疲労亀裂進展抑制に優れた鋼板
【課題】ベイナイトを主体とする鋼板において、各結晶方位関係を適切に規定することによって、疲労亀裂進展抑制に優れたものとした鋼板を提供する。
【解決手段】本発明の鋼板は、ベイナイト相を主体とする組織からなり、１５°以上の大角粒界で囲まれた領域を結晶粒としたとき、当該結晶粒の平均円相当径が１５μｍ以下であって、且つ隣接する結晶粒同士の方位差が５５〜６０°である割合が０．３以上である。
【解決手段】本発明の鋼板は、ベイナイト相を主体とする組織からなり、１５°以上の大角粒界で囲まれた領域を結晶粒としたとき、当該結晶粒の平均円相当径が１５μｍ以下であって、且つ隣接する結晶粒同士の方位差が５５〜６０°である割合が０．３以上である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として船舶や橋梁の構造材として用いられる鋼板に関するものであり、特に亀裂の進展速度を抑制して良好な疲労寿命を確保することのできる鋼板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
造船や橋梁分野を始めとする各種構造材料では、繰り返し応力が加わるものが少なくないことから、構造材料の安全性を確保するためには、素材として用いられている鋼材には疲労特性が良好であることが設計上極めて重要である。
【０００３】
鋼材の疲労過程は、応力集中部での亀裂の発生と、一旦発生した亀裂の進展という２つの過程に大別して考えられる。そして、通常の機械部品では巨視的な亀裂の発生が、使用限界として考えられており、設計上亀裂の進展についてはそれほど考慮されていない。しかしながら、溶接構造物においては、疲労亀裂が発生しても直ちに破壊に至ることはなく、亀裂進展速度を遅くすることができれば、破壊に至るまでの寿命を短くすることができ、定期検査などで亀裂を発見することが可能であり、早期に取り替えずとも続けて使用することが可能である。
【０００４】
ところで、溶接構造物では、応力集中部としての溶接止端部や欠陥部が多数存在しており、疲労亀裂の発生を完全に防止することは実際問題として不可能であり、こうした設計は経済的にも得策とはいえない。即ち、溶接構造物の疲労寿命を良好にするためには、亀裂の発生そのものを防止するよりも、亀裂が既に存在している状態からの亀裂進展寿命を大幅に延長することが有効であり、そのためには鋼材の亀裂の進展速度をできるだけ遅くするような設計が重要な事項となる。
【０００５】
疲労亀裂進展の速度を抑制する技術としてもこれまで様々なものが提案されており、例えば特許文献１には、鋼板表面の法線方向をＮＤとしたとき、α鉄の（１００）面がＮＤと平行な方位{（１００）//ＮＤ}を有する結晶粒と、α鉄の（１１１）面がＮＤと平行な方位{（１１１）//ＮＤ}を有する結晶粒との間の境界が亀裂の進展方向に沿って少なくとも３０μｍに１箇所以上横切ることや、鋼板表面に平行な測定面で鋼板内部のα（１１１）面強度比とα（１００）面強度比の比が１．２５〜２．０とすることによって疲労亀裂進展（伝播）特性に優れた鋼板とすることが提案されている。
【０００６】
高い応力下で使用される鋼板であるほど疲労特性に対する関心は高くなるのであるが、上記技術でフェライトを主体（例えば、７０面積％以上）とするものであるので、３９０〜４９０ＭＰａ程度の強度クラスにしか対応できず、特に疲労亀裂が問題となる部分には適用できないという問題がある。
【０００７】
また上記技術では、結晶方位を上記のように制御するために、フェライトを７０面積％以上析出させたγ−α二相域の低温度温度領域またはα温度域で強加工をすることが示されている。こうしたフェライト組織に対して、ベイナイト相を主体とする組織（これを「単にベイナイト組織」と呼ぶことがある）では、オーステナイトと一定の方位関係を持って生成することが知られており、上記技術と同様の手段では、結晶方位を制御することはできない。
【０００８】
一方、特許文献２では、ベイナイト組織またはマルテンサイト組織で、最大引張・圧縮歪で±０．０１２、繰り返し速度０．５Ｈｚ、最大歪までの波数１２の漸増・漸減繰り返し負荷を１５回与えたときの、１回の最大歪時の応力σ１と１５回の最大歪時の応力σ１５との比σ１／σ１５で示される繰り返し軟化パラメータが０．６５以上０．９５以下であるような疲労亀裂進展特性に優れた鋼材が提案されている。そして、この技術では、亀裂先端の転位の移動、消滅による軟化によって歪が緩和され、亀裂進展が抑制されることが示されている。この技術では、汎用鋼と類似の成分系において一般的な製法製造することによって、亀裂進展特性に優れた鋼板とすることができるとしているが、必ずしも一般材との区別が明確にされている訳ではなく、上記のような軟化パラメータを規定するだけで希望する特性が発揮されるとはいえない。更に、破面遷移温度vTrsが０℃を超える実施例が存在し、構造物としての特性を十分に満足できない可能性がある。
【特許文献１】特開２０００−１７３７９号公報 特許請求の範囲等
【特許文献２】特開２００４−２７３５５号公報 特許請求の範囲等
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、ベイナイトを主体とする鋼板において、各結晶方位関係を適切に規定することによって、疲労亀裂進展抑制に優れたものとした鋼板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成することのできた本発明の鋼板とは、ベイナイトを主体とする組織からなり、２つの結晶の方位差が１５°以上の大角粒界で囲まれた領域を結晶粒としたとき、当該結晶粒の平均円相当径が１５μｍ以下であって、且つ隣接する結晶粒同士の方位差が５５〜６０°である割合が０．３以上である点に要旨を有するものである。尚、本発明において、「ベイナイトを主体とする」とは、ベイナイト相が組織中に９０面積％以上を占める状態を意味する。
