qū)域進(jìn)行累積壓下率在30%以上的熱軋，然后，以3°C /s以上的冷卻速度冷卻至350°C以下。
[0035](6)疲勞強(qiáng)度優(yōu)異的角焊接頭，其特征在于，對(duì)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6道以下的多層焊接。
[0036](7) (6)所述的疲勞強(qiáng)度優(yōu)異的角焊接頭，其特征在于，在所述板厚50mm以上的厚鋼板的軋制面兩側(cè)或單側(cè)至板厚方向上的4_處的范圍內(nèi)，與板厚方向成直角的壓縮殘余應(yīng)力在IOOMPa以上。
[0037]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(jià)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。
[0038]此外，根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)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(jià)地提高疲勞強(qiáng)度尤其成為問(wèn)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(shuō)明】
[0039]圖1是示意性地顯示疲勞試驗(yàn)中使用的三點(diǎn)彎曲試片的尺寸形狀的說(shuō)明圖。
[0040]圖2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(shuō)明圖。
[0041]圖3是示意性地顯示適用于角焊接頭的厚鋼板的板厚方向截面中的擴(kuò)展的疲勞裂紋前端的滑移發(fā)生狀況的說(shuō)明圖。
[0042]圖4是說(shuō)明角焊接頭的焊接條件的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043]下面，對(duì)本發(fā)明中規(guī)定的鋼板的壓縮殘余應(yīng)力、優(yōu)選的成分組成、制造條件進(jìn)行說(shuō)
明。
[0044]〔鋼板的壓縮殘余應(yīng)力〕
[0045]本發(fā)明的厚鋼板在鋼板的軋制面兩側(cè)或單側(cè)至板厚方向上的4mm處的范圍內(nèi)，具有與板厚方向成直角的IOOMPa以上的壓縮殘余應(yīng)力。
[0046]在制作焊接結(jié)構(gòu)物的過(guò)程中，不可避免地要對(duì)鋼板表面部進(jìn)行定位點(diǎn)焊或會(huì)在其表面留下碰傷等，從而在鋼板的非常貼近表(背)面的部分會(huì)有壓縮殘余應(yīng)力受損，因此，將IOOMPa以上的壓縮殘余應(yīng)力存在的范圍設(shè)為鋼板的軋制面兩側(cè)或單側(cè)至板厚方向上的4mm 處。
[0047]另一方面，若壓縮殘余應(yīng)力的范圍超過(guò)與表面相距4_處的位置而擴(kuò)大到板厚內(nèi)部，則由于內(nèi)部應(yīng)力的平衡，產(chǎn)生疲勞裂紋的表面部附近的壓縮殘余應(yīng)力會(huì)變小，因此將其設(shè)為鋼板的軋制面兩側(cè)或單側(cè)至板厚方向上的4_處的范圍。
[0048]使上述范圍內(nèi)的與板厚方向成直角的方向的壓縮殘余應(yīng)力在IOOMPa以上。對(duì)于抑制疲勞裂紋的傳播，使壓縮應(yīng)力作用在與裂紋面成直角的方向上是有效的。本發(fā)明以沿板厚方向傳播的裂紋為對(duì)象，因此，將壓縮殘余應(yīng)力的壓縮方向設(shè)為與板厚方向成直角的方向。
[0049]壓縮殘余應(yīng)力小于IOOMPa時(shí)，疲勞裂紋傳播速度雖會(huì)減緩，但仍得不到足以提高疲勞壽命的程度的顯著效果，因此，將其設(shè)在IOOMPa以上。更優(yōu)選在150MPa以上。對(duì)于超過(guò)鋼板的軋制面兩側(cè)或單側(cè)至板厚方向上的4_處的范圍的鋼板內(nèi)的與板厚方向成直角的方向的壓縮殘余應(yīng)力，無(wú)特殊規(guī)定，但是，通常其大小比板厚方向上4mm以內(nèi)的范圍內(nèi)小。[0050]為使本發(fā)明的厚鋼板兼具作為焊接鋼結(jié)構(gòu)物用材料的強(qiáng)度和韌性(拉伸強(qiáng)度TS:490MPa以上，作為在板厚1/4處采取的夏比沖擊值，一 40°C下的吸收能量在100J以上)，優(yōu)選的成分組成和制造條件如下。
[0051]〔成分組成〕在以下說(shuō)明中，％表示質(zhì)量％。
[0052]C:0.03 -0.15%
