耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材およびその製造方法
【課題】船体，橋梁等の構造用に好適な耐疲労亀裂伝播特性に優れた厚鋼板およびその製造方法を提供する。
【解決手段】母材の化学組成を適正化した鋼素材に対して，熱間圧延，２相域焼入れおよび焼もどし処理を行い，鋼板の金属組織を，硬質相を面積分率が１５〜８５％でビッカース硬さＨＶ３４０以上の焼きもどしマルテンサイト相とするとともに、さらに，軟質相のビッカース硬さをＨＶ１３０以下に制限したフェライト相とした混合組織とする。
【解決手段】母材の化学組成を適正化した鋼素材に対して，熱間圧延，２相域焼入れおよび焼もどし処理を行い，鋼板の金属組織を，硬質相を面積分率が１５〜８５％でビッカース硬さＨＶ３４０以上の焼きもどしマルテンサイト相とするとともに、さらに，軟質相のビッカース硬さをＨＶ１３０以下に制限したフェライト相とした混合組織とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材に関し、船体，海洋構造物，橋梁，建築構造物，建設機械，産業機械等の素材に供する厚鋼板に好適なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に，鋼構造物は，溶接施工により所望の構造に組み立てられる。鋼構造物が，使用環境下で繰返し応力を受ける場合には，溶接止端部などの大きな形状不連続部に応力が集中し，疲労亀裂の発生・進展を生じ，最終的には貫通・破断に至り大事故を引き起こす場合がある。
【０００３】
溶接構造物の寿命は疲労の進行により決定される場合が多く，ライフサイクルコスト低減の観点から，疲労破壊の抑制が要望されている。また，船体，海洋構造物，橋梁等の溶接構造物の破壊は，人命が危険に晒されことから，安全上の観点からも疲労亀裂の発生・進展を抑制することが求められている。
【０００４】
従来から，疲労亀裂の発生を抑制するための手段として，溶接止端部の形状を不連続なく，滑らかな形状とし，応力集中を避けるための溶接施工法の工夫がなされているが、溶接施工に多大な時間を要し，施工能率の低下や製造コスト上昇が問題となる。
【０００５】
また，構造物の設計が複雑な場合には，施工の工夫だけでは応力集中が避けがたく，必ずしも，疲労亀裂の発生を抑制するために有効な対策が講じられないのが現状である。
【０００６】
このような問題に対し，鋼材に疲労亀裂が発生した場合，疲労亀裂の伝播速度を低減することにより，疲労亀裂の進展を抑制することが有効である。疲労亀裂伝播速度が遅ければ，疲労亀裂が発生しても，構造物の破壊を生じる前に，定期点検等で亀裂を発見し補修することができる。
【０００７】
また，鋼材の疲労亀裂伝播速度を遅くすることができれば，定期点検の頻度，すなわち補修の頻度を低減することができ，鋼材のライフサイクルコスト的にも有利になる．
このような要望に対して、特許文献１，特許文献２，特許文献３，特許文献４，特許文献５には，疲労亀裂伝播速度を低減するための鋼板と製造方法が提案されている。
【０００８】
特許文献１および特許文献２に記載された技術は，フェライト母相中にベイナイト，マルテンサイト等の硬質第２相を分散させる方法である。
【０００９】
特許文献３に記載された技術は，フェライトの結晶方位を制御することによって，板厚方向の亀裂伝播速度を低減する方法が示されているが，
特許文献４に記載された技術は，フェライト粒径を１〜３μｍに微細化することによって疲労特性を向上する技術が示されている。
【００１０】
この方法では，結晶粒を微細化することによって同時に靭性も向上することができるが，通常の熱間圧延温度よりも低温域のオーステナイト／フェライト２相域において５０％以上という大きな累積圧下率の圧延を行う必要がある。
【００１１】
特許文献５には，ＳｉまたはＡｌの含有量を高めることによって鋼中に残留オーステナイトを含有させて疲労亀裂伝播特性を向上させる技術が示されている。
【特許文献１】特開平１０−６０５７５号公報
【特許文献２】特開平１１−３１０８４６号公報
【特許文献３】特開平８−１９９２８６号公報
【特許文献４】特開２００２−３６３６４４号公報
【特許文献５】特開２００４−７６１５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら，特許文献１および特許文献２に記載された技術は，疲労亀裂の伝播を十分に抑制できない場合があり，また，靭性の劣化を招くことが懸念される。
【００１３】
特許文献３に記載された技術は，板厚方向以外に進展する疲労亀裂伝播特性を向上することができない懸念がある。
【００１４】
特許文献４に記載された技術は、圧延機の負荷が大きくなることや，圧延機の占有時間が長くなり，圧延能率が低下することが懸念される。特許文献５に記載された技術は，ＳｉやＡｌの含有量を高めるので，母材および溶接熱影響部の靭性が劣化することが懸念される。
【００１５】
そこで、本発明は上述した従来技術の問題を解決する、耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼板およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者らは，上記した課題を達成するために，疲労亀裂伝播特性および機械的特性に及ぼす各種要因について鋭意研究し、以下の知見を得た。
（１） 耐疲労亀裂伝播特性の向上には、鋼板の構成組織を，軟質相として硬さの上限を規定したフェライト相と、硬質相として硬さの下限を規定した焼もどしマルテンサイト相とし、さらに混合組織の面積分率を制御することが重要である。
（２）この混合組織制御による耐疲労亀裂伝播特性を最大限に発揮するためには，厳格な成分調整が必須であり，フェライト相の硬さを上昇させることなく，オーステナイト域からの焼入れ時にはマルテンサイト生成を促進するＣｒの添加することが肝要である。
（３）更には，焼もどし軟化抵抗の高いＭｏあるいはＶのうち少なくとも１種の添加と組み合わせると，なお良い結果が得られる。
（４）また，上記のように成分調整した鋼素材に熱間圧延を施した後，加熱温度および冷却速度を適正化した再加熱処理と，焼もどし処理を実施することにより，上記のミクロ組織要件を達成し，優れた疲労亀裂伝播特性と機械的特性を兼備することができる。
【００１７】
本発明は，上記知見に基づき，さらに検討を加えて完成されたもので、すなわち，本発明は、
１．鋼組成が，質量％で，
Ｃ：０．０５〜０．３０％，
Ｓｉ：０．０３〜０．３５％，
Ｃｒ：０．０５〜２．０％，
Ｐ：０．０３％以下
Ｓ：０．００３％以下
Ａｌ：０．１％以下
を含有し，残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、金属組織が，ビッカース硬さで８５以上１３０以下のフェライト相と，面積分率が１５〜８５％のビッカース硬さで３４０以上４４０以下の焼もどしマルテンサイト相の混合組織である耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材。
２．鋼組成に，質量％でさらに，
Ｍｏ：０．０５〜１．０％，
Ｖ：０．０１〜０．３％
の１種または２種を含有する１に記載した耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材。
３．鋼組成に，質量％でさらに，
Ｍｎ：１．２％以下
Ｃｕ：０．８％以下
Ｎｉ：１．０％以下
Ｎｂ：０．１％以下
Ｔｉ：０．０３％以下
Ｂ：０．００５％以下
Ｃａ：０．００５％以下
ＲＥＭ：０．０２％以下