【００１１】
本発明の高張力鋼板においては、その化学成分組成については通常の鋼板としての成分組成であれば、その効果が発揮されるものであるが、好ましい化学成文組成としては、Ｃ：０．０１〜０．１０％(質量％の意味、以下同じ)、Ｓｉ：０．０１〜０．６％、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ａｌ：０．００５〜０．１０％を夫々含有する他、Ｃｕ：０．０３〜３．０％、Ｃｒ：０．０３〜３．０％、Ｎｉ：０．０３〜３．０％、Ｍｏ：０．０３〜１．０％、Ｖ：０．００３〜０．１％、Ｎｂ：０．００３〜０．１％、Ｔｉ：０．００３〜０．１％およびＢ：０．０００３〜０．００３％よりなる群から選択される１種または２種以上を含み、残部が鉄および不可避不純物であるものが挙げられる。また不可避不純物中のＰやＳは、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２％以下に夫々抑制することが好ましい。
【００１２】
本発明の鋼板においては、必要によって、下記（１）式で規定される炭素当量Ceqが０．４０〜０．７０であることや、更にＣａを０．０００５〜０．００５％および／または希土類元素（ＲＥＭ）：０．０００５〜０．０３０％含有するものであることが好ましく、付加する要件に応じて鋼板の特性が更に改善される。
Ceq＝[C]＋[Si]/24＋[Mn]/6＋[Ni]/40＋[Cr]/5＋[Mo]/4＋[V]/14…（１）
但し、[C]，[Si]，[Mn]，[Ni]，[Cr]，[Mo]および[V]は、夫々Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒ，ＭｏおよびＶの含有量（質量％）を示す。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の鋼板においては、ベイナイトを主体とする組織を有する鋼板において、各結晶方位関係を適切に規定することによって、疲労亀裂進展抑制に優れた鋼板が実現でき、こうした鋼板は、造船や橋梁分野を始めとする各種構造材料の素材として有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明者らは、前記課題を解決するために、特にベイナイト組織である鋼板に着目し、その鋼板における疲労亀裂進展速度を抑制するための手段について様々な角度から検討した。その結果、次のような知見が得られた。即ち、上記のようなベイナイト組織ではオーステナイトに対して、何通りかの方位関係を持って生成することになるのであるが、鋼板の化学成分組成、組織の生成温度、その他の条件等によって選択される各結晶格子の方位関係が変化することになり、一定の結晶方位差を有する結晶粒界では、特に疲労亀裂進展が抑制されることが判明したのである。そして、結晶方位分布を適切に規定すれば、疲労亀裂進展の抑制を良好に実現できる鋼板が実現できることを見出し、本発明を完成した。以下、本発明が完成させた経緯に沿って、本発明の作用効果について説明する。
【００１５】
ベイナイト相を主体とするような単相組織では、粒界が亀裂進展の抵抗となるものと考えられるが、亀裂進展の際に粒界と亀裂が衝突する頻度を高めれば、亀裂の進展が抑制できるものと考えられた。即ち、粒界を細かくすることによって、亀裂との衝突頻度を高めれば良いとの知見が得られた。但し、粒界を形成する両端の方位差が小さい（例えば、１５°未満）小角粒界（小傾角境界）では、粒界エネルギーが小さくなってその効果が小さいので、前記方位差が１５°以上の大角粒界（大傾角境界）を対象とする必要がある。また、大角粒界のうちでも、隣接する結晶粒同士の方位差が５５〜６０°である割合が高くなるほど、亀裂進展には有効であることも判明したのである（後記図１参照）。
【００１６】
つまり、前記方位差が１５°以上である大角粒界に囲まれた結晶粒で、同一面積の円に換算したときの直径（円相当直径）の平均値で１５μｍ以下とした結晶粒であって、隣接する結晶粒の方位差の分布において、方位差が５５〜６０°である割合が０．３以上（３０％以上）とすることによって、疲労亀裂進展抑制効果に優れた鋼板が実現できたのである。尚、前記「方位差」は、「ずれ角」若しくは「傾角」とも呼ばれているものであり、以下では「結晶方位差」と呼ぶことがある。またこうした結晶方位差を測定するには、ＥＢＳＰ法（Electoron Backscattering Pattern法）を採用すれば良い。
【００１７】
本発明の鋼板において、その化学成分組成については通常の鋼板としての成分組成であれば、その効果が発揮されるものであるが、好ましい化学成分組成としては、Ｃ：０．０１〜０．１０％、Ｓｉ：０．０１〜０．６％、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ａｌ：０．００１〜０．１０％を夫々含有する他、Ｃｕ：０．０３〜３．０％、Ｃｒ：０．０３〜３．０％、Ｎｉ：０．０３〜３．０％、Ｍｏ：０．０３〜１．０％、Ｖ：０．００３〜０．１％、Ｎｂ：０．００３〜０．１％、Ｔｉ：０．００３〜０．１％およびＢ：０．０００３〜０．００３％よりなる群から選択される１種または２種以上を含み、残部が鉄および不可避不純物であるものが挙げられる。これらの成分の範囲限定理由は、次の通りである。
【００１８】
Ｃ：０．０１〜０．１０％
Ｃは、鋼板の強度確保のために必要な元素である。鋼板としての最低強度、即ち概ね４９０ＭＰａ程度（使用する鋼材の肉厚にもよるが）を得るためには、０．０１％以上含有させるのが良い。しかし、０．１０％を超えて過剰に含有させると溶接性が劣化すると共に、ブロックサイズが粗大化して小角粒界の割合が増加して、５５〜６０°の結晶方位差を有する大角粒界の割合が減少する傾向を示すことになる。こうしたことから、Ｃ含有量は０．０１〜０．１０％とした。尚、Ｃ含有量のより好ましい下限は０．０３％であり、好ましい上限は０．０８％である。
