疲勞特性優(yōu)異的高強度鋼材及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及板厚30mm~50mm的厚鋼板，設(shè)及適于船舶、海洋結(jié)構(gòu)物、橋梁、建筑 物、坦克等強烈要求結(jié)構(gòu)安全性的焊接結(jié)構(gòu)物的、疲勞龜裂產(chǎn)生和疲勞龜裂發(fā)展的抵抗性 優(yōu)異的高強度鋼材及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 船舶、海洋結(jié)構(gòu)物、橋梁、坦克等結(jié)構(gòu)物中使用的鋼材，除強度、初性等機械性質(zhì)、 焊接性優(yōu)異W外，對于平時工作中的重復(fù)負荷、由風(fēng)、地震等引起的重復(fù)震動，必須具有結(jié) 構(gòu)物的結(jié)構(gòu)安全性。
[0003] 對于重復(fù)負荷、重復(fù)震動，要求疲勞特性優(yōu)異。尤其是，為了防止部件斷裂運樣的 最終的破壞，認為有效的是抑制鋼材具有的疲勞龜裂的產(chǎn)生和發(fā)展。
[0004] 通常的焊接結(jié)構(gòu)物的情況下，焊接縫邊部容易成為應(yīng)力集中部，由焊接所致的拉 伸殘余應(yīng)力也發(fā)揮作用，因此大多成為疲勞龜裂的產(chǎn)生源。作為其防止策略，已知對焊接縫 邊部進行無焊條焊接（weldingwithoutweldingrod),或通過噴丸硬化而導(dǎo)入壓縮殘余 應(yīng)力。 陽〇化]然而，焊接結(jié)構(gòu)物具有大量的焊接縫邊部，此外，在成本上也負擔(dān)大。因此，運些方 法不適合W工業(yè)規(guī)模實施，焊接結(jié)構(gòu)物的耐疲勞特性的提高大多通過所使用的鋼材自身的 疲勞特性的提高來實現(xiàn)。
[0006] 非專利文獻1討論了用限制了成分的鋼反復(fù)進行實驗室規(guī)模的特殊熱處理而制 造的2種鋼材的疲勞龜裂傳播行為。本文獻中，詳細地考察并描述了如下事項：對使硬質(zhì)相 (維氏硬度：565，相的分率：36.4%，相的平均尺寸：149^111)在軟質(zhì)相（維氏硬度：148)中 均勻分散而成的鋼材AW及W硬質(zhì)相（維氏硬度：546,相的分率：39. 2% )將軟質(zhì)相（維氏 硬度：149)圍成網(wǎng)眼狀而成的鋼材B的疲勞龜裂傳播性進行了研究，其結(jié)果，鋼材B的疲勞 龜裂傳播速度大幅降低。
[0007] 專利文獻1中記載了一種具有疲勞龜裂發(fā)展抑制效果的鋼板，其特征在于，硬質(zhì) 部的基體和分散于該基體的軟質(zhì)部構(gòu)成金屬組織，該2部分的硬度差W維氏硬度計為150 社。
[0008] 專利文獻2中記載了一種疲勞強度優(yōu)異的厚鋼板，其特征在于，金屬組織由包含 鐵素體和硬質(zhì)第二相的組織構(gòu)成，且與鋼板表面平行的截面組織中的上述硬質(zhì)第二相的面 積分率為20~80%、維氏硬度為250~800、平均等效圓直徑為10~200ym，且硬質(zhì)第二 相間的最大間隔為500ymW下。
[0009] 專利文獻3中記載了一種耐疲勞龜裂發(fā)展性優(yōu)異的鋼板，其特征在于，金屬組織 W面積率計為60~85 %的貝氏體組織、合計為0~5 %的馬氏體組織和珠光體組織，其余 部分為鐵素體組織。
[0010] 現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0011] 專利文獻
[0012] 專利文獻I:日本專利第2962134號公報
[0013] 專利文獻2 :日本專利第3860763號公報
[0014] 專利文獻3 :日本專利第4466196號公報
[0015] 非專利文獻