Ｍｇ：０．００５％以下
の１種または２種以上を含有する１または２に記載の耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材。
４．１乃至３のいずれか一つに記載した鋼組成からなる鋳片または鋼片を，１０００℃〜１３００℃に再加熱，圧延終了温度をＡｒ３変態点以上となる熱間圧延，冷却後，Ａｃ３変態点以上の温度範囲に再加熱，その温度で保持してから空冷もしくは加速冷却を行い，さらにＡｃ１変態点＋１０℃〜Ａｃ３変態点−１０℃の２相域温度範囲に再加熱，保持後、５℃／ｓ以上の平均冷却速度で焼入れし，４００℃以上，Ａｃ１点以下で焼もどすことを特徴とする耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法。
５．１乃至３のいずれか一つに記載した鋼組成からなる鋳片または鋼片を，１０００℃〜１３００℃に再加熱，圧延終了温度をＡｒ３変態点以上となる熱間圧延後，空冷もしくは加速冷却を行い，さらにＡｃ１変態点＋１０℃〜Ａｃ３変態点−１０℃の２相域温度範囲に再加熱，保持後、５℃／ｓ以上の平均冷却速度で焼入れし，４００℃以上，Ａｃ１点以下で焼もどすことを特徴とする耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば，耐疲労亀裂伝播特性に優れた厚鋼板を安定して製造することができ，鋼構造物の信頼性向上，ライフサイクルコストの低減に大きく寄与し，産業上格段の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明では金属組織、成分組成及び製造条件を規定する。以下、それらの限定理由について具体的に説明する．
［金属組織］
本発明では，硬質相の硬さ、分散量だけでなく，軟質相の硬さを規定する。優れた耐疲労亀裂伝播特性と機械的特性を安定して達成するため，金属組織における硬質相を面積分率が１５〜８５％でビッカース硬さＨＶ３４０以上の焼きもどしマルテンサイト相とするとともに、さらに，軟質相のビッカース硬さをＨＶ１３０以下に制限したフェライト相とした混合組織とする。
【００２０】
フェライト相の硬さの低減は，疲労亀裂先端の歪領域拡大，および繰返し負荷歪時の加工硬化抑制により，疲労亀裂進展速度を低下させる。また，フェライト相を進展した主亀裂が焼もどしマルテンサイト相のごく近傍に到達したとき，主亀裂から微小亀裂を発生させ，主亀裂を屈曲、分岐させて疲労亀裂進展速度を低下させる。
【００２１】
この効果を得るため，フェライト相のビッカース硬さＨＶ８５以上１３０以下の範囲に限定する。なお，好ましくは，ＨＶ９５以上１２０以下とする。
【００２２】
また，焼もどしマルテンサイト相のビッカース硬さＨＶは３４０以上４４０以下に限定する。なお，好ましくは，ＨＶ３５０以上４２０以下とする。
【００２３】
焼もどしマルテンサイト相の面積分率が１５％未満、もしくは８５％より多い場合には，上記のような，疲労亀裂伝播の遅延効果が得られないため，焼もどしマルテンサイト相の面積分率は１５〜８５％の範囲に限定する。なお，好ましくは，２０〜８０％である。
【００２４】
なお，硬さの規定は，硬さ試験片のフェライト相および焼もどしマルテンサイト相について，微小ビッカース硬さ計を用いて，ビッカース硬さを求めて行う。荷重は０．４９Ｎ（５０ｇｆ）を用いるが，０．０９８Ｎ（１０ｇｆ）〜０．９８Ｎ（１００ｇｆ）の範囲であれば，試験条件による誤差は無視できることから，いずれの条件を用いてもよい。
【００２５】
フェライト相，焼もどしマルテンサイト相それぞれについて，少なくとも１０個の粒について硬さ測定を行い，その平均値を硬さとする。
【００２６】
なお，フェライト相と焼もどしマルテンサイト相を除く第３相として，ベイナイトおよびパーライト等の組織が混在する場合には，耐疲労亀裂伝播特性が劣化するため，第３相の面積分率は少ない方が良い。
【００２７】
ただし，ベイナイトおよびパーライト等の組織が体積分率で５％以下の場合には影響が無視できる。また，硬質相が焼入れままのマルテンサイト相の場合は，母材の延性および靭性が劣化するため，焼もどし処理が必須である。
【００２８】
次に，本発明で使用する鋼素材の組成限定理由について具体的に説明する。
［成分組成］
成分に関する「％」表示は特に断らない限り質量％を意味するものとする．
Ｃ：０．０５〜０．３０％
Ｃは，鋼の強度を増加させ，構造用鋼材として必要な強度を確保するのに有用な元素である。また，上記したビッカース硬さが３４０以上の焼もどしマルテンサイト相の第２相組織を得るためには，０．０５％以上の含有を必要とする。
【００２９】
一方，０．３０％を超える含有は，ＨＡＺ靭性，耐溶接割れ性を劣化させるとともに，母材の靭性を劣化させる。このため，Ｃは０．０５〜０．３０％の範囲に限定する。なお，好ましくは，０．０８〜０．２５％である。
【００３０】
Ｓｉ：０．０３〜０．３５％
Ｓｉは，脱酸材として作用し，また，セメンタイトの生成を抑制することにより，オーステナイト中へＣを濃縮し，焼入れ時のマルテンサイト生成を促進する。さらに，焼もどし時には，マルテンサイト相の焼もどし軟化抵抗を高める作用がある。このためには，少なくとも０．０３％必要である。
【００３１】
一方，０．３５％を超えて含有すると，フェライト相の硬さを上昇させて，耐疲労亀裂伝播特性を低下させる。また，母材の靭性が劣化するとともに，溶接性，ＨＡＺ靭性が顕著に劣化する。このため，Ｓｉは０．０３〜０．３５％の範囲に限定する。なお，好ましくは，０．０５〜０．２５％である。
【００３２】
Ｃｒ：０．０５〜２．０％
Ｃｒは本発明において重要な合金元素であり，多量に添加してもＡｒ３変態点に対する影響が小さく，またα-Feと同じ体心立方構造で原子半径がFeに近いため固溶強化能が極めて小さく、フェライト相の硬さを上昇させない。一方，オーステナイト域からの焼入れ時には，オーステナイトの焼入れ性を増大させ、第２相組織としてマルテンサイト相の生成を促進する。
【００３３】
さらに，焼もどし時には，マルテンサイト相の焼もどし軟化抵抗を高める作用があり，疲労亀裂伝播速度の低減に有効である。本発明では，この効果を得るために，０．０５％以上の含有を必要とする。一方，２．０％を超えて含有すると，耐溶接割れ性およびＨＡＺ靭性が著しく劣化する。このため，Ｃｒは０．０５〜２．０％の範囲に限定する。なお，好ましくは，０．１〜１．５％である。
【００３４】
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは，鋼の強度を増加させ靭性を劣化させる元素であり，とくに溶接部の靭性を劣化させるので，できるだけ低減することが望ましい。Ｐが０．０３％を超えて含有されると，この傾向が顕著となるため，上限とする。なお，過度のＰ低減は精錬コストを高騰させ経済的に不利となるため，０．００３％以上とすることが望ましい。
【００３５】
Ｓ：０．００５０％以下
Ｓは母材および溶接部の靭性を劣化させる元素であり，できるだけ低減することが望ましい。Ｓが０．００５０％を超えて含有されると，この傾向が顕著となるため，上限とする。
【００３６】
Ａｌ：０．１％以下
Ａｌは，脱酸剤として作用し，高張力鋼の溶鋼脱酸プロセスに於いて，もっとも汎用的に使われる。また，鋼中のＮをＡｌＮとして固定し，母材の靭性向上に寄与する．一方，０．１％を超える含有は，母材の靭性が低下するとともに，溶接時に溶接金属部に混入して，靭性を劣化させる．このため，Ａｌは０．１％以下に限定した．なお、好ましくは０．０１〜０．０７％である。
【００３７】