【００１９】
Ｓｉ：０．０１〜０．６％
Ｓｉは脱酸と強度確保のための必要な元素であり、０．１％に満たないと構造部材としての最低強度を確保できない。しかし、０．６％を超えて過剰に含有させると溶接性が劣化する。尚、Ｓｉ含有量のより好ましい上限は０．４０％である。
【００２０】
Ｍｎ：０．６〜２．０％
Ｍｎは鋼板の強度および靭性確保のために有効な元素であり、こうした効果を発揮させるためには０．６％以上含有させることが好ましい。しかし、２．０％を超えて過剰に含有させると溶接性、割れ感受性が劣化するので２．０％以下とするのが良い。尚、Ｍｎ含有量のより好ましい下限は０．８％である。
【００２１】
Ａｌ：０．００１〜０．１０％
Ａｌは脱酸のために有用な元素であり、０．００１％に満たないと脱酸効果がない。しかし、０．１０％を超えて含有させると溶接部の靭性を劣化させるので０．１０％以下とするのが良い。
【００２２】
Ｃｕ：０．０３〜１．０％、Ｃｒ：０．０３〜１．０％、Ｎｉ：０．０３〜１．０％、Ｍｏ：０．０３〜１．０％、Ｖ：０．００３〜０．１％、Ｎｂ：０．００３〜０．１％、Ｔｉ：０．００３〜０．１％およびＢ：０．０００３〜０．００３％よりなる群から選択される１種または２種以上
これらの元素は、変態を抑制し、ベイナイト変態開始温度Ｂｓを低下させることによって、組織単位を細かくする作用を発揮する。またベイナイトは、変態の際にＫ−Ｓ関係（Kurdjiumov-Sachsの関係）を持って変態するが、低温で変態することで、単一のバリアント（いわゆる兄弟晶）からなる微細なブロックが生成するようになる。こうした効果を発揮させるためには、上記した各下限値以上含有させることが好ましいが、多量に含有させると溶接性を損なうので各上限値以下とするのが良い。
【００２３】
本発明の鋼板における基本成分は上記の通りであり、残部は鉄および不可避不純物（例えば、Ｐ，Ｓ，Ｎ，Ｏ等）からなるものであるが、この不可避不純物中のＰやＳは、下記の観点から夫々０．０２５％以下および０．０２％以下に夫々抑制することが好ましい。また、ベイナイト組織を得るため、および溶接性を良好に維持するという観点からして、前記（１）式で示されるCeqを０．４０〜０．７０（％）の範囲に制御することが好ましい。
【００２４】
Ｐ：０．０２５％以下およびＳ：０．０２％以下
Ｐは結晶粒に偏析し、延性や靭性に有害に作用する不純物であるので、できるだけ少ない方が好ましいのであるが（０％を含む）、実用鋼の清浄度の程度を考慮して０．０２５％以下に抑制するのが良い。またＳは、鋼板中の合金元素と化合して種々の介在物を形成し、鋼板の延性や靭性に有害に作用する不純物であるので、できるだけ少ない方が好ましいのであるが（０％を含む）、実用鋼の清浄度の程度を考慮して０．０２％以下に抑制するのが良い。
【００２５】
また、本発明の鋼板には、上記成分の他必要によって、Ｃａ：０．０００５〜０．００５％および／またはＲＥＭ：０．０００５〜０．００３０％を含有させることも有効であり、これらの元素を含有させることによって鋼板の特性が更に改善されることになる。
【００２６】
Ｃａ：０．０００５〜０．００５％および／またはＲＥＭ：０．０００５〜０．０３０％
ＣａおよびＲＥＭは、Ｓの固定による靭性の向上に有効な元素であり、その効果を発揮させるためには、いずれも０．０００５％以上含有させることが好ましい。しかしながら、過剰に含有させでもその効果が飽和するので、Ｃａで０．００５％以下、ＲＥＭで０．０３０％以下とすることが好ましい。Ｃａを含有させるときのより好ましい下限は０．００１％である。
【００２７】
本発明の鋼板は、ベイナイトを主体とする組織からなるものであるが、オーステナイト状態で冷却を行うことによって、過冷状態となり、Ａｒ３変態点を低下すると共にベイナイト組織とすることができる。こうしたベイナイト相は、オーステナイトと何通りかの一定の方向の方位関係をもって変態するが、特に低温で変態させると、選択できるバリアントが限定され、ある結晶方位差に大きなピークを持つようになる。変態点を低下させるには、合金元素の添加や冷却速度の増加等が有効である。
【００２８】
具体的な製造条件としては、９５０〜１２５０℃の温度範囲に加熱し、Ａｒ３変態点〜９００℃の温度範囲で圧延を終了した後、加速冷却（例えば、水冷）を行なえば良い。このときの加熱温度が９５０℃未満になると、十分にオーステナイト状態とはならない。しかし、加熱温度が１２５０℃を超えると、オーステナイト粒が粗大化してしまい、変態後の大角粒界径も粗大化するので好ましくない。
【００２９】
圧延後の冷却については、１０℃／秒以上の冷却速度で加速冷却を行なうことが好ましい。また加速冷却の停止温度については、組織がベイナイト主体となる温度まで冷却する必要があるので、４５０℃以下とする。
【００３０】
他の方法としては、９５０〜１２５０℃の温度範囲に加熱し、再結晶温度域で圧延を行なった後、１℃／秒以上の冷却速度で６００〜７００℃の温度域まで冷却を行ない、引き続きその温度で過冷オースナイトの状態で圧下率３０％以上の圧延を行ない、その後再度加速冷却を行なう方法が挙げられる。この方法では、オーステナイトに低温で圧延を加えることによって、多くの変形帯を導入することができ、オースフォーム（加工熱処理）効果により核生成サイトが増加するので、組織を微細化し、疲労亀裂進展抑制効果を高めることができる。
【００３１】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含されるものである。
【実施例】
【００３２】
実施例１
下記表１に示す化学成分組成の鋼材を転炉で溶製し、種々の冷却、圧延条件によって鋼板を製造した。このときの製造条件を下記表２に示す。尚、下記表２中、「ＡｃＣ」は加速冷却（水による冷却）、「ＡＣ」は空冷、「ＱＴ」は焼入れ・焼き戻し、を夫々意味する。