[0053]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，但若含有量超過(guò)0.15%，則焊接熱影響部的韌性會(huì)降低。因此，優(yōu)選將C限定在0.03-0.15%的范圍。
[0054]S1:1.0% 以下
[0055]Si是一種既具有脫氧劑作用、又具有固溶后使鋼強(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(guò)1.0%，則會(huì)使焊接熱影響部的韌性降低。因此，優(yōu)選將Si限定在1.0%以下。另外，更優(yōu)選在0.50%以下。
[0056]Mn:1.0 -2.0%
[0057]Mn是一種具有使鋼強(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
1.0%以上，但若含有量超過(guò)2.0%，則母材的韌性可能降低。因此，優(yōu)選將Mn限定到1.0-2.0%的范圍。另外，更優(yōu)選為0.9-1.60%。
[0058]Ti:0.005 -0.05%、Nb:0.001 -0.05%中的一種或二種
[0059]T1、Nb是通過(guò)析出強(qiáng)化而使強(qiáng)度增加并抑制加熱時(shí)的奧氏體顆粒的成長(zhǎng)、有助于鋼板組織微細(xì)化的元素，在本發(fā)明中含有其一種或二種。
[0060]Ti會(huì)形成碳化物、氮化物、有助于鋼板制造時(shí)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(guò)0.05%，則會(huì)使韌性降低。因此，優(yōu)選將Ti限定在0.005-0.05%的范圍。另外，更優(yōu)選為0.005-0.02%。
[0061]Nb與Ti 一樣，具有通過(guò)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(guò)0.05%，則會(huì)有組織發(fā)生針狀化、韌性降低的傾向。因此，優(yōu)選將Nb限制在0.001-0.05%的范圍。另外，更優(yōu)選為0.02-0.05%。
[0062]Al:0.1% 以下
[0063]Al是一種既作為脫氧劑發(fā)揮作用、又有助于晶粒微細(xì)化的元素，可根據(jù)需要含有。為了獲得這種效果，優(yōu)選含0.015%以上，但若超過(guò)0.1%而過(guò)量含有，則會(huì)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。優(yōu)選在0.08%以下。
[0064]N:0.0035 -0.0075%
[0065]N是確保TiN必要量所必需的元素,小于0.0035%時(shí),會(huì)得不到充分量的TiN,超過(guò)0.0075%時(shí)，則會(huì)由于焊接熱循環(huán)，在TiN溶解的區(qū)域內(nèi)，固溶N量增加，在任一情況下均會(huì)使焊接部的韌性顯著下降，因而使N在0.0075%以下。
[0066]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、Ca中的一種或二種以上。
[0067]Cu:0.01 -0.5 %、N1:2.0 % 以下、Cr:0.01 -0.5 %、Mo:0.01 -0.5 %、V:0.0Ol -0.1 %、W:0.5 % 以下、Zr:0.5 % 以下、Ca:0.0005 -0.0030 B:0.0005 -0.0020%中的一種或二種以上
[0068]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一種或二種以上。
[0069]Cu主要通過(guò)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0.01%以上，但若含有量超過(guò)0.5%，則析出強(qiáng)化過(guò)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0.5%以下。更優(yōu)選在0.35%以下。Ni不僅增加鋼的強(qiáng)度，也有助于提高其韌性。
[0070]Ni能有效地用于防止Cu引起的熱軋時(shí)的開(kāi)裂。為了獲得這種效果，優(yōu)選含0.1%以上。但是，即使超過(guò)2.0%而大量含有，效果也會(huì)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(jià)的元素，大量含有會(huì)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。更優(yōu)選在0.05%以上。