本発明では，上記した基本成分系に加えて，必要に応じ，Ｍｏ：０．０５〜１．０％，Ｖ：０．０１〜０．３％、Ｍｎ：１．２％以下、Ｃｕ：０．８％以下，Ｎｉ：１．０％以下， Ｎｂ：０．１％以下，Ｔｉ：０．０３％以下，Ｂ：０．００５％以下，Ｃａ：０．００５％以下，ＲＥＭ：０．０２％以下およびＭｇ：０．００５％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有することができる。
【００３８】
Ｍｏ：０．０５〜１．０％
Ｍｏは焼入れ時に，オーステナイトの焼入れ性を増大させ、第２相組織としてマルテンサイト相の生成を促進するとともに、焼きもどし時には炭化物を生成することにより、マルテンサイト相の焼きもどし軟化を顕著に抑制し、疲労亀裂伝播速度の低減に有効である。この効果を発揮するためには０．０５％以上の添加が必要である。一方、１．０％を超えて添加すると、靭性に悪影響を及ぼす。このため、Ｍｏは０．０５〜１．０％の範囲に限定する。
【００３９】
Ｖ：０．０１〜０．３％
Ｖは焼入れ時に，オーステナイトの焼入れ性を増大させ、第２相組織としてマルテンサイト相の生成を促進するとともに、焼きもどし時には炭化物を生成することにより、マルテンサイト相の焼きもどし軟化を顕著に抑制し、疲労亀裂伝播速度の低減に有効である。
【００４０】
この効果を得るためには０．０１％以上の添加が必要である。一方、０．３％を超えて添加すると、靭性に悪影響を及ぼす。このため、Ｖは０．０１〜０．３％の範囲に限定する。
【００４１】
Ｍｎ：１．２％以下
Ｍｎは，鋼の強度を増加させる効果を有している。一方，１．２％を超えて含有すると，フェライト相の硬さが上昇し、疲労亀裂伝播の遅延効果が劣化する．このため，Ｍｎは１．２％以下に限定する。
【００４２】
Ｃｕ：０．８％以下
Ｃｕは，高靭性を保ちつつ強度を増加させることが可能な元素であり，ＨＡＺ靭性への影響も小さく，高強度化のために有用で，必要に応じ選択して含有できる。
【００４３】
一方、含有量が０．８％を超えると熱間脆性を生じて鋼板の表面性状を劣化させるとともに、フェライト相の硬さが上昇し、疲労亀裂伝播の遅延効果が劣化する。このため、Ｃｕは０．８％以下に限定する。
【００４４】
Ｎｉ：１．０％以下
Ｎｉは，高靭性を保ちつつ強度を増加させることが可能な元素であり，ＨＡＺ靭性への影響も小さく，高強度化のために有用で，必要に応じ選択して含有できる。しかし、１．０％を超えて含有しても，効果が飽和し，含有量に見合う効果が期待できなくなり，経済的に不利になるとともに、フェライト相の硬さが上昇し、疲労亀裂伝播の遅延効果が劣化する。このため，Ｎｉは１．０％以下に限定する。
【００４５】
Ｎｂ：０．１％以下
Ｎｂは，強度向上に寄与する元素であるが，０．１％を超える含有は，母材靭性およびＨＡＺ靭性を劣化させる。このため，Ｎｂは０．１％以下に限定する。
【００４６】
Ｔｉ：０．０３％以下
Ｔｉは，強度向上に寄与し，また，Ｎとの親和力が強く凝固時にＴｉＮとして析出し，ＨＡＺでのオーステナイト粒の粗大化抑制してＨＡＺの高靭化に寄与する。一方，０．０３％を超えて含有すると，母材靭性を劣化させる。このため，Ｔｉは０．０３％以下に限定することが望ましい。
【００４７】
Ｂ：０．００５０％以下
Ｂは，焼入れ性の向上を介して，鋼の強度を増加させる作用を有する．一方，０．００５０％を超える含有は焼入れ性を著しく増加させ，母材の靭性，延性の劣化をもたらす．このため，Ｂは０．００５０％以下に限定する。
【００４８】
Ｃａ：０．００５％以下
Ｃａは，結晶粒の微細化を介して靭性を向上させる有用な元素であるが、０．００５％を超えて含有しても効果が飽和するため，０．００５％を上限とする。
【００４９】
ＲＥＭ：０，０２％以下
ＲＥＭは，靭性向上に寄与する元素であるが、０．０２％を超えて含有しても効果が飽和するため，０．０２％を上限とする。
【００５０】
Ｍｇ
Ｍｇは，結晶粒の微細化を介して靭性を向上させる有用な元素であるが、０．００５％を超えて含有しても効果が飽和するため，０．００５％を上限とする。
【００５１】
なお，上記した成分以外の残部は，Ｆｅおよび不可避的不純物である。次に，本発明における厚鋼板の製造方法について説明する。
［製造条件］
説明において、温度に関する「℃」表示は特に断らない限り板厚１／２ｔ部の温度を意味するものとする。
再加熱温度
本発明で使用する鋼素材は，上記した組成の溶鋼を，転炉，電気炉，真空溶解炉等，通常公知の方法で溶製し，これらの鋼素材を１０００℃〜１３００℃に再加熱する。
【００５２】
再加熱温度が１０００℃未満では，熱間圧延での変形抵抗が高くなり，１パス当たりの圧下量が大きく取れなくなることから，圧延パス数が増加し，圧延能率の低下を招くとともに，鋼素材（スラブ）中の鋳造欠陥を圧着することができない場合がある。
【００５３】
一方，再加熱温度が１３００℃を超えると，加熱時のスケールによって表面疵が生じやすく，圧延後の手入れ負荷が増大する。このため，鋼素材の再加熱温度は１０００〜１３００℃の範囲とするのが好ましい。
熱間圧延条件
再加熱された鋼素材は，圧延終了温度をＡｒ３変態点以上となる熱間圧延を施す。熱間圧延条件は，圧延終了温度をＡｒ３変態点以上とする以外には，所定の板厚および形状を満足できればよく，その他の条件はとくに規定しない。
【００５４】
なお，板厚が８０ｍｍを超える極厚鋼板の場合には，ザク圧着のために１パスあたりの圧下率が１５％以上となる圧延パスを少なくとも１パス以上確保することが望ましい。圧延終了温度がＡｒ３変態点未満では，変形抵抗が高くなりすぎて，圧延荷重が増大し，圧延機への負担が大きくなる。
【００５５】
また，厚肉材をＡｒ３変態点未満まで圧延温度を低下させるためには，圧延途中で待機する必要があり，生産性を大きく阻害する．このため，圧延終了温度をＡｒ３変態点以上とした。熱間圧延後の冷却は、空冷でも加速冷却でもよい。
【００５６】
なお，Ａｒ３点は化学組成との相関が概ね次（１）式で整理できる．
Ａｒ３＝８６８−３９６Ｃ＋２５Ｓｉ−６８Ｍｎ−２１Ｃｕ−３６Ｎｉ−２５Ｃｒ−３０Ｍｏ （１）
（ただし，Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ：各合金元素の含有量（ｍａｓｓ％））
熱処理
熱間圧延し、冷却後、本発明の重要なプロセスである，熱処理を行う。熱処理は、Ａｃ１変態点＋１０℃〜Ａｃ３変態点−１０℃の２相域温度範囲に再加熱保持後，５℃／ｓ以上の平均冷却速度で焼入れる。
【００５７】
保持時間について規定していないが，この温度域での保持は，鋼板内の温度均一化を図り，特性ばらつきを抑えるためであり，５ｍｉｎ．以上が好ましい。
【００５８】
また，保持時間が１ｈｒ以上になるとオーステナイト粒の粗大化により，母材の靭性が劣化するので，１ｈｒ以内が望ましい。また，平均冷却速度が５℃／ｓ以下になると，鋼板の焼入れ性の低減により，硬質相としてパーライトあるいはベイナイト相が生成し、目標のマルテンサイト組織を達成できない。
【００５９】
平均冷却速度の上限については特に規定しないが，条切り歪を低減するという観点からは８０℃／ｓ以下とすることが望ましい。
【００６０】
また，この熱処理で温度範囲をＡｃ１変態点＋１０℃〜Ａｃ３変態点−１０℃と規定する理由は，Ｃのオーステナイト地への濃化と，フェライト地の希釈軟化を効率的に促進することにより，焼入れ後の組織が，硬質のマルテンサイトと軟質のフェライトの混合組織となり，耐疲労亀裂伝播特性に有効に作用するためである。
【００６１】