【００３３】
【表１】
【００３４】
【表２】
【００３５】
得られた各鋼板について、機械的特性（降伏点ＹＰ、引張り強さＴＳ、伸びＥｌ）を測定すると共に、大角粒界径（平均円相当径）、結晶方位差が５５〜６０°の割合、疲労亀裂進展速度、破面遷移温度vTrs等を下記の方法によって測定した。これらの結果を一括して、下記表３に示す。
【００３６】
［大角粒界径（平均円相当径）］
鋼板の圧延方向に平行な断面において、ＦＥ−ＳＥＭ−ＥＢＳＰ（電子放出型走査電子顕微鏡を用いた電子後方散乱回折像法）によって測定した。具体的には、Ｔｅｘ ＳＥＭ Ｌａｂｏｒａｔｒｉｅｓ社のＥＢＳＰ装置（商品名：「ＯＩＭ」）を、ＥＦ−ＳＥＭと組み合わせて用い、傾角（結晶方位差）が１５°以上の境界を結晶粒界として、結晶粒径を測定した。このときの測定条件は、測定領域：２００μｍ、測定ステップ：０．５μｍ間隔とし、測定方位の信頼性を示すコンフィテンス・インデックス（Confidence Index）が０．１よりも小さい測定点は解析対象から除外した。このようにして求められる結晶粒径の平均値を算出して、本発明における平均結晶粒径とした。尚、結晶粒径が２．０μｍ以下のものについては、測定ノイズと判断し、結晶粒径の平均値計算の対象から除外した。
【００３７】
［結晶方位差が５５〜６０°の割合］
ＯＩＭ自動分析ソフトにより、各粒界における方位差を測定することによって、結晶方位差が５５〜６０°の割合を求めた（計算した）。
【００３８】
［疲労亀裂進展速度］
ＡＳＴＭ Ｅ６４７に準拠し、コンパクト型試験片を用いて、疲労亀裂進展試験を実施することによって、疲労亀裂進展速度を求めた。この際、下記（２）式によって規定されるパリス則が成り立つ安定成長領域ΔＫ＝２０（ＭＰａ・√ｍ）での値を代表値として評価した。尚、疲労亀裂進展速度の評価、基準については、通常の鋼材が４〜６×１０−５ｍｍ／ｃｙｃｌｅ（ΔＫ＝２０のとき）程度の進展速度であることから、３．０×１０−５ｍｍ／ｃｙｃｌｅ以下を基準とした。
ｄａ／ｄｎ＝Ｃ（ΔＫ）ｍ…（２）
但し、ａ：亀裂長さ，ｎ：繰り返し数，Ｃ，ｍ：材料、荷重等の条件で決まる定数を夫々示す。
【００３９】
［破面遷移温度vTrs］
機械加工によって作製したＪＩＳ４号衝撃試験片を用い、ＪＩＳ Ｚ２２４２に準拠した試験方法で衝撃試験を行い、ＪＩＳに準拠した方法で脆性破面率（若しくは「延性破面率」）を求め、（試験温度ｖｓ脆性破面率）の曲線から、脆性破面率が５０％となる遷移温度vTrsを求めた。
【００４０】
【表３】
【００４１】
表３の結果から次のように考察できる。ます試験Ｎｏ．１〜５のものは、本発明で規定する要件を満足するものであり、十分な疲労亀裂進展抑制効果（進展速度で３．０×１０−５ｍｍ／ｃｙｃｌｅ以下）が発揮されていることが分かる。
【００４２】
これに対して、試験Ｎｏ．６〜１４のものでは、本発明で規定する要件のいずれかを欠くものであり、いずれも疲労進展抑制効果が発揮されていない。即ち、試験Ｎｏ．５〜１２のものでは、いずれも加速冷却を行なっていないので、結晶方位差が５５〜６０°である割合が低いので、疲労亀裂進展速度が速くなっている。また、試験Ｎｏ．１３のものでは、結晶方位差が５５〜６０°である割合が高いものの、大角粒界径が大きくなっており、疲労亀裂進展速度が速くなっている。更に、試験Ｎｏ．１４のものでは、（フェライト＋パーライト）の組織になっており、結晶方位差が５５〜６０°である割合が低いので、疲労亀裂進展速度が速くなっている。
【００４３】
表３の結果に基づき、結晶方位差が５５〜６０°の割合と疲労亀裂進展速度の関係を図１に示すが、粒径が粗大化したもの（試験Ｎｏ．１４）を除いて、上記割合を０．３以上とすることで疲労亀裂進展速度が十分低くなっていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施例における結晶方位差が５５〜６０°の割合と疲労亀裂進展速度の関係を示すグラフである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として船舶や橋梁の構造材として用いられる鋼板に関するものであり、特に亀裂の進展速度を抑制して良好な疲労寿命を確保することのできる鋼板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
造船や橋梁分野を始めとする各種構造材料では、繰り返し応力が加わるものが少なくないことから、構造材料の安全性を確保するためには、素材として用いられている鋼材には疲労特性が良好であることが設計上極めて重要である。
【０００３】
鋼材の疲労過程は、応力集中部での亀裂の発生と、一旦発生した亀裂の進展という２つの過程に大別して考えられる。そして、通常の機械部品では巨視的な亀裂の発生が、使用限界として考えられており、設計上亀裂の進展についてはそれほど考慮されていない。しかしながら、溶接構造物においては、疲労亀裂が発生しても直ちに破壊に至ることはなく、亀裂進展速度を遅くすることができれば、破壊に至るまでの寿命を短くすることができ、定期検査などで亀裂を発見することが可能であり、早期に取り替えずとも続けて使用することが可能である。
【０００４】
ところで、溶接構造物では、応力集中部としての溶接止端部や欠陥部が多数存在しており、疲労亀裂の発生を完全に防止することは実際問題として不可能であり、こうした設計は経済的にも得策とはいえない。即ち、溶接構造物の疲労寿命を良好にするためには、亀裂の発生そのものを防止するよりも、亀裂が既に存在している状態からの亀裂進展寿命を大幅に延長することが有効であり、そのためには鋼材の亀裂の進展速度をできるだけ遅くするような設計が重要な事項となる。
【０００５】
