耐疲劳裂纹扩展性优异的钢板及其制造方法技术

提供一种耐疲劳破坏性能优异的钢板及其制造方法，其提高了针对在各种焊接结构物等的焊接部等内在的裂纹因受到反复应力而扩展的阻抗性。该钢板，以质量％计含有：Ｃ：０．０１～０．１０％、Ｓｉ：０．０３～０．６％、Ｍｎ：０．３～２％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１～０．１％、Ｎ：０．０００５～０．００８％，根据需要含有从１群～３群之中的至少１群选择出的１种以上的元素，余量为Ｆｅ和杂质，且金属组织以面积率计为３０％以上的贝氏体组织，合计５％以下的马氏体组织和珠光体组织，余量是铁素体组织。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种适合作为土木建筑物、船舶、海洋结构物、桥梁、建筑物、汽车、容器和管线用管等的结构物的材料，在大气中和腐蚀环境中的。
技术介绍
对于船舶、海洋结构物、桥梁、建筑物、容器、汽车、管线用管等所使用的钢材，要求其强度、韧性、疲劳特性等各种的机械的性质优异，以及焊接性优异。特别是在机械性质之中，疲劳特性对结构物的强度设计上极为重要。在专利文献1中，公开有疲劳特性优异的高强度热轧钢板的制造方法的专利技术。该专利技术公开了，即使在同样的抗拉强度下仍使疲劳强度或疲劳限度比提升而规定金属组织，因此如果将添加了P和Cu的钢形成由铁素体和贝氏体构成的组织，使铁素体部分的硬度为120Hv以上，则加工性良好，疲劳特性提高。在专利文献2中，公开有疲劳特性和延伸凸缘性优异的高强度热轧钢板的专利技术。在此专利技术中，是在规定了Si、P、Mn和Cr的各含量的、由铁素体和第二相(珠光体、贝氏体、马氏体和残留奥氏体等)构成的高强度热轧钢板中，使第二相的硬度为200～600Hv，体积率为5～10％，将铁素体的硬度控制为由第二相的量决定的一定硬度，由此实现疲劳限度比的提高。在这些文献所记载的专利技术中，虽然是以改善疲劳限度为特征，但是疲劳限度或疲劳限度比通常由基于旋转弯曲、薄板的情况下基于平面弯曲的疲劳试验的S-N曲线求得。这些试验片除了特定的情况外，因为最受应力施加的部分要尽可能平滑，所以不可能成为在材料上存在瑕疵和裂纹的情况的参考。一般疲劳破坏发生的过程，能够区分为在应力集中部的裂纹的发生和其后的疲劳裂纹的扩展两大过程，但是通过如所述的试验法而求得的疲劳限度和疲劳限度比的值，其对裂纹的发生和扩展的各过程所产生的影响不明确。在焊接结构物中，作为应力集中部的焊接缝边部大量存在，完全防止疲劳裂纹的发生从技术角度几乎不可能，另外，在经济性上也不是上策。为此，需要使来自裂纹已经存在的状态下的裂纹扩展造成的耐用寿命的缩短大幅度地延长。因此，尽可能延缓裂纹的扩展速度变得重要。作为结构物的设计时的对策，是通过使应力不那么集中的方式来使载荷分散，使强度的持有充分的幅余，尽管如此，裂纹仍会发生，但是可以不致使致命性的破坏。但是，使强度上保持充分的幅余有经济上的制约，若能如此则有望延缓钢材自身的疲劳裂纹的扩展，即，使裂纹扩展阻抗增大。不过，关于使材料的疲劳裂纹扩展阻抗性提高的技术，目前研究很少。在专利文献3中，记载有疲劳强度和疲劳裂纹传播阻抗均优异的高强度热轧钢板的制造方法，公开了通过规定P和Cu的含量，使铁素体结晶粒径为5～25μm，第二相的体积分率为10～30％的二相组织，从而改善疲劳强度和疲劳裂纹传播阻抗。可是，该文献所说的所谓疲劳裂纹传播阻抗，是指后述的疲劳裂纹的扩展中的下限界应力扩大系数范围(ΔKth)，如果疲劳裂纹传播阻抗被改善，则有将疲劳裂纹扩展的下限的应力扩大系数值提高的效果，但对于延缓疲劳裂纹扩展速度则没有一种有效的方法。在专利文献4中，公开有组织的20％以上为贝氏体的钢材的疲劳裂纹扩展速度评价的方法。但是，该文献所记载的专利技术是关于评价方法，而并未考虑到钢材的强度和韧性等的机械的特性，谈不上适合应用到土木建筑结构物、船体和海洋结构物等之上。专利文献1特开平4-276016号公报专利文献2特开平4-329848号公报专利文献3特开平4-337026号公报专利文献4特开2001-41868号公报
技术实现思路