Ａｃ１変態点＋１０℃以下の温度で保持をすると，オーステナイト相の分率が低いため，焼入れ後の組織中のマルテンサイト分率が少なく、また，Ａｃ３変態点−３０℃以上の温度で保持をすると，フェライト相の分率が低下するだけでなく，オーステナイト相へのＣ等，合金元素の濃化が促進せず，焼入れ後のマルテンサイト組織の硬さが低下し，耐疲労亀裂伝播特性が劣化する。このため，２相域加熱の温度範囲は，Ａｃ１変態点＋１０℃〜Ａｃ３変態点−１０℃と限定する。
【００６２】
なお，Ａｃ１点およびＡｃ３点は化学組成との相関が概ね次（２）および（３）式で整理できる．
Ａｃ１＝７２３−１４Ｍｎ＋２２Ｓｉ−１４．４Ｎｉ＋２３．３Ｃｒ （２）
Ａｃ３＝８５４−１８０Ｃ＋４４Ｓｉ−１４Ｍｎ−１７．８Ｎｉ−１．７Ｃｒ （３）
（ただし，Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ， Ｎｉ，Ｃｒ：各合金元素の含有量（ｍａｓｓ％））
本発明では，鋼板を２相域加熱、焼入れ後，更に、焼もどし処理を施す。再加熱温度４００℃以上Ａｃ１点以下の焼もどし処理により，母材の靭性および延性を向上させる。このような効果を得るためには，焼もどし温度を４００℃以上とする必要があるが，Ａｃ１点を超えると焼もどしマルテンサイト相の硬さが低下し、疲労亀裂伝播の遅延効果が劣化する。
【００６３】
このため，焼もどし処理は，４００℃〜Ａｃ１点で行うことが望ましい。保持時間について規定しないが、１ｈｒ以上になると、焼もどしマルテンサイト相の硬さが低下し、疲労亀裂伝播の遅延効果が劣化するので、１ｈｒ以内が望ましく，熱処理炉内の均熱が良ければ，短時間の保持でもかまわない。
【００６４】
なお、本発明では熱間圧延と２相域熱処理の間に，再加熱、焼きならし、もしくは焼入れ処理を施してもよい。厚鋼板をＡｃ３変態点以上の温度域に再加熱して保持することにより，厚鋼板内部まで均一なオーステナイト相とした後，空冷もしくは加速冷却を行うと，厚鋼板内の組織が一層、均質化および微細化される。
【００６５】
加熱温度の上限については規定していないが，１１００℃以上になると鋼板表面性状が劣化するために，好ましくは１１００℃以下とする。また，保持時間についても規定していないが，１ｈｒ以上になるとオーステナイト粒の粗大化により，母材の靭性が劣化するので１ｈｒ以内が望ましく，熱処理炉内の均熱が良ければ，短時間の保持でも良い。
【００６６】
上記した組成の鋼素材を用いて，上記した条件の熱間圧延後の２相域熱処理、および焼もどし処理条件により、鋼板の金属組織として，ビッカース硬さで１３０以下のフェライト相と，面積分率が１５〜８５％のビッカース硬さで３４０以上の焼もどしマルテンサイト相の混合組織が得られ，耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼板を製造することができる。
【実施例】
【００６７】
転炉−取鍋精錬−連続鋳造法で，表１に示す組成に調製された鋼素材を，表２に示す条件の熱間圧延−再加熱焼入れ−焼もどしにより表２に示す板厚の厚鋼板とした。
【００６８】
組織分率の調査は，得られた各鋼板の圧延方向と平行な断面について，ミクロ組織観察用サンプルを採取し，ナイタール腐食の後，光学顕微鏡組織を撮影し，画像解析装置を用いて組織分率を求めた。
【００６９】
本発明範囲は，引張強さ４４０Ｎ／ｍｍ２以上，全伸び２２％以上を有する鋼材で靭性は，ＪＩＳ Ｚ２２４２（２００６）に準拠した２ｍｍＶノッチ試験片を用いたシャルピー衝撃試験により，−２０℃での吸収エネルギーが１００Ｊ以上有する鋼材とする。
【００７０】
得られた各鋼板の板厚１／２位置からＪＩＳ４号引張試験片，あるいはＪＩＳ５号全厚引張試験片を採取し，ＪＩＳ Ｚ ２２４１（２００６）の既定に準拠して引張試験を実施し，引張特性を調査した。
【００７１】
また，得られた各鋼板の板厚１／２位置から，ＪＩＳ Ｚ ２２０２（２００６）の規定に準拠してＶノッチ試験片を採取し，ＪＩＳ Ｚ ２２４２（２００６）の規定に準拠してシャルピー衝撃試験を実施し，−２０℃における吸収エネルギー（ｖＥ−２０）を求め，母材靭性を評価した。
【００７２】
疲労亀裂伝播特性の調査は，各鋼板から，荷重負荷方向が圧延方向と平行になるようＡＳＴＭ Ｅ ６４７に準拠したＣＴ試験片を採取し，クラックゲージ法で疲労亀裂伝播試験を実施し，伝播速度を求めた。
【００７３】
本発明における優れた疲労亀裂伝播特性の鋼材とは，応力拡大係数ΔＫ：１５ＭＰａ／√ｍにおける疲労亀裂伝播速度（ｄａ／ｄＮ）が８×１０−９（ｍ／ｃｙｃｌｅ）以下を有する鋼材とする。
【００７４】
得られた結果を表３に示す。本発明例は，いずれも，応力拡大係数ΔＫ：１５ＭＰａ／√ｍにおける疲労亀裂伝播速度（ｄａ／ｄＮ）が８×１０−９（ｍ／ｃｙｃｌｅ）以下と極めて遅く，優れた耐疲労亀裂伝播特性を有する。
【００７５】
さらに，引張強さ４４０ＭＰａ以上，全伸び２２％以上，および−２０℃での吸収エネルギー ｖＥ−２０＞１００Ｊの高強度，高延性，高靭性の母材特性を有する。
【００７６】
一方，本発明の範囲を外れる比較例は，疲労亀裂伝播特性および機械的特性のうち，いずれか，あるいは複数の特性が目標値を満足していない。
【００７７】
【表１】
【００７８】
【表２】
【００７９】
【表３】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材に関し、船体，海洋構造物，橋梁，建築構造物，建設機械，産業機械等の素材に供する厚鋼板に好適なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に，鋼構造物は，溶接施工により所望の構造に組み立てられる。鋼構造物が，使用環境下で繰返し応力を受ける場合には，溶接止端部などの大きな形状不連続部に応力が集中し，疲労亀裂の発生・進展を生じ，最終的には貫通・破断に至り大事故を引き起こす場合がある。
【０００３】
溶接構造物の寿命は疲労の進行により決定される場合が多く，ライフサイクルコスト低減の観点から，疲労破壊の抑制が要望されている。また，船体，海洋構造物，橋梁等の溶接構造物の破壊は，人命が危険に晒されことから，安全上の観点からも疲労亀裂の発生・進展を抑制することが求められている。
【０００４】
従来から，疲労亀裂の発生を抑制するための手段として，溶接止端部の形状を不連続なく，滑らかな形状とし，応力集中を避けるための溶接施工法の工夫がなされているが、溶接施工に多大な時間を要し，施工能率の低下や製造コスト上昇が問題となる。
【０００５】
また，構造物の設計が複雑な場合には，施工の工夫だけでは応力集中が避けがたく，必ずしも，疲労亀裂の発生を抑制するために有効な対策が講じられないのが現状である。
【０００６】
このような問題に対し，鋼材に疲労亀裂が発生した場合，疲労亀裂の伝播速度を低減することにより，疲労亀裂の進展を抑制することが有効である。疲労亀裂伝播速度が遅ければ，疲労亀裂が発生しても，構造物の破壊を生じる前に，定期点検等で亀裂を発見し補修することができる。
【０００７】
また，鋼材の疲労亀裂伝播速度を遅くすることができれば，定期点検の頻度，すなわち補修の頻度を低減することができ，鋼材のライフサイクルコスト的にも有利になる．
このような要望に対して、特許文献１，特許文献２，特許文献３，特許文献４，特許文献５には，疲労亀裂伝播速度を低減するための鋼板と製造方法が提案されている。
【０００８】
特許文献１および特許文献２に記載された技術は，フェライト母相中にベイナイト，マルテンサイト等の硬質第２相を分散させる方法である。
【０００９】
特許文献３に記載された技術は，フェライトの結晶方位を制御することによって，板厚方向の亀裂伝播速度を低減する方法が示されているが，
特許文献４に記載された技術は，フェライト粒径を１〜３μｍに微細化することによって疲労特性を向上する技術が示されている。