疲労亀裂進展の速度を抑制する技術としてもこれまで様々なものが提案されており、例えば特許文献１には、鋼板表面の法線方向をＮＤとしたとき、α鉄の（１００）面がＮＤと平行な方位{（１００）//ＮＤ}を有する結晶粒と、α鉄の（１１１）面がＮＤと平行な方位{（１１１）//ＮＤ}を有する結晶粒との間の境界が亀裂の進展方向に沿って少なくとも３０μｍに１箇所以上横切ることや、鋼板表面に平行な測定面で鋼板内部のα（１１１）面強度比とα（１００）面強度比の比が１．２５〜２．０とすることによって疲労亀裂進展（伝播）特性に優れた鋼板とすることが提案されている。
【０００６】
高い応力下で使用される鋼板であるほど疲労特性に対する関心は高くなるのであるが、上記技術でフェライトを主体（例えば、７０面積％以上）とするものであるので、３９０〜４９０ＭＰａ程度の強度クラスにしか対応できず、特に疲労亀裂が問題となる部分には適用できないという問題がある。
【０００７】
また上記技術では、結晶方位を上記のように制御するために、フェライトを７０面積％以上析出させたγ−α二相域の低温度温度領域またはα温度域で強加工をすることが示されている。こうしたフェライト組織に対して、ベイナイト相を主体とする組織（これを「単にベイナイト組織」と呼ぶことがある）では、オーステナイトと一定の方位関係を持って生成することが知られており、上記技術と同様の手段では、結晶方位を制御することはできない。
【０００８】
一方、特許文献２では、ベイナイト組織またはマルテンサイト組織で、最大引張・圧縮歪で±０．０１２、繰り返し速度０．５Ｈｚ、最大歪までの波数１２の漸増・漸減繰り返し負荷を１５回与えたときの、１回の最大歪時の応力σ１と１５回の最大歪時の応力σ１５との比σ１／σ１５で示される繰り返し軟化パラメータが０．６５以上０．９５以下であるような疲労亀裂進展特性に優れた鋼材が提案されている。そして、この技術では、亀裂先端の転位の移動、消滅による軟化によって歪が緩和され、亀裂進展が抑制されることが示されている。この技術では、汎用鋼と類似の成分系において一般的な製法製造することによって、亀裂進展特性に優れた鋼板とすることができるとしているが、必ずしも一般材との区別が明確にされている訳ではなく、上記のような軟化パラメータを規定するだけで希望する特性が発揮されるとはいえない。更に、破面遷移温度vTrsが０℃を超える実施例が存在し、構造物としての特性を十分に満足できない可能性がある。
【特許文献１】特開２０００−１７３７９号公報 特許請求の範囲等
【特許文献２】特開２００４−２７３５５号公報 特許請求の範囲等
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、ベイナイトを主体とする鋼板において、各結晶方位関係を適切に規定することによって、疲労亀裂進展抑制に優れたものとした鋼板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成することのできた本発明の鋼板とは、ベイナイトを主体とする組織からなり、２つの結晶の方位差が１５°以上の大角粒界で囲まれた領域を結晶粒としたとき、当該結晶粒の平均円相当径が１５μｍ以下であって、且つ隣接する結晶粒同士の方位差が５５〜６０°である割合が０．３以上である点に要旨を有するものである。尚、本発明において、「ベイナイトを主体とする」とは、ベイナイト相が組織中に９０面積％以上を占める状態を意味する。
【００１１】
本発明の高張力鋼板においては、その化学成分組成については通常の鋼板としての成分組成であれば、その効果が発揮されるものであるが、好ましい化学成文組成としては、Ｃ：０．０１〜０．１０％(質量％の意味、以下同じ)、Ｓｉ：０．０１〜０．６％、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ａｌ：０．００５〜０．１０％を夫々含有する他、Ｃｕ：０．０３〜３．０％、Ｃｒ：０．０３〜３．０％、Ｎｉ：０．０３〜３．０％、Ｍｏ：０．０３〜１．０％、Ｖ：０．００３〜０．１％、Ｎｂ：０．００３〜０．１％、Ｔｉ：０．００３〜０．１％およびＢ：０．０００３〜０．００３％よりなる群から選択される１種または２種以上を含み、残部が鉄および不可避不純物であるものが挙げられる。また不可避不純物中のＰやＳは、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２％以下に夫々抑制することが好ましい。
【００１２】
本発明の鋼板においては、必要によって、下記（１）式で規定される炭素当量Ceqが０．４０〜０．７０であることや、更にＣａを０．０００５〜０．００５％および／または希土類元素（ＲＥＭ）：０．０００５〜０．０３０％含有するものであることが好ましく、付加する要件に応じて鋼板の特性が更に改善される。
Ceq＝[C]＋[Si]/24＋[Mn]/6＋[Ni]/40＋[Cr]/5＋[Mo]/4＋[V]/14…（１）
但し、[C]，[Si]，[Mn]，[Ni]，[Cr]，[Mo]および[V]は、夫々Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒ，ＭｏおよびＶの含有量（質量％）を示す。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の鋼板においては、ベイナイトを主体とする組織を有する鋼板において、各結晶方位関係を適切に規定することによって、疲労亀裂進展抑制に優れた鋼板が実現でき、こうした鋼板は、造船や橋梁分野を始めとする各種構造材料の素材として有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明者らは、前記課題を解決するために、特にベイナイト組織である鋼板に着目し、その鋼板における疲労亀裂進展速度を抑制するための手段について様々な角度から検討した。その結果、次のような知見が得られた。即ち、上記のようなベイナイト組織ではオーステナイトに対して、何通りかの方位関係を持って生成することになるのであるが、鋼板の化学成分組成、組織の生成温度、その他の条件等によって選択される各結晶格子の方位関係が変化することになり、一定の結晶方位差を有する結晶粒界では、特に疲労亀裂進展が抑制されることが判明したのである。そして、結晶方位分布を適切に規定すれば、疲労亀裂進展の抑制を良好に実現できる鋼板が実現できることを見出し、本発明を完成した。以下、本発明が完成させた経緯に沿って、本発明の作用効果について説明する。