[0071]Cr能使珠光體的量增加，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，但若含有量超過(guò)0.5%，則會(huì)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0.5%以下。另外，更優(yōu)選為0.01-0.2%。
[0072]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(guò)0.5%，則會(huì)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0.5%以下。更優(yōu)選為0.01-0.08%。
[0073]V有助于通過(guò)固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化而增加鋼的強(qiáng)度。為了獲得這種效果，優(yōu)選含0.001%以上，但若含有量超過(guò)0.1 %，則會(huì)顯著降低母材韌性和焊接性。因此，優(yōu)選將V限定在0.1%以下。更優(yōu)選為0.05-0.1%。
[0074]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(guò)0.5%而大量含有，則會(huì)降低焊接部的韌性。此外，大量含有高價(jià)的W會(huì)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。更優(yōu)選為0.2-0.4%。
[0075]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(guò)0.5%，則會(huì)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。更優(yōu)選為0.01-0.1%。
[0076]B通過(guò)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0.0005%以上，但若含有量超過(guò)0.0020%,則會(huì)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0.0020%以下。更優(yōu)選為0.001-0.003% O
[0077]Ca:0.0005 -0.0030%
[0078]Ca是一種具有通過(guò)S的固定而改善韌性的效果的元素。要使其發(fā)揮這種效果，需要至少含0.0005%，但即使含有量超過(guò)0.0030%，效果也會(huì)飽和，因此，使其為0.0005%-
0.0030%。
[0079]上述成分以外的其余部分為Fe和不可避免的雜質(zhì)，可容許P:0.035%以下、S:
0.035% 以下。
[0080]〔制造條件〕[0081]對(duì)鋼坯(slab)等鋼素材的制造方法無(wú)特殊限制。將上述組成的熔鋼用轉(zhuǎn)爐等常用的熔爐進(jìn)行熔制，通過(guò)連續(xù)鑄造法等常用的方法，形成鋼坯等鋼素材，加熱至1000-1250°C的溫度。
[0082]加熱溫度小于1000°C時(shí)，所希望的熱軋變得困難。另一方面，在超過(guò)1250°C的加熱溫度下，表面氧化顯著，且晶粒的粗大化顯著。因此，優(yōu)選將鋼素材的加熱溫度限定在1000-1250°C的范圍。另外，從提高韌性的觀點(diǎn)考慮，更優(yōu)選在1200°C以下。
[0083]對(duì)被加熱的鋼素材進(jìn)行熱軋。熱軋時(shí)，在(Ar3點(diǎn)+50) 1:以上的溫度區(qū)域進(jìn)行累積壓下率在30%以上的軋制，通過(guò)與后述的冷卻條件進(jìn)行組合，在鋼板的軋制面兩側(cè)或單側(cè)至板厚方向上的4mm處的范圍內(nèi)，導(dǎo)入IOOMPa以上的、與板厚方向成直角的方向的壓縮殘余應(yīng)力。Ar3 點(diǎn)例如可通過(guò) Ar3 (°C)= 910 — 273XC — 74XMn — 57XNi — 16XCr —9XMo — 5XCu (各元素表示含量(質(zhì)量％))求出。
[0084]通過(guò)熱軋，形成板厚50mm以上的鋼板。壓縮殘余應(yīng)力能提高疲勞特性，但會(huì)降低屈曲性能，越是板厚薄的鋼板，這種降低越顯著，板厚小于50_時(shí)，鋼板自身的屈曲性能可能降低，因此，設(shè)為板厚 50mm以上。
[0085]另外，本發(fā)明并未限制在規(guī)定的溫度區(qū)域外進(jìn)行的軋制，可進(jìn)行在鋼坯加熱后的高溫下實(shí)施的粗軋制等。