本专利技术的课题在于，提供一种耐疲劳破坏性能优异的钢板及其制造方法，其提高了针对在各种焊接结构物等的焊接部等内存在的裂纹因受到反复应力而扩展的阻抗性。具体来说，是提供这样一种钢板及其制方法，其作为后述的反复载荷1个循环周期中的应力扩大系数K的最大值和最小值的差ΔK为20MPam，以应力比0.1的条件求得的疲劳裂纹扩展速度为3.2×10-5mm/cycle以下。本专利技术者们为了解决上述课题反复进行各种实验和研讨。图1是表示裂纹扩展速度，也就是疲劳裂纹扩展速度与应力扩大系数的关系的图。如前述疲劳破坏产生的过程，能够区分为在应力集中部的裂纹的发生，和其后的疲劳裂纹的扩展两大过程。在已经有疲劳裂纹发生了的状态下，若对裂纹的扩展进行破坏力学性的处理，则在反复应力的应力比(R＝σmin/σmax1个循环周期中的最大应力和最小应力的比)一定时，在疲劳裂纹扩展速度(da/dN每1个反复载荷循环周期的裂纹进展量)与应力扩大系数范围(ΔK＝Kmax-Kmin1个循环周期中的应力扩大系数K的最大值与最小值的差)之间，存在以两对数表示的如图1所示的关系。在该图中，在表示为“IIa”的ΔK小的区域，即使有裂纹其扩展速度也小，在一定下限值ΔKth中疲劳裂纹扩展速度da/dN急剧变小，事实上确认不到裂纹的扩展。把该ΔKth称为下限界应力扩大系数范围，如果是在其之下的应力，则即使是有裂纹存在的状态也不会扩展。表示为“IIb”时，裂纹前端的滑动面分离成为支配性的机构，是裂纹扩展的区域。由该区域形成的条纹(striation)，被作为典型的疲劳破坏的断面观察。在该“IIb”区域中，作为帕里斯准则已知的公式成立。da/dN＝C(ΔK)m这里，C和m是依赖于材料、环境、应力比等的常数。在表示为“IIc”的区域，通常为拉伸应力导致的破坏，即，接近于表现为诸如劈裂和晶界开裂，或者微小空穴的合体这样的微观的金属组织的形态的静态的破坏，裂纹扩展速度明显加快。这里，预先说明疲劳裂纹扩展速度的测定方法。图6是用于说明疲劳裂纹扩展速度的测定方法的图。据同图(a)、(b)所示的方式，求得应力扩大系数范围ΔK约为18、22、26、30、34MPam时的da/dN的值。接着，采用帕里斯(Paris)公式da/dN＝C(ΔK)m由5个da/dN与ΔK的关系以图6(c)所示的方式作成对数曲线，从近似直线求得C和m的值。然后根据内插法求得ΔK＝20MPam时的da/dN，将3.2×10-5mm/cycle以下作为本专利技术的目标值。本专利技术者们，着眼于延缓图1的“IIb”区域的裂纹扩展，关于给同区域中的疲劳裂纹扩展速度da/dN带来的材料的影响和制造方法，反复进行各种试验重复研究，其结果得到以下结论。1)疲劳裂纹扩展速度da/dN被组织左右，若贝氏体组织在30％以上，则其变小。特别是在60～85％时da/dN变得最小。2)如果以适当的条件进行形状矫正，则da/dN进一步变小。3)因为马氏体组织和珠光体组织是硬且脆的组织，所以不能在相边界抑制疲劳裂纹的扩展，若这些组织以面积率计超过5％，则da/dN劣化。关于上述1)，本专利技术者们确认，若疲劳裂纹扩展而遭遇到贝氏体相，则在其晶界裂纹停滞，或者以避开贝氏体组织的方式弯曲同时扩展。图2是为了调查贝氏体相给疲劳裂纹的扩展带来的影响而采用的、由铁素体单相钢和贝氏体单相钢构成的层叠型CT试验片10的立体图。本专利技术者们，以同图简易显示的方式制作由铁素体单相钢(F)、贝氏体单相钢(B)构成的层叠型CT试验片10，以疲劳裂纹12的扩展方向与上述F和B的各试验片的层叠边界呈直角的方式加工。使用该试验片以应力比0.1的条件，测定ΔK＝25MPam的疲劳裂纹扩展速度。图3是表示由测定结果得到的疲劳裂纹长度与疲劳裂纹扩展速度(传播速度)的关系的图。如同图所示，裂纹在从铁素体相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钢板，其特征在于，以质量％计含有：Ｃ：０．０１～０．１０％、Ｓｉ：０．０３～０．６％、Ｍｎ：０．３～２％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１～０．１％、Ｎ：０．０００５～０．００８％，余量为Ｆｅ和杂质，且金属组织以面积率计为３０％以上的贝氏体组织，以合计０～５％的马氏体组织和珠光体组织，其余组织是铁素体组织。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：胜元弘，大西一志，誉田登，藤原知哉，有持和茂，
申请(专利权)人：住友金属工业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]