抗疲劳龟裂扩展性优良的钢材及其制造方法技术

技术编号:1794057 阅读:182 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
本发明专利技术提供了对于能重复软化的材料可以进行定量表示其耐疲劳特性的材料设计的结构钢及其制造方法。这种结构钢,将最大拉伸.压缩应变为±0.012、重复速度为0.5Hz、达到最大应变的波数为12的渐增.渐减重复负荷施加15次时,用第一次的最大应变时的应力σ#-[1]与第15次的最大应变时的应力σ#-[15]之比σ#-[15]/σ#-[1]来表示的重复软化参数在0.65以上,0.95以下。该结构钢含有,C:0.02~0.20%、Si:0.60%以下、Mn:0.50~2.0%、Al:0.003~0.010%,根据情况也可以含有少量的Cu、Ni、Cr、Mo、V、Nb、Ti、B及Ca中的1种或2种以上,且用下式表示的碳当量Ceq值为0.28~0.65%:Ceq(%)=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14。(*该技术在2022年保护过期,可自由使用*)

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种适用于如船舶、海洋结构物、桥梁、建筑物、油罐、产业用·建筑用机械等接受重复负荷的器械的抗疲劳龟裂扩展性优良的结构钢及其制造方法。钢材的疲劳过程大体上可分为应力集中部位的龟裂发生和龟裂扩展这两个不同性质的阶段。通常的机械零件中认为宏观龟裂的发生就是其使用极限,几乎不进行允许龟裂扩展的设计。但是对于冗余度高的结构物,即使发生疲劳龟裂也不会立即导致破坏。因此,如果在疲劳龟裂导致最终破坏之前在定期检查中能够发现并维修龟裂部位、或在使用期间内龟裂不会增长到导致最终破坏的长度,则即使发生疲劳龟裂,结构物也可表现出足够的耐用性。对于焊接结构物,存在很多充当应力集中部位的焊趾部,完全防止疲劳龟裂的发生在技术上几乎是不太可能,且从经济上讲也不是上策。因此,关键是尽量延缓龟裂扩展的速度,并大幅度延长龟裂已存在状态下的疲劳寿命(预寿命)。关于停止钢材疲劳扩展,以求疲劳寿命的延长化的方法,特开平5-185441号公开了使疲劳龟裂顶端发生微裂纹的方法。但此方法的有效性限于ΔK(最大应力扩大系数与最小应力扩大系数之差)范围较小的情况,即裂纹不长,且应力水平低的情况;对发生于焊接部位,并具有一定长度且ΔK范围为中等程度的龟裂其效果较小。在特开平4-337026号中作为疲劳强度与抗疲劳龟裂增长性优良的高强度热轧钢板的制造方法,公开了通过控制磷及铜的含量形成铁素体结晶粒径为5~25μm、第二相体积分率为10~30%的二相组织的方法。但此公报中的抗疲劳龟裂增长性是指疲劳龟裂扩展的下限应力扩大系数范围(ΔKth),虽对提高疲劳龟裂扩展的下限应力扩大系数有效果,但并不是对迟缓疲劳龟裂扩展速度有效的技术。在日本特许第2692134号中,公开了由构成硬质部的基质与分散于基质中的软质部形成且此两部分硬度差为维氏硬度150以上,并具有抑制疲劳龟裂扩展效果的钢板。但该特许中没有示出钢的机械特性。另外,该技术只能适用于能明确区分硬质部与软质部组织的情况。一般为了提高强度与韧性需要进行组织细微化,所以并不一定能明确区分硬质部与软质部组织,且能测定其硬度差。在特开平2001-41868号中,公开了对20%以上为贝氏体组织的钢材,根据用-4~-0.25应力比、交变脉冲波形施加控制应变的重复负荷时的软化量(重复软化参数)来评价疲劳龟裂扩展速度的方法。按照该方法,如果预先作出重复软化量与疲劳龟裂扩展速度的相关基本曲线,就可以从重复软化量迅速并有效地评价出疲劳龟裂扩展速度。但这只是一种评价方法,并不能提供符合此评价的优良钢。而且,也没有说明作为结构钢是否具有充分的强度、韧性和焊接性。众所周知,受到重复应变的条件下,相对于退火材所发生的固化,含固化组织的钢材会发生软化(即,表示“重复软化”)。像这样能重复软化的钢材,因其耐疲劳特性的本质还没有被解释清楚,所以也没有确立工业上的设计基准。其结果,这种材料一直未被使用于发挥其耐疲劳特性的领域。根据本专利技术,以对包括在重复应变条件下的软化行为在内的钢材的耐疲劳特性的研究为基础,提供了。该钢材兼备了适用于船舶、海洋结构物、桥梁、建筑物、油罐等的结构钢所需的最佳的强度·韧性及焊接性。本专利技术中的抗疲劳龟裂扩展性优良的钢材,在施加最大拉伸·压缩应变为±0.012、重复速度为0.5Hz、达到最大应变前的频率为12的渐增·渐减重复负荷15次时,以第1次的最大应变时的应力σ1与第15次的最大应变时的σ15之比σ15/σ1来表示的重复软化参数在0.65以上、0.95以下。