[0086]軋制結(jié)束后，以3°C /s以上的冷卻速度冷卻至350°C以下。若冷卻速度、冷卻停止溫度中的任一者不符合上述規(guī)定，則在鋼板的軋制面兩側(cè)或單側(cè)至板厚方向上的4mm處的范圍內(nèi)，得不到與板厚方向成直角的IOOMPa以上的壓縮殘余應(yīng)力。更優(yōu)選以5°C /s以上的冷卻速度冷卻至300°C以下。
[0087]在本發(fā)明中，作為板厚方向的抗疲勞特性優(yōu)異的厚鋼板的角接頭的焊接條件，對(duì)焊接輸入熱量(kj/cm)和層積方法做了規(guī)定。焊接輸入熱量(welding heat input)(有時(shí)也僅稱作輸入熱量)設(shè)在30kJ/cm以下。用超過(guò)30kJ/cm的輸入熱量進(jìn)行角焊時(shí)，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(huì)發(fā)生變化，對(duì)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。
[0088]此外，即使焊接輸入熱量在30kJ/cm以下，若以超過(guò)3層或6道的層積制作角焊接頭，則焊趾部的壓縮殘余應(yīng)力升高，得不到提高疲勞特性的效果，因而將層積設(shè)在3層以下且在6道以下。另外,對(duì)焊接法無(wú)特殊限制?？墒褂檬止ず附?hand welding)、MIG焊接(metal inert gas welding)、CO2 焊接(carbon dioxide welding)等。
[0089]實(shí)施例1
[0090]對(duì)表I所示組成的鋼素材，在表2所示條件下實(shí)施熱軋，形成了板厚55-70mm的厚鋼板。對(duì)這些厚鋼板實(shí)施殘余應(yīng)力測(cè)定、拉伸試驗(yàn)、韌性試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)方法如下。
[0091](I)殘余應(yīng)力測(cè)定
[0092]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(cè)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(duì)測(cè)定面〔12.5mmX 300mm的面〕實(shí)施電解研磨后,沿板厚方向，以4mm間距,通過(guò)X射線測(cè)定板厚方向的殘留應(yīng)力。將沿板厚方向以4_間距進(jìn)行測(cè)定的線數(shù)設(shè)為5條。將測(cè)得的5條線的殘余應(yīng)力在各板厚位置做5點(diǎn)平均，求出殘余應(yīng)力，根據(jù)殘余應(yīng)力的板厚方向分布圖，求出距表面/背面4mm的位置的殘余應(yīng)力(負(fù)值)，將其絕對(duì)值作為壓縮殘余應(yīng)力。[0093](2)拉伸試驗(yàn)
[0094]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的軋制方向成直角方向的方式采取JIS4號(hào)拉伸試片(平行部直徑:14_)。試片的采取位置為板厚的1/4位置處。拉伸試驗(yàn)按照J(rèn)IS Z2241 (1998)進(jìn)行，求出YS:屈服強(qiáng)度或0.2%耐力、TS:拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率EL，對(duì)靜態(tài)拉伸時(shí)的拉伸特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。
[0095](3)韌性試驗(yàn)
[0096]從所得的厚鋼板上，根據(jù)JIS Z2242 (2005)的規(guī)定，以使長(zhǎng)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(duì)韌性進(jìn)行評(píng)價(jià)。需要說(shuō)明的是，V試片取自板厚的1/4位置處。
[0097](4)疲勞試驗(yàn)
[0098]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(shí)的彎曲跨度(bending span)設(shè)為板厚的4倍，因此,板厚為50-65mm時(shí),將軋制方向的尺寸設(shè)為300mm，板厚為80mm時(shí)，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)。