【００１０】
この方法では，結晶粒を微細化することによって同時に靭性も向上することができるが，通常の熱間圧延温度よりも低温域のオーステナイト／フェライト２相域において５０％以上という大きな累積圧下率の圧延を行う必要がある。
【００１１】
特許文献５には，ＳｉまたはＡｌの含有量を高めることによって鋼中に残留オーステナイトを含有させて疲労亀裂伝播特性を向上させる技術が示されている。
【特許文献１】特開平１０−６０５７５号公報
【特許文献２】特開平１１−３１０８４６号公報
【特許文献３】特開平８−１９９２８６号公報
【特許文献４】特開２００２−３６３６４４号公報
【特許文献５】特開２００４−７６１５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら，特許文献１および特許文献２に記載された技術は，疲労亀裂の伝播を十分に抑制できない場合があり，また，靭性の劣化を招くことが懸念される。
【００１３】
特許文献３に記載された技術は，板厚方向以外に進展する疲労亀裂伝播特性を向上することができない懸念がある。
【００１４】
特許文献４に記載された技術は、圧延機の負荷が大きくなることや，圧延機の占有時間が長くなり，圧延能率が低下することが懸念される。特許文献５に記載された技術は，ＳｉやＡｌの含有量を高めるので，母材および溶接熱影響部の靭性が劣化することが懸念される。
【００１５】
そこで、本発明は上述した従来技術の問題を解決する、耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼板およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者らは，上記した課題を達成するために，疲労亀裂伝播特性および機械的特性に及ぼす各種要因について鋭意研究し、以下の知見を得た。
（１） 耐疲労亀裂伝播特性の向上には、鋼板の構成組織を，軟質相として硬さの上限を規定したフェライト相と、硬質相として硬さの下限を規定した焼もどしマルテンサイト相とし、さらに混合組織の面積分率を制御することが重要である。
（２）この混合組織制御による耐疲労亀裂伝播特性を最大限に発揮するためには，厳格な成分調整が必須であり，フェライト相の硬さを上昇させることなく，オーステナイト域からの焼入れ時にはマルテンサイト生成を促進するＣｒの添加することが肝要である。
（３）更には，焼もどし軟化抵抗の高いＭｏあるいはＶのうち少なくとも１種の添加と組み合わせると，なお良い結果が得られる。
（４）また，上記のように成分調整した鋼素材に熱間圧延を施した後，加熱温度および冷却速度を適正化した再加熱処理と，焼もどし処理を実施することにより，上記のミクロ組織要件を達成し，優れた疲労亀裂伝播特性と機械的特性を兼備することができる。
【００１７】
本発明は，上記知見に基づき，さらに検討を加えて完成されたもので、すなわち，本発明は、
１．鋼組成が，質量％で，
Ｃ：０．０５〜０．３０％，
Ｓｉ：０．０３〜０．３５％，
Ｃｒ：０．０５〜２．０％，
Ｐ：０．０３％以下
Ｓ：０．００３％以下
Ａｌ：０．１％以下
を含有し，残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、金属組織が，ビッカース硬さで８５以上１３０以下のフェライト相と，面積分率が１５〜８５％のビッカース硬さで３４０以上４４０以下の焼もどしマルテンサイト相の混合組織である耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材。
２．鋼組成に，質量％でさらに，
Ｍｏ：０．０５〜１．０％，
Ｖ：０．０１〜０．３％
の１種または２種を含有する１に記載した耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材。
３．鋼組成に，質量％でさらに，
Ｍｎ：１．２％以下
Ｃｕ：０．８％以下
Ｎｉ：１．０％以下
Ｎｂ：０．１％以下
Ｔｉ：０．０３％以下
Ｂ：０．００５％以下
Ｃａ：０．００５％以下
ＲＥＭ：０．０２％以下
Ｍｇ：０．００５％以下
の１種または２種以上を含有する１または２に記載の耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材。
４．１乃至３のいずれか一つに記載した鋼組成からなる鋳片または鋼片を，１０００℃〜１３００℃に再加熱，圧延終了温度をＡｒ３変態点以上となる熱間圧延，冷却後，Ａｃ３変態点以上の温度範囲に再加熱，その温度で保持してから空冷もしくは加速冷却を行い，さらにＡｃ１変態点＋１０℃〜Ａｃ３変態点−１０℃の２相域温度範囲に再加熱，保持後、５℃／ｓ以上の平均冷却速度で焼入れし，４００℃以上，Ａｃ１点以下で焼もどすことを特徴とする耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法。
５．１乃至３のいずれか一つに記載した鋼組成からなる鋳片または鋼片を，１０００℃〜１３００℃に再加熱，圧延終了温度をＡｒ３変態点以上となる熱間圧延後，空冷もしくは加速冷却を行い，さらにＡｃ１変態点＋１０℃〜Ａｃ３変態点−１０℃の２相域温度範囲に再加熱，保持後、５℃／ｓ以上の平均冷却速度で焼入れし，４００℃以上，Ａｃ１点以下で焼もどすことを特徴とする耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば，耐疲労亀裂伝播特性に優れた厚鋼板を安定して製造することができ，鋼構造物の信頼性向上，ライフサイクルコストの低減に大きく寄与し，産業上格段の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明では金属組織、成分組成及び製造条件を規定する。以下、それらの限定理由について具体的に説明する．
［金属組織］
本発明では，硬質相の硬さ、分散量だけでなく，軟質相の硬さを規定する。優れた耐疲労亀裂伝播特性と機械的特性を安定して達成するため，金属組織における硬質相を面積分率が１５〜８５％でビッカース硬さＨＶ３４０以上の焼きもどしマルテンサイト相とするとともに、さらに，軟質相のビッカース硬さをＨＶ１３０以下に制限したフェライト相とした混合組織とする。
【００２０】
フェライト相の硬さの低減は，疲労亀裂先端の歪領域拡大，および繰返し負荷歪時の加工硬化抑制により，疲労亀裂進展速度を低下させる。また，フェライト相を進展した主亀裂が焼もどしマルテンサイト相のごく近傍に到達したとき，主亀裂から微小亀裂を発生させ，主亀裂を屈曲、分岐させて疲労亀裂進展速度を低下させる。
【００２１】
この効果を得るため，フェライト相のビッカース硬さＨＶ８５以上１３０以下の範囲に限定する。なお，好ましくは，ＨＶ９５以上１２０以下とする。
【００２２】
また，焼もどしマルテンサイト相のビッカース硬さＨＶは３４０以上４４０以下に限定する。なお，好ましくは，ＨＶ３５０以上４２０以下とする。
【００２３】
焼もどしマルテンサイト相の面積分率が１５％未満、もしくは８５％より多い場合には，上記のような，疲労亀裂伝播の遅延効果が得られないため，焼もどしマルテンサイト相の面積分率は１５〜８５％の範囲に限定する。なお，好ましくは，２０〜８０％である。
【００２４】
なお，硬さの規定は，硬さ試験片のフェライト相および焼もどしマルテンサイト相について，微小ビッカース硬さ計を用いて，ビッカース硬さを求めて行う。荷重は０．４９Ｎ（５０ｇｆ）を用いるが，０．０９８Ｎ（１０ｇｆ）〜０．９８Ｎ（１００ｇｆ）の範囲であれば，試験条件による誤差は無視できることから，いずれの条件を用いてもよい。