该钢材最好具有以下组成含有C0.02~0.20%(质量%,以下同)、Si0.60%以下、Mn0.50~2.0%、Al0.003~0.10%,根据情况也可以再含有选自下述(A)~(D)的1种或2种以上的元素,且用下式表示的碳当量Ceq值为0.28~0.65%。Ceq(%)=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14(A)Cu1.5%以下、Ni1.5%以下、Cr1.20%以下、Mo1.0%以下、及V0.10%以下中的一种或两种以上,(B)Nb0.10%以下及Ti0.10%以下的一种或两种,(C)B0.0003~0.0020%、以及(D)Ca0.0005~0.010%。本专利技术的抗疲劳龟裂扩展性优良的钢材,可用下述的任何一种方法来制造。(a)进行1次以上的将经热加工的具有上述组成的钢材,再加热到Ac1点以上,然后以5℃/s以上的冷却速度冷却到550℃以下的热处理的方法,(b)将经热加工的具有上述组成的钢材,从(Ar3点-100)℃以上、(Ar3点+150)℃以下的温度域,以5℃/s以上的冷却速度冷却到550℃以下的方法,(c)进行1次以上的将经热加工的具有上述组成的钢材,从(Ar3点-100)℃以上、(Ar3点+150)℃以下的温度域,以5℃/s以上的冷却速度冷却到550℃以下后,再加热到Ac1点以上,然后以5℃/s以上的冷却速度冷却到550℃以下的热处理的方法。以上各种方法都可在最后进行加热到Ac1点以下温度后回火的热处理。附图说明图1为表示渐增·渐减应变波形的图。图2为表示重复软化参数与疲劳龟裂扩展速度的关系的图表。图3为表示根据有限元法分析求得的疲劳龟裂顶端上的应变量的图表。本专利技术有关于施加重复应变条件下的钢材软化程度的评价,所以本专利技术作为对象的钢材具有受到重复应变时发生软化的组织(即固化组织)。具有固化组织的钢材由重复应变发生软化,此时显示出重复应变参数σ15/σ1与通常使用的应力扩大系数范围(ΔK)=20MPa·m0.5范围内的疲劳龟裂扩展速度(da/dN)相关,从而判定出可用于疲劳龟裂扩展速度的评价。如果重复软化参数降到0.65以下,则龟裂扩展速度会变迟缓,但钢材的韧性和焊接性也会劣化,作为结构钢的用途将受到显著的限制。另一方面,若重复软化参数升到0.95以上,则不仅龟裂扩展速度会变快,也会引起强度的削减。所以重复软化参数设定为0.65以上、0.95以下。重复软化参数优选在0.70以上,0.90以下。下面说明本专利技术中所采用的重复软化参数σ15/σ1。为了求重复软化参数而负荷于钢材的应变波形,是用于评价钢材的重复软化量,所以选用拉伸与压缩交替作用的交变脉冲波形。设此波形为渐增·渐减波形、重复速度为0.5Hz、应变渐增后的应变范围为0.024(最大拉伸·压缩应变=±0.012)。所谓0.5Hz的重复速度是考虑对内部发热的抑制而设定的。0.024的应变范围是根据通常使用的应力扩大系数范围(ΔK)为20MPa·m0.5而设定的。还设定在应变渐增过程中12波时达到最大应变,而在应变渐减过程中12波时应变量成零。将该渐增·渐减过程为一组,以下用称作“方块”的单位来表示。图1表示以时间(sec)为横轴,应变量为纵轴时的应变波形。图示的只是第1、第2方块,但方块数共有15个,即相同的渐增·渐减波形重复15次。15次的次数是考虑由重复应变所发生的软化效果到15次时大致饱和而设定的。以与第1方块的最大应变对应的应力为σ1,与第15方块的最大应变对应的应力为σ15将σ15/σ1值定义为重复软化参数。图2时表示如此定义的重复软化参数与疲劳龟裂扩展速度之间关系的图表,如前所述,此类因子间存在一定的关系。此作用过程可认为如下若给钢材施加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结构钢,其特征在于,将最大拉伸.压缩应变为±0.012、重复速度为0.5Hz、达到最大应变的波数为12的渐增.渐减重复负荷施加15次时,用第一次的最大应变时的应力σ↓[1]与第15次的最大应变时的应力σ↓[15]之比σ↓[15]/σ↓[1]来表示的重复软化参数在0.65以上,0.95以下。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员:誉田登藤原知哉胜元弘濑田一郎
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]

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