【００１５】
ベイナイト相を主体とするような単相組織では、粒界が亀裂進展の抵抗となるものと考えられるが、亀裂進展の際に粒界と亀裂が衝突する頻度を高めれば、亀裂の進展が抑制できるものと考えられた。即ち、粒界を細かくすることによって、亀裂との衝突頻度を高めれば良いとの知見が得られた。但し、粒界を形成する両端の方位差が小さい（例えば、１５°未満）小角粒界（小傾角境界）では、粒界エネルギーが小さくなってその効果が小さいので、前記方位差が１５°以上の大角粒界（大傾角境界）を対象とする必要がある。また、大角粒界のうちでも、隣接する結晶粒同士の方位差が５５〜６０°である割合が高くなるほど、亀裂進展には有効であることも判明したのである（後記図１参照）。
【００１６】
つまり、前記方位差が１５°以上である大角粒界に囲まれた結晶粒で、同一面積の円に換算したときの直径（円相当直径）の平均値で１５μｍ以下とした結晶粒であって、隣接する結晶粒の方位差の分布において、方位差が５５〜６０°である割合が０．３以上（３０％以上）とすることによって、疲労亀裂進展抑制効果に優れた鋼板が実現できたのである。尚、前記「方位差」は、「ずれ角」若しくは「傾角」とも呼ばれているものであり、以下では「結晶方位差」と呼ぶことがある。またこうした結晶方位差を測定するには、ＥＢＳＰ法（Electoron Backscattering Pattern法）を採用すれば良い。
【００１７】
本発明の鋼板において、その化学成分組成については通常の鋼板としての成分組成であれば、その効果が発揮されるものであるが、好ましい化学成分組成としては、Ｃ：０．０１〜０．１０％、Ｓｉ：０．０１〜０．６％、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ａｌ：０．００１〜０．１０％を夫々含有する他、Ｃｕ：０．０３〜３．０％、Ｃｒ：０．０３〜３．０％、Ｎｉ：０．０３〜３．０％、Ｍｏ：０．０３〜１．０％、Ｖ：０．００３〜０．１％、Ｎｂ：０．００３〜０．１％、Ｔｉ：０．００３〜０．１％およびＢ：０．０００３〜０．００３％よりなる群から選択される１種または２種以上を含み、残部が鉄および不可避不純物であるものが挙げられる。これらの成分の範囲限定理由は、次の通りである。
【００１８】
Ｃ：０．０１〜０．１０％
Ｃは、鋼板の強度確保のために必要な元素である。鋼板としての最低強度、即ち概ね４９０ＭＰａ程度（使用する鋼材の肉厚にもよるが）を得るためには、０．０１％以上含有させるのが良い。しかし、０．１０％を超えて過剰に含有させると溶接性が劣化すると共に、ブロックサイズが粗大化して小角粒界の割合が増加して、５５〜６０°の結晶方位差を有する大角粒界の割合が減少する傾向を示すことになる。こうしたことから、Ｃ含有量は０．０１〜０．１０％とした。尚、Ｃ含有量のより好ましい下限は０．０３％であり、好ましい上限は０．０８％である。
【００１９】
Ｓｉ：０．０１〜０．６％
Ｓｉは脱酸と強度確保のための必要な元素であり、０．１％に満たないと構造部材としての最低強度を確保できない。しかし、０．６％を超えて過剰に含有させると溶接性が劣化する。尚、Ｓｉ含有量のより好ましい上限は０．４０％である。
【００２０】
Ｍｎ：０．６〜２．０％
Ｍｎは鋼板の強度および靭性確保のために有効な元素であり、こうした効果を発揮させるためには０．６％以上含有させることが好ましい。しかし、２．０％を超えて過剰に含有させると溶接性、割れ感受性が劣化するので２．０％以下とするのが良い。尚、Ｍｎ含有量のより好ましい下限は０．８％である。
【００２１】
Ａｌ：０．００１〜０．１０％
Ａｌは脱酸のために有用な元素であり、０．００１％に満たないと脱酸効果がない。しかし、０．１０％を超えて含有させると溶接部の靭性を劣化させるので０．１０％以下とするのが良い。
【００２２】
Ｃｕ：０．０３〜１．０％、Ｃｒ：０．０３〜１．０％、Ｎｉ：０．０３〜１．０％、Ｍｏ：０．０３〜１．０％、Ｖ：０．００３〜０．１％、Ｎｂ：０．００３〜０．１％、Ｔｉ：０．００３〜０．１％およびＢ：０．０００３〜０．００３％よりなる群から選択される１種または２種以上
これらの元素は、変態を抑制し、ベイナイト変態開始温度Ｂｓを低下させることによって、組織単位を細かくする作用を発揮する。またベイナイトは、変態の際にＫ−Ｓ関係（Kurdjiumov-Sachsの関係）を持って変態するが、低温で変態することで、単一のバリアント（いわゆる兄弟晶）からなる微細なブロックが生成するようになる。こうした効果を発揮させるためには、上記した各下限値以上含有させることが好ましいが、多量に含有させると溶接性を損なうので各上限値以下とするのが良い。
【００２３】
本発明の鋼板における基本成分は上記の通りであり、残部は鉄および不可避不純物（例えば、Ｐ，Ｓ，Ｎ，Ｏ等）からなるものであるが、この不可避不純物中のＰやＳは、下記の観点から夫々０．０２５％以下および０．０２％以下に夫々抑制することが好ましい。また、ベイナイト組織を得るため、および溶接性を良好に維持するという観点からして、前記（１）式で示されるCeqを０．４０〜０．７０（％）の範囲に制御することが好ましい。
【００２４】
Ｐ：０．０２５％以下およびＳ：０．０２％以下
Ｐは結晶粒に偏析し、延性や靭性に有害に作用する不純物であるので、できるだけ少ない方が好ましいのであるが（０％を含む）、実用鋼の清浄度の程度を考慮して０．０２５％以下に抑制するのが良い。またＳは、鋼板中の合金元素と化合して種々の介在物を形成し、鋼板の延性や靭性に有害に作用する不純物であるので、できるだけ少ない方が好ましいのであるが（０％を含む）、実用鋼の清浄度の程度を考慮して０．０２％以下に抑制するのが良い。