[0016]非專利文獻 1 :比SUZUKIANDA. J.MCEVILY=MetalIurgicalTransactions A, VolumeIOA,P475 ~481，1979

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 然而，非專利文獻I中記載的鋼需要5階段的熱處理，為了W工業(yè)產(chǎn)品規(guī)模進行工 程生產(chǎn)而從成本、生產(chǎn)率的觀點出發(fā)是不現(xiàn)實的。此外，與疲勞龜裂傳播特性相反而延展性 下降，無法將運種鋼應(yīng)用于結(jié)構(gòu)物。
[0018] 關(guān)于專利文獻1、2,也在熱社前后應(yīng)用熱處理，因此在工程生產(chǎn)上的效率性的方面 不優(yōu)選。例如，在專利文獻2中，為了提高厚壁材料的特性，實施擴散熱處理-熱社-2相域 熱處理。
[0019] 專利文獻3中，W板厚比較小的15mm板厚材料為對象，不對應(yīng)于板厚30mmW上的 厚壁材料。為了確保厚壁材料的強度，需要添加C等的合金元素。然而，專利文獻3中C量 最大為0.1%，有可能在厚壁化的情況下強度不足。
[0020] 此外，上述任一發(fā)明均謀求改善疲勞龜裂產(chǎn)生和疲勞龜裂發(fā)展中的任一者，沒有 進行兼具兩種特性的鋼板的研究。疲勞龜裂產(chǎn)生的抑制通過增大疲勞強度，即增大母鋼板 的屈服應(yīng)力而提高。然而，越是高強度鋼，在疲勞龜裂先端的應(yīng)力集中越變大而助長疲勞龜 裂發(fā)展。
[0021] 因此，本發(fā)明設(shè)及板厚30mm~50mm的厚鋼板，目的在于提供疲勞龜裂產(chǎn)生和疲勞 龜裂發(fā)展的抵抗性優(yōu)異的鋼材及其制造方法。
[0022] 本發(fā)明的發(fā)明人等為了達成上述課題而反復(fù)進行了深入研究，對于即使是板厚 30mm~50mm的厚鋼板也具有優(yōu)異的疲勞特性的高強度厚鋼板，獲得了W下見解。
[0023] 1.對于板厚大于30mm的厚鋼板，為了同時提高耐疲勞龜裂產(chǎn)生和耐疲勞龜裂發(fā) 展性運兩種特性，重要的是制成由主相的鐵素體W及第2相的貝氏體和偽珠光體構(gòu)成的混 合組織。運種組織可W通過在適當(dāng)?shù)臈l件范圍進行制造而實現(xiàn)。本發(fā)明中，通過含有0.10% W上的C量，可W穩(wěn)定地達成由第2相的面積分率增加所致的高強度化。
[0024] 2.進而，對于高強度厚壁材料，為了確保疲勞特性，利用化添加進行的硫化物控 制有效地發(fā)揮作用?；ㄟ^形成CaS而固定S，生成與MnS的復(fù)合夾雜物。MnS單獨存在 時，在社制時被伸長，成為破壞的起點。然而，通過將CaS制成與MnS的復(fù)合夾雜物，從而微 細地分散于母相中，疲勞龜裂產(chǎn)生和疲勞龜裂發(fā)展的抵抗性提高。
[00巧]本發(fā)明是對上述見解進一步加W研究而作出的，其主旨如下。
[00%] [1] -種疲勞特性優(yōu)異的高強度鋼材，成分組成W質(zhì)量％計含有C:0.10~ 0. 20%、Si:0. 50%W下、Mn:1. 0 ~2. 0%、P:0. 030%W下、S:0. 0005 ~0. 0040%、Sol.Al:0. 002~0. 07%、Ca:0. 0005~0. 0050%，其余部分由化和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，金屬 組織是主相的鐵素體W及第2相的貝氏體和偽珠光體。
[0027] [2]如[1]所述的疲勞特性優(yōu)異的高強度鋼材，其特征在于，成分組成W質(zhì)量％計 進一步含有選自Ti:0. 003~0. 03%、Nb:0. 005~0. 05 %中的一種或二種。