【００２５】
フェライト相，焼もどしマルテンサイト相それぞれについて，少なくとも１０個の粒について硬さ測定を行い，その平均値を硬さとする。
【００２６】
なお，フェライト相と焼もどしマルテンサイト相を除く第３相として，ベイナイトおよびパーライト等の組織が混在する場合には，耐疲労亀裂伝播特性が劣化するため，第３相の面積分率は少ない方が良い。
【００２７】
ただし，ベイナイトおよびパーライト等の組織が体積分率で５％以下の場合には影響が無視できる。また，硬質相が焼入れままのマルテンサイト相の場合は，母材の延性および靭性が劣化するため，焼もどし処理が必須である。
【００２８】
次に，本発明で使用する鋼素材の組成限定理由について具体的に説明する。
［成分組成］
成分に関する「％」表示は特に断らない限り質量％を意味するものとする．
Ｃ：０．０５〜０．３０％
Ｃは，鋼の強度を増加させ，構造用鋼材として必要な強度を確保するのに有用な元素である。また，上記したビッカース硬さが３４０以上の焼もどしマルテンサイト相の第２相組織を得るためには，０．０５％以上の含有を必要とする。
【００２９】
一方，０．３０％を超える含有は，ＨＡＺ靭性，耐溶接割れ性を劣化させるとともに，母材の靭性を劣化させる。このため，Ｃは０．０５〜０．３０％の範囲に限定する。なお，好ましくは，０．０８〜０．２５％である。
【００３０】
Ｓｉ：０．０３〜０．３５％
Ｓｉは，脱酸材として作用し，また，セメンタイトの生成を抑制することにより，オーステナイト中へＣを濃縮し，焼入れ時のマルテンサイト生成を促進する。さらに，焼もどし時には，マルテンサイト相の焼もどし軟化抵抗を高める作用がある。このためには，少なくとも０．０３％必要である。
【００３１】
一方，０．３５％を超えて含有すると，フェライト相の硬さを上昇させて，耐疲労亀裂伝播特性を低下させる。また，母材の靭性が劣化するとともに，溶接性，ＨＡＺ靭性が顕著に劣化する。このため，Ｓｉは０．０３〜０．３５％の範囲に限定する。なお，好ましくは，０．０５〜０．２５％である。
【００３２】
Ｃｒ：０．０５〜２．０％
Ｃｒは本発明において重要な合金元素であり，多量に添加してもＡｒ３変態点に対する影響が小さく，またα-Feと同じ体心立方構造で原子半径がFeに近いため固溶強化能が極めて小さく、フェライト相の硬さを上昇させない。一方，オーステナイト域からの焼入れ時には，オーステナイトの焼入れ性を増大させ、第２相組織としてマルテンサイト相の生成を促進する。
【００３３】
さらに，焼もどし時には，マルテンサイト相の焼もどし軟化抵抗を高める作用があり，疲労亀裂伝播速度の低減に有効である。本発明では，この効果を得るために，０．０５％以上の含有を必要とする。一方，２．０％を超えて含有すると，耐溶接割れ性およびＨＡＺ靭性が著しく劣化する。このため，Ｃｒは０．０５〜２．０％の範囲に限定する。なお，好ましくは，０．１〜１．５％である。
【００３４】
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは，鋼の強度を増加させ靭性を劣化させる元素であり，とくに溶接部の靭性を劣化させるので，できるだけ低減することが望ましい。Ｐが０．０３％を超えて含有されると，この傾向が顕著となるため，上限とする。なお，過度のＰ低減は精錬コストを高騰させ経済的に不利となるため，０．００３％以上とすることが望ましい。
【００３５】
Ｓ：０．００５０％以下
Ｓは母材および溶接部の靭性を劣化させる元素であり，できるだけ低減することが望ましい。Ｓが０．００５０％を超えて含有されると，この傾向が顕著となるため，上限とする。
【００３６】
Ａｌ：０．１％以下
Ａｌは，脱酸剤として作用し，高張力鋼の溶鋼脱酸プロセスに於いて，もっとも汎用的に使われる。また，鋼中のＮをＡｌＮとして固定し，母材の靭性向上に寄与する．一方，０．１％を超える含有は，母材の靭性が低下するとともに，溶接時に溶接金属部に混入して，靭性を劣化させる．このため，Ａｌは０．１％以下に限定した．なお、好ましくは０．０１〜０．０７％である。
【００３７】
本発明では，上記した基本成分系に加えて，必要に応じ，Ｍｏ：０．０５〜１．０％，Ｖ：０．０１〜０．３％、Ｍｎ：１．２％以下、Ｃｕ：０．８％以下，Ｎｉ：１．０％以下， Ｎｂ：０．１％以下，Ｔｉ：０．０３％以下，Ｂ：０．００５％以下，Ｃａ：０．００５％以下，ＲＥＭ：０．０２％以下およびＭｇ：０．００５％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有することができる。
【００３８】
Ｍｏ：０．０５〜１．０％
Ｍｏは焼入れ時に，オーステナイトの焼入れ性を増大させ、第２相組織としてマルテンサイト相の生成を促進するとともに、焼きもどし時には炭化物を生成することにより、マルテンサイト相の焼きもどし軟化を顕著に抑制し、疲労亀裂伝播速度の低減に有効である。この効果を発揮するためには０．０５％以上の添加が必要である。一方、１．０％を超えて添加すると、靭性に悪影響を及ぼす。このため、Ｍｏは０．０５〜１．０％の範囲に限定する。
【００３９】
Ｖ：０．０１〜０．３％
Ｖは焼入れ時に，オーステナイトの焼入れ性を増大させ、第２相組織としてマルテンサイト相の生成を促進するとともに、焼きもどし時には炭化物を生成することにより、マルテンサイト相の焼きもどし軟化を顕著に抑制し、疲労亀裂伝播速度の低減に有効である。
【００４０】
この効果を得るためには０．０１％以上の添加が必要である。一方、０．３％を超えて添加すると、靭性に悪影響を及ぼす。このため、Ｖは０．０１〜０．３％の範囲に限定する。
【００４１】
Ｍｎ：１．２％以下
Ｍｎは，鋼の強度を増加させる効果を有している。一方，１．２％を超えて含有すると，フェライト相の硬さが上昇し、疲労亀裂伝播の遅延効果が劣化する．このため，Ｍｎは１．２％以下に限定する。
【００４２】
Ｃｕ：０．８％以下
Ｃｕは，高靭性を保ちつつ強度を増加させることが可能な元素であり，ＨＡＺ靭性への影響も小さく，高強度化のために有用で，必要に応じ選択して含有できる。
【００４３】
一方、含有量が０．８％を超えると熱間脆性を生じて鋼板の表面性状を劣化させるとともに、フェライト相の硬さが上昇し、疲労亀裂伝播の遅延効果が劣化する。このため、Ｃｕは０．８％以下に限定する。
【００４４】
Ｎｉ：１．０％以下
Ｎｉは，高靭性を保ちつつ強度を増加させることが可能な元素であり，ＨＡＺ靭性への影響も小さく，高強度化のために有用で，必要に応じ選択して含有できる。しかし、１．０％を超えて含有しても，効果が飽和し，含有量に見合う効果が期待できなくなり，経済的に不利になるとともに、フェライト相の硬さが上昇し、疲労亀裂伝播の遅延効果が劣化する。このため，Ｎｉは１．０％以下に限定する。
【００４５】
Ｎｂ：０．１％以下
Ｎｂは，強度向上に寄与する元素であるが，０．１％を超える含有は，母材靭性およびＨＡＺ靭性を劣化させる。このため，Ｎｂは０．１％以下に限定する。
【００４６】
Ｔｉ：０．０３％以下
Ｔｉは，強度向上に寄与し，また，Ｎとの親和力が強く凝固時にＴｉＮとして析出し，ＨＡＺでのオーステナイト粒の粗大化抑制してＨＡＺの高靭化に寄与する。一方，０．０３％を超えて含有すると，母材靭性を劣化させる。このため，Ｔｉは０．０３％以下に限定することが望ましい。
【００４７】
Ｂ：０．００５０％以下
Ｂは，焼入れ性の向上を介して，鋼の強度を増加させる作用を有する．一方，０．００５０％を超える含有は焼入れ性を著しく増加させ，母材の靭性，延性の劣化をもたらす．このため，Ｂは０．００５０％以下に限定する。
【００４８】
Ｃａ：０．００５％以下