【００２５】
また、本発明の鋼板には、上記成分の他必要によって、Ｃａ：０．０００５〜０．００５％および／またはＲＥＭ：０．０００５〜０．００３０％を含有させることも有効であり、これらの元素を含有させることによって鋼板の特性が更に改善されることになる。
【００２６】
Ｃａ：０．０００５〜０．００５％および／またはＲＥＭ：０．０００５〜０．０３０％
ＣａおよびＲＥＭは、Ｓの固定による靭性の向上に有効な元素であり、その効果を発揮させるためには、いずれも０．０００５％以上含有させることが好ましい。しかしながら、過剰に含有させでもその効果が飽和するので、Ｃａで０．００５％以下、ＲＥＭで０．０３０％以下とすることが好ましい。Ｃａを含有させるときのより好ましい下限は０．００１％である。
【００２７】
本発明の鋼板は、ベイナイトを主体とする組織からなるものであるが、オーステナイト状態で冷却を行うことによって、過冷状態となり、Ａｒ３変態点を低下すると共にベイナイト組織とすることができる。こうしたベイナイト相は、オーステナイトと何通りかの一定の方向の方位関係をもって変態するが、特に低温で変態させると、選択できるバリアントが限定され、ある結晶方位差に大きなピークを持つようになる。変態点を低下させるには、合金元素の添加や冷却速度の増加等が有効である。
【００２８】
具体的な製造条件としては、９５０〜１２５０℃の温度範囲に加熱し、Ａｒ３変態点〜９００℃の温度範囲で圧延を終了した後、加速冷却（例えば、水冷）を行なえば良い。このときの加熱温度が９５０℃未満になると、十分にオーステナイト状態とはならない。しかし、加熱温度が１２５０℃を超えると、オーステナイト粒が粗大化してしまい、変態後の大角粒界径も粗大化するので好ましくない。
【００２９】
圧延後の冷却については、１０℃／秒以上の冷却速度で加速冷却を行なうことが好ましい。また加速冷却の停止温度については、組織がベイナイト主体となる温度まで冷却する必要があるので、４５０℃以下とする。
【００３０】
他の方法としては、９５０〜１２５０℃の温度範囲に加熱し、再結晶温度域で圧延を行なった後、１℃／秒以上の冷却速度で６００〜７００℃の温度域まで冷却を行ない、引き続きその温度で過冷オースナイトの状態で圧下率３０％以上の圧延を行ない、その後再度加速冷却を行なう方法が挙げられる。この方法では、オーステナイトに低温で圧延を加えることによって、多くの変形帯を導入することができ、オースフォーム（加工熱処理）効果により核生成サイトが増加するので、組織を微細化し、疲労亀裂進展抑制効果を高めることができる。
【００３１】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含されるものである。
【実施例】
【００３２】
実施例１
下記表１に示す化学成分組成の鋼材を転炉で溶製し、種々の冷却、圧延条件によって鋼板を製造した。このときの製造条件を下記表２に示す。尚、下記表２中、「ＡｃＣ」は加速冷却（水による冷却）、「ＡＣ」は空冷、「ＱＴ」は焼入れ・焼き戻し、を夫々意味する。
【００３３】
【表１】
【００３４】
【表２】
【００３５】
得られた各鋼板について、機械的特性（降伏点ＹＰ、引張り強さＴＳ、伸びＥｌ）を測定すると共に、大角粒界径（平均円相当径）、結晶方位差が５５〜６０°の割合、疲労亀裂進展速度、破面遷移温度vTrs等を下記の方法によって測定した。これらの結果を一括して、下記表３に示す。
【００３６】
［大角粒界径（平均円相当径）］
鋼板の圧延方向に平行な断面において、ＦＥ−ＳＥＭ−ＥＢＳＰ（電子放出型走査電子顕微鏡を用いた電子後方散乱回折像法）によって測定した。具体的には、Ｔｅｘ ＳＥＭ Ｌａｂｏｒａｔｒｉｅｓ社のＥＢＳＰ装置（商品名：「ＯＩＭ」）を、ＥＦ−ＳＥＭと組み合わせて用い、傾角（結晶方位差）が１５°以上の境界を結晶粒界として、結晶粒径を測定した。このときの測定条件は、測定領域：２００μｍ、測定ステップ：０．５μｍ間隔とし、測定方位の信頼性を示すコンフィテンス・インデックス（Confidence Index）が０．１よりも小さい測定点は解析対象から除外した。このようにして求められる結晶粒径の平均値を算出して、本発明における平均結晶粒径とした。尚、結晶粒径が２．０μｍ以下のものについては、測定ノイズと判断し、結晶粒径の平均値計算の対象から除外した。
【００３７】
［結晶方位差が５５〜６０°の割合］
ＯＩＭ自動分析ソフトにより、各粒界における方位差を測定することによって、結晶方位差が５５〜６０°の割合を求めた（計算した）。
【００３８】
［疲労亀裂進展速度］
ＡＳＴＭ Ｅ６４７に準拠し、コンパクト型試験片を用いて、疲労亀裂進展試験を実施することによって、疲労亀裂進展速度を求めた。この際、下記（２）式によって規定されるパリス則が成り立つ安定成長領域ΔＫ＝２０（ＭＰａ・√ｍ）での値を代表値として評価した。尚、疲労亀裂進展速度の評価、基準については、通常の鋼材が４〜６×１０−５ｍｍ／ｃｙｃｌｅ（ΔＫ＝２０のとき）程度の進展速度であることから、３．０×１０−５ｍｍ／ｃｙｃｌｅ以下を基準とした。
ｄａ／ｄｎ＝Ｃ（ΔＫ）ｍ…（２）
但し、ａ：亀裂長さ，ｎ：繰り返し数，Ｃ，ｍ：材料、荷重等の条件で決まる定数を夫々示す。
【００３９】
［破面遷移温度vTrs］
機械加工によって作製したＪＩＳ４号衝撃試験片を用い、ＪＩＳ Ｚ２２４２に準拠した試験方法で衝撃試験を行い、ＪＩＳに準拠した方法で脆性破面率（若しくは「延性破面率」）を求め、（試験温度ｖｓ脆性破面率）の曲線から、脆性破面率が５０％となる遷移温度vTrsを求めた。
【００４０】
【表３】
【００４１】
表３の結果から次のように考察できる。ます試験Ｎｏ．１〜５のものは、本発明で規定する要件を満足するものであり、十分な疲労亀裂進展抑制効果（進展速度で３．０×１０−５ｍｍ／ｃｙｃｌｅ以下）が発揮されていることが分かる。