[0028] [3]如[1]或[2]所述的疲勞特性優(yōu)異的高強度鋼材，其特征在于，成分組成W質(zhì) 量％計進一步含有選自Cr:〇. 1 ~0. 5%、Mo:0. 02 ~0. 3%、V:0.Ol~0. 08%、Cu:0. 1 ~ 0.6%、Ni:0. 1 ~0. 5% 中的一種W上。
[0029]W如山~W中任一項所述的疲勞特性優(yōu)異的高強度鋼材，其特征在于，成分 組成進一步含有0:0. 0040%W下，且滿足下述式（1)。
[0030] 0 < (Ca-(0. 18+130XCa)X0)/1. 25/S《0.8? ? ? (1) 陽03U 其中，式（I)中的化、0、S表示各成分的含量（質(zhì)量％ )。
[0032][引一種疲勞特性優(yōu)異的高強度鋼材的制造方法，其特征在于，將具有[1]~[4] 中任一項所述的成分組成的鋼原材料加熱至950~1250°C后，在A。點W上進行累積壓下 率50%W上的社制，W5°C/秒W上的冷卻速度從A。點-60°CW上的溫度區(qū)域加速冷卻至 350°C~600°C的溫度區(qū)域。
[0033] [6]如[引所述的疲勞特性優(yōu)異的高強度鋼材的制造方法，其特征在于，上述冷卻 速度是具有上述[1]~巧]中任一項所述的成分組成的鋼原材料的CCT圖中的冷卻曲線處 于鐵素體相變突出部時的冷卻速度W下。
[0034] [7]如[引或[6]所述的疲勞特性優(yōu)異的高強度鋼材的制造方法，其特征在于，上 述加速冷卻后，進一步WAci點W下的溫度進行回火處理。
[0035] 根據(jù)本發(fā)明，可得到耐疲勞龜裂產(chǎn)生和耐疲勞龜裂發(fā)展性優(yōu)異的鋼材及其制造方 法。例如，即使從應(yīng)力集中部、焊接部等經(jīng)年地產(chǎn)生疲勞龜裂，也可延緩其后的傳播而提高 鋼結(jié)構(gòu)物的安全性，在產(chǎn)業(yè)上極其有用。
【附圖說明】
[0036] 圖1是表示鋼原材料的CCT圖（連續(xù)冷卻相變圖）的示意圖。
【具體實施方式】
[0037] 對本發(fā)明的成分組成、制造條件和金屬組織的規(guī)定詳細地進行說明。
[0038] 1.關(guān)于成分組成
[0039]W下，對本發(fā)明的成分組成進行說明。另外，成分組成中的％全部設(shè)為質(zhì)量％。
[0040] C:0.10 ~0.20%
[0041] 對于C，為了得到作為結(jié)構(gòu)用鋼所需的強度，需要0. 10%W上的含量。然而，若含 有量大于0.20%，則會損害焊接性，因此C量設(shè)為0.10~0.20%的范圍。優(yōu)選為0.10~ 0.18%的范圍。更優(yōu)選為0.11~0.17%的范圍。
[0042]Si:0.50%W下
[0043]Si是作為脫氧元素有益的元素，通過含有0.01 %W上而發(fā)揮其效果。然而，若含 有量大于0. 50%，則母材和焊接熱影響部的初性顯著下降，并且焊接性顯著下降。因此，Si 量設(shè)為0.50%W下。優(yōu)選為0.05~0.40%的范圍。
[0044] Mn: 1.0 ~2.0%
[0045] Mn是從確保母材強度的觀點出發(fā)添加的。然而，含有量小于1. 0%時其效果不充 分。此外，若含有量大于2.0%，則過量地提高澤透性，使熱影響部的初性顯著下降。因此， Mn量設(shè)為I.O~2.0%的范圍。優(yōu)選為I.O~I.8%的范圍。更優(yōu)選為I.O~I.6%的范 圍。
[0046]P:0.030%W下
[0047] P若含有量大于0.030%，則使母材和熱影響部的初性顯著下降。因此，P量設(shè)為 0.030%W下。優(yōu)選為0.02%W下。
[0048] S:0. 0005 ~0. 0040%
[0049] 對于S，為了生成所需的CaS或MnS,需要0. 0005%W上，若含有量大于0. 0040%， 則使母材的初性變差。因此，S量設(shè)為0. 0005~0. 0040%的范圍。優(yōu)選