Ｃａは，結晶粒の微細化を介して靭性を向上させる有用な元素であるが、０．００５％を超えて含有しても効果が飽和するため，０．００５％を上限とする。
【００４９】
ＲＥＭ：０，０２％以下
ＲＥＭは，靭性向上に寄与する元素であるが、０．０２％を超えて含有しても効果が飽和するため，０．０２％を上限とする。
【００５０】
Ｍｇ
Ｍｇは，結晶粒の微細化を介して靭性を向上させる有用な元素であるが、０．００５％を超えて含有しても効果が飽和するため，０．００５％を上限とする。
【００５１】
なお，上記した成分以外の残部は，Ｆｅおよび不可避的不純物である。次に，本発明における厚鋼板の製造方法について説明する。
［製造条件］
説明において、温度に関する「℃」表示は特に断らない限り板厚１／２ｔ部の温度を意味するものとする。
再加熱温度
本発明で使用する鋼素材は，上記した組成の溶鋼を，転炉，電気炉，真空溶解炉等，通常公知の方法で溶製し，これらの鋼素材を１０００℃〜１３００℃に再加熱する。
【００５２】
再加熱温度が１０００℃未満では，熱間圧延での変形抵抗が高くなり，１パス当たりの圧下量が大きく取れなくなることから，圧延パス数が増加し，圧延能率の低下を招くとともに，鋼素材（スラブ）中の鋳造欠陥を圧着することができない場合がある。
【００５３】
一方，再加熱温度が１３００℃を超えると，加熱時のスケールによって表面疵が生じやすく，圧延後の手入れ負荷が増大する。このため，鋼素材の再加熱温度は１０００〜１３００℃の範囲とするのが好ましい。
熱間圧延条件
再加熱された鋼素材は，圧延終了温度をＡｒ３変態点以上となる熱間圧延を施す。熱間圧延条件は，圧延終了温度をＡｒ３変態点以上とする以外には，所定の板厚および形状を満足できればよく，その他の条件はとくに規定しない。
【００５４】
なお，板厚が８０ｍｍを超える極厚鋼板の場合には，ザク圧着のために１パスあたりの圧下率が１５％以上となる圧延パスを少なくとも１パス以上確保することが望ましい。圧延終了温度がＡｒ３変態点未満では，変形抵抗が高くなりすぎて，圧延荷重が増大し，圧延機への負担が大きくなる。
【００５５】
また，厚肉材をＡｒ３変態点未満まで圧延温度を低下させるためには，圧延途中で待機する必要があり，生産性を大きく阻害する．このため，圧延終了温度をＡｒ３変態点以上とした。熱間圧延後の冷却は、空冷でも加速冷却でもよい。
【００５６】
なお，Ａｒ３点は化学組成との相関が概ね次（１）式で整理できる．
Ａｒ３＝８６８−３９６Ｃ＋２５Ｓｉ−６８Ｍｎ−２１Ｃｕ−３６Ｎｉ−２５Ｃｒ−３０Ｍｏ （１）
（ただし，Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ：各合金元素の含有量（ｍａｓｓ％））
熱処理
熱間圧延し、冷却後、本発明の重要なプロセスである，熱処理を行う。熱処理は、Ａｃ１変態点＋１０℃〜Ａｃ３変態点−１０℃の２相域温度範囲に再加熱保持後，５℃／ｓ以上の平均冷却速度で焼入れる。
【００５７】
保持時間について規定していないが，この温度域での保持は，鋼板内の温度均一化を図り，特性ばらつきを抑えるためであり，５ｍｉｎ．以上が好ましい。
【００５８】
また，保持時間が１ｈｒ以上になるとオーステナイト粒の粗大化により，母材の靭性が劣化するので，１ｈｒ以内が望ましい。また，平均冷却速度が５℃／ｓ以下になると，鋼板の焼入れ性の低減により，硬質相としてパーライトあるいはベイナイト相が生成し、目標のマルテンサイト組織を達成できない。
【００５９】
平均冷却速度の上限については特に規定しないが，条切り歪を低減するという観点からは８０℃／ｓ以下とすることが望ましい。
【００６０】
また，この熱処理で温度範囲をＡｃ１変態点＋１０℃〜Ａｃ３変態点−１０℃と規定する理由は，Ｃのオーステナイト地への濃化と，フェライト地の希釈軟化を効率的に促進することにより，焼入れ後の組織が，硬質のマルテンサイトと軟質のフェライトの混合組織となり，耐疲労亀裂伝播特性に有効に作用するためである。
【００６１】
Ａｃ１変態点＋１０℃以下の温度で保持をすると，オーステナイト相の分率が低いため，焼入れ後の組織中のマルテンサイト分率が少なく、また，Ａｃ３変態点−３０℃以上の温度で保持をすると，フェライト相の分率が低下するだけでなく，オーステナイト相へのＣ等，合金元素の濃化が促進せず，焼入れ後のマルテンサイト組織の硬さが低下し，耐疲労亀裂伝播特性が劣化する。このため，２相域加熱の温度範囲は，Ａｃ１変態点＋１０℃〜Ａｃ３変態点−１０℃と限定する。
【００６２】
なお，Ａｃ１点およびＡｃ３点は化学組成との相関が概ね次（２）および（３）式で整理できる．
Ａｃ１＝７２３−１４Ｍｎ＋２２Ｓｉ−１４．４Ｎｉ＋２３．３Ｃｒ （２）
Ａｃ３＝８５４−１８０Ｃ＋４４Ｓｉ−１４Ｍｎ−１７．８Ｎｉ−１．７Ｃｒ （３）
（ただし，Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ， Ｎｉ，Ｃｒ：各合金元素の含有量（ｍａｓｓ％））
本発明では，鋼板を２相域加熱、焼入れ後，更に、焼もどし処理を施す。再加熱温度４００℃以上Ａｃ１点以下の焼もどし処理により，母材の靭性および延性を向上させる。このような効果を得るためには，焼もどし温度を４００℃以上とする必要があるが，Ａｃ１点を超えると焼もどしマルテンサイト相の硬さが低下し、疲労亀裂伝播の遅延効果が劣化する。
【００６３】
このため，焼もどし処理は，４００℃〜Ａｃ１点で行うことが望ましい。保持時間について規定しないが、１ｈｒ以上になると、焼もどしマルテンサイト相の硬さが低下し、疲労亀裂伝播の遅延効果が劣化するので、１ｈｒ以内が望ましく，熱処理炉内の均熱が良ければ，短時間の保持でもかまわない。
【００６４】
なお、本発明では熱間圧延と２相域熱処理の間に，再加熱、焼きならし、もしくは焼入れ処理を施してもよい。厚鋼板をＡｃ３変態点以上の温度域に再加熱して保持することにより，厚鋼板内部まで均一なオーステナイト相とした後，空冷もしくは加速冷却を行うと，厚鋼板内の組織が一層、均質化および微細化される。
【００６５】
加熱温度の上限については規定していないが，１１００℃以上になると鋼板表面性状が劣化するために，好ましくは１１００℃以下とする。また，保持時間についても規定していないが，１ｈｒ以上になるとオーステナイト粒の粗大化により，母材の靭性が劣化するので１ｈｒ以内が望ましく，熱処理炉内の均熱が良ければ，短時間の保持でも良い。
【００６６】
上記した組成の鋼素材を用いて，上記した条件の熱間圧延後の２相域熱処理、および焼もどし処理条件により、鋼板の金属組織として，ビッカース硬さで１３０以下のフェライト相と，面積分率が１５〜８５％のビッカース硬さで３４０以上の焼もどしマルテンサイト相の混合組織が得られ，耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼板を製造することができる。
【実施例】
【００６７】
転炉−取鍋精錬−連続鋳造法で，表１に示す組成に調製された鋼素材を，表２に示す条件の熱間圧延−再加熱焼入れ−焼もどしにより表２に示す板厚の厚鋼板とした。
【００６８】
組織分率の調査は，得られた各鋼板の圧延方向と平行な断面について，ミクロ組織観察用サンプルを採取し，ナイタール腐食の後，光学顕微鏡組織を撮影し，画像解析装置を用いて組織分率を求めた。
【００６９】
本発明範囲は，引張強さ４４０Ｎ／ｍｍ２以上，全伸び２２％以上を有する鋼材で靭性は，ＪＩＳ Ｚ２２４２（２００６）に準拠した２ｍｍＶノッチ試験片を用いたシャルピー衝撃試験により，−２０℃での吸収エネルギーが１００Ｊ以上有する鋼材とする。
【００７０】