【００４２】
これに対して、試験Ｎｏ．６〜１４のものでは、本発明で規定する要件のいずれかを欠くものであり、いずれも疲労進展抑制効果が発揮されていない。即ち、試験Ｎｏ．５〜１２のものでは、いずれも加速冷却を行なっていないので、結晶方位差が５５〜６０°である割合が低いので、疲労亀裂進展速度が速くなっている。また、試験Ｎｏ．１３のものでは、結晶方位差が５５〜６０°である割合が高いものの、大角粒界径が大きくなっており、疲労亀裂進展速度が速くなっている。更に、試験Ｎｏ．１４のものでは、（フェライト＋パーライト）の組織になっており、結晶方位差が５５〜６０°である割合が低いので、疲労亀裂進展速度が速くなっている。
【００４３】
表３の結果に基づき、結晶方位差が５５〜６０°の割合と疲労亀裂進展速度の関係を図１に示すが、粒径が粗大化したもの（試験Ｎｏ．１４）を除いて、上記割合を０．３以上とすることで疲労亀裂進展速度が十分低くなっていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施例における結晶方位差が５５〜６０°の割合と疲労亀裂進展速度の関係を示すグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベイナイト相を主体とする組織からなり、２つの結晶の方位差が１５°以上の大角粒界で囲まれた領域を結晶粒としたとき、当該結晶粒の平均円相当径が１５μｍ以下であって、且つ隣接する結晶粒同士の方位差が５５〜６０°である割合が０．３以上であることを特徴とする疲労亀裂進展抑制に優れた鋼板。
【請求項２】
Ｃ：０．０１〜０．１０％(質量％の意味、以下同じ)、Ｓｉ：０．０１〜０．６％、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ａｌ：０．００５〜０．１０％を夫々含有する他、Ｃｕ：０．０３〜３．０％、Ｃｒ：０．０３〜３．０％、Ｎｉ：０．０３〜３．０％、Ｍｏ：０．０３〜１．０％、Ｖ：０．００３〜０．１％、Ｎｂ：０．００３〜０．１％、Ｔｉ：０．００３〜０．１％およびＢ：０．０００３〜０．００３％よりなる群から選択される１種または２種以上を含み、残部が鉄および不可避不純物である請求項１に記載の鋼板。
【請求項３】
不可避不純物中のＰを０．０２５％以下、Ｓを０．０２％以下に夫々抑制したものである請求項２に記載の鋼板。
【請求項４】
下記（１）式で規定される炭素当量Ceqが０．４０〜０．７０である請求項２または３に記載の鋼板。
Ceq＝[C]＋[Si]/24＋[Mn]/6＋[Ni]/40＋[Cr]/5＋[Mo]/4＋[V]/14…（１）
但し、[C]，[Si]，[Mn]，[Ni]，[Cr]，[Mo]および[V]は、夫々Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒ，ＭｏおよびＶの含有量（質量％）を示す。
【請求項５】
更に、Ｃａ：０．０００５〜０．００５％および／または希土類元素：０．０００５〜０．０３０％を含有するものである請求項２〜４のいずれかに記載の鋼板。
【請求項１】
ベイナイト相を主体とする組織からなり、２つの結晶の方位差が１５°以上の大角粒界で囲まれた領域を結晶粒としたとき、当該結晶粒の平均円相当径が１５μｍ以下であって、且つ隣接する結晶粒同士の方位差が５５〜６０°である割合が０．３以上であることを特徴とする疲労亀裂進展抑制に優れた鋼板。
【請求項２】
Ｃ：０．０１〜０．１０％(質量％の意味、以下同じ)、Ｓｉ：０．０１〜０．６％、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ａｌ：０．００５〜０．１０％を夫々含有する他、Ｃｕ：０．０３〜３．０％、Ｃｒ：０．０３〜３．０％、Ｎｉ：０．０３〜３．０％、Ｍｏ：０．０３〜１．０％、Ｖ：０．００３〜０．１％、Ｎｂ：０．００３〜０．１％、Ｔｉ：０．００３〜０．１％およびＢ：０．０００３〜０．００３％よりなる群から選択される１種または２種以上を含み、残部が鉄および不可避不純物である請求項１に記載の鋼板。
【請求項３】
不可避不純物中のＰを０．０２５％以下、Ｓを０．０２％以下に夫々抑制したものである請求項２に記載の鋼板。
【請求項４】
下記（１）式で規定される炭素当量Ceqが０．４０〜０．７０である請求項２または３に記載の鋼板。
Ceq＝[C]＋[Si]/24＋[Mn]/6＋[Ni]/40＋[Cr]/5＋[Mo]/4＋[V]/14…（１）
但し、[C]，[Si]，[Mn]，[Ni]，[Cr]，[Mo]および[V]は、夫々Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒ，ＭｏおよびＶの含有量（質量％）を示す。
【請求項５】
更に、Ｃａ：０．０００５〜０．００５％および／または希土類元素：０．０００５〜０．０３０％を含有するものである請求項２〜４のいずれかに記載の鋼板。
【図１】
【公開番号】特開２００７−１６９６７８（Ｐ２００７−１６９６７８Ａ）
【公開日】平成１９年７月５日（２００７．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３６５３０３（Ｐ２００５−３６５３０３）
【出願日】平成１７年１２月１９日（２００５．１２．１９）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年７月５日（２００７．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月１９日（２００５．１２．１９）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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