[0099]將所得結(jié)果示于表2。在本發(fā)明例(N0.2、4、5、7、8、10、13、15、17)中，均形成了這樣的厚鋼板:在距表面/背面4_的位置(從表面/背面起至4_的范圍內(nèi)的壓縮殘余應(yīng)力最低的位置)上，與板厚方向垂直的方向的壓縮殘余應(yīng)力在IOOMPa以上，韌性未降低，板厚方向的抗疲勞特性優(yōu)異。
[0100]另一方面，在比較例(N0.1、3、6、9、11、12、14、16)中，與板厚方向垂直的方向的壓縮殘余應(yīng)力小于lOOMPa，板 厚方向的抗疲勞特性差。在比較例11的鋼的成分組成中，C量為0.23質(zhì)量％，超過(guò)了本發(fā)明的優(yōu)選含量的上限，因此，壓縮殘余應(yīng)力小于lOOMPa，板厚方向的抗疲勞特性差。
[0101]實(shí)施例2
[0102]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55-70mm的板厚方向的疲勞特性優(yōu)異的厚鋼板2，制作角焊接頭，使用圖2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2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。
[0103]使用由上述試驗(yàn)確認(rèn)了特性的厚鋼板2，在圖4所示的條件下制作角焊接頭，實(shí)施疲勞試驗(yàn)。作為疲勞試片，使用圖2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2所得的結(jié)果示于表5。
[0104]對(duì)于厚鋼板2，確認(rèn)在本發(fā)明例(試驗(yàn)N0.2、7、8、10)中，在應(yīng)力范圍為340MPa的苛刻條件下，均得到了疲勞壽命在25萬(wàn)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層以下且6道以下的層積條件)范圍之外的比較例(試驗(yàn)N0.4、5)和使用了板厚方向的疲勞壽命差的厚鋼板的比較例(試驗(yàn)N0.1、3、6、9)中，無(wú)法確?？蛊谔匦?。
【權(quán)利要求】
1.厚鋼板，在其軋制面的兩側(cè)或單側(cè)至板厚方向上的4_處的范圍內(nèi)，與板厚方向成直角的壓縮殘余應(yīng)力在IOOMPa以上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的厚鋼板，其特征在于，所述厚鋼板的以質(zhì)量％計(jì)的組成是，含有 C:0.03 -0.15%, S1:1.0% 以下、Mn:1.0 -2.0%，還含有 Ti:0.005 -0.05%, Nb:0.001-0.05%中的一種或二種及N:0.0035-0.0075%，余部為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的厚鋼板，其特征在于，以質(zhì)量％計(jì)，所述組成中還含有Cu:0.01 -0.5%,Ni:2.0% 以下、Cr:0.01 -0.5%,Mo:0.01 -0.5%,V:0.001 -0.1%,W:0.5% 以下、Zr:0.5% 以下、Ca:0.0005 -0.0030%,B:0.0005 -0.0020%中的一種或二種以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的厚鋼板，其特征在于，以質(zhì)量％計(jì)，所述組成中還含有Al:0.1 % 以下。
5.厚鋼板的制造方法，在該方法中，將具有權(quán)利要求2-4的任一項(xiàng)中所述的化學(xué)成分的鋼素材加熱至1000-1250°C的溫度后，在板厚中央部達(dá)到(Ar3點(diǎn)+50)°C以上的溫度區(qū)域進(jìn)行累積壓下率在30%以上的熱軋，然后，以3°C /s以上的冷卻速度冷卻至350°C以下。
6.角焊接頭，其通過(guò)在輸入熱量30kJ/cm以下的條件下以3層以下且6道以下的層積將板厚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焊接而成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的角焊接頭，其特征在于，在所述板厚50mm以上的厚鋼板的軋制面兩側(cè)或單側(cè)至板厚方向上的4_處的范圍內(nèi)，與板厚方向成直角的壓縮殘余應(yīng)力在IOOMPa 以上。 ·
【文檔編號(hào)】C22C38/00GK103459637SQ201280015840
【公開(kāi)日】2013年12月18日 申請(qǐng)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(qǐng)人:杰富意鋼鐵株式會(huì)社