得られた各鋼板の板厚１／２位置からＪＩＳ４号引張試験片，あるいはＪＩＳ５号全厚引張試験片を採取し，ＪＩＳ Ｚ ２２４１（２００６）の既定に準拠して引張試験を実施し，引張特性を調査した。
【００７１】
また，得られた各鋼板の板厚１／２位置から，ＪＩＳ Ｚ ２２０２（２００６）の規定に準拠してＶノッチ試験片を採取し，ＪＩＳ Ｚ ２２４２（２００６）の規定に準拠してシャルピー衝撃試験を実施し，−２０℃における吸収エネルギー（ｖＥ−２０）を求め，母材靭性を評価した。
【００７２】
疲労亀裂伝播特性の調査は，各鋼板から，荷重負荷方向が圧延方向と平行になるようＡＳＴＭ Ｅ ６４７に準拠したＣＴ試験片を採取し，クラックゲージ法で疲労亀裂伝播試験を実施し，伝播速度を求めた。
【００７３】
本発明における優れた疲労亀裂伝播特性の鋼材とは，応力拡大係数ΔＫ：１５ＭＰａ／√ｍにおける疲労亀裂伝播速度（ｄａ／ｄＮ）が８×１０−９（ｍ／ｃｙｃｌｅ）以下を有する鋼材とする。
【００７４】
得られた結果を表３に示す。本発明例は，いずれも，応力拡大係数ΔＫ：１５ＭＰａ／√ｍにおける疲労亀裂伝播速度（ｄａ／ｄＮ）が８×１０−９（ｍ／ｃｙｃｌｅ）以下と極めて遅く，優れた耐疲労亀裂伝播特性を有する。
【００７５】
さらに，引張強さ４４０ＭＰａ以上，全伸び２２％以上，および−２０℃での吸収エネルギー ｖＥ−２０＞１００Ｊの高強度，高延性，高靭性の母材特性を有する。
【００７６】
一方，本発明の範囲を外れる比較例は，疲労亀裂伝播特性および機械的特性のうち，いずれか，あるいは複数の特性が目標値を満足していない。
【００７７】
【表１】
【００７８】
【表２】
【００７９】
【表３】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼組成が，質量％で，
Ｃ：０．０５〜０．３０％，
Ｓｉ：０．０３〜０．３５％，
Ｃｒ：０．０５〜２．０％，
Ｐ：０．０３％以下
Ｓ：０．００３％以下
Ａｌ：０．１％以下
を含有し，残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、金属組織が，ビッカース硬さで８５以上１３０以下のフェライト相と，面積分率が１５〜８５％のビッカース硬さで３４０以上４４０以下の焼もどしマルテンサイト相の混合組織である耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材。
【請求項２】
鋼組成に，質量％でさらに，
Ｍｏ：０．０５〜１．０％，
Ｖ：０．０１〜０．３％
の１種または２種を含有する請求項１に記載した耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材。
【請求項３】
鋼組成に加えて，質量％でさらに，
Ｍｎ：１．２％以下
Ｃｕ：０．８％以下
Ｎｉ：１．０％以下
Ｎｂ：０．１％以下
Ｔｉ：０．０３％以下
Ｂ：０．００５％以下
Ｃａ：０．００５％以下
ＲＥＭ：０．０２％以下
Ｍｇ：０．００５％以下
の１種または２種以上を含有する請求項１または請求項２に記載の耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材．
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載した鋼組成からなる鋳片または鋼片を，１０００℃〜１３００℃に再加熱，圧延終了温度をＡｒ３変態点以上となる熱間圧延，冷却後，Ａｃ３変態点以上の温度範囲に再加熱，その温度で保持してから空冷もしくは加速冷却を行い，さらにＡｃ１変態点＋１０℃〜Ａｃ３変態点−１０℃の２相域温度範囲に再加熱，保持後、５℃／ｓ以上の平均冷却速度で焼入れし，４００℃以上，Ａｃ１点以下で焼もどすことを特徴とする耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載した鋼組成からなる鋳片または鋼片を，１０００℃〜１３００℃に再加熱，圧延終了温度をＡｒ３変態点以上となる熱間圧延後，空冷もしくは加速冷却を行い，さらにＡｃ１変態点＋１０℃〜Ａｃ３変態点−１０℃の２相域温度範囲に再加熱，保持後、５℃／ｓ以上の平均冷却速度で焼入れし，４００℃以上，Ａｃ１点以下で焼もどすことを特徴とする耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法。
【請求項１】
鋼組成が，質量％で，
Ｃ：０．０５〜０．３０％，
Ｓｉ：０．０３〜０．３５％，
Ｃｒ：０．０５〜２．０％，
Ｐ：０．０３％以下
Ｓ：０．００３％以下
Ａｌ：０．１％以下
を含有し，残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、金属組織が，ビッカース硬さで８５以上１３０以下のフェライト相と，面積分率が１５〜８５％のビッカース硬さで３４０以上４４０以下の焼もどしマルテンサイト相の混合組織である耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材。
【請求項２】
鋼組成に，質量％でさらに，
Ｍｏ：０．０５〜１．０％，
Ｖ：０．０１〜０．３％
の１種または２種を含有する請求項１に記載した耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材。
【請求項３】
鋼組成に加えて，質量％でさらに，
Ｍｎ：１．２％以下
Ｃｕ：０．８％以下
Ｎｉ：１．０％以下
Ｎｂ：０．１％以下
Ｔｉ：０．０３％以下
Ｂ：０．００５％以下
Ｃａ：０．００５％以下
ＲＥＭ：０．０２％以下
Ｍｇ：０．００５％以下
の１種または２種以上を含有する請求項１または請求項２に記載の耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材．
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載した鋼組成からなる鋳片または鋼片を，１０００℃〜１３００℃に再加熱，圧延終了温度をＡｒ３変態点以上となる熱間圧延，冷却後，Ａｃ３変態点以上の温度範囲に再加熱，その温度で保持してから空冷もしくは加速冷却を行い，さらにＡｃ１変態点＋１０℃〜Ａｃ３変態点−１０℃の２相域温度範囲に再加熱，保持後、５℃／ｓ以上の平均冷却速度で焼入れし，４００℃以上，Ａｃ１点以下で焼もどすことを特徴とする耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載した鋼組成からなる鋳片または鋼片を，１０００℃〜１３００℃に再加熱，圧延終了温度をＡｒ３変態点以上となる熱間圧延後，空冷もしくは加速冷却を行い，さらにＡｃ１変態点＋１０℃〜Ａｃ３変態点−１０℃の２相域温度範囲に再加熱，保持後、５℃／ｓ以上の平均冷却速度で焼入れし，４００℃以上，Ａｃ１点以下で焼もどすことを特徴とする耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法。
【公開番号】特開２００８−１２１０９２（Ｐ２００８−１２１０９２Ａ）
【公開日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３０８９７７（Ｐ２００６−３０８９７７）
【出願日】平成１８年１１月１５日（２００６．１１．１５）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月１５日（２００６．１１．１５）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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