脆性裂紋傳播停止特性優(yōu)良的大線能量焊接用高強度厚鋼板及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及脆性裂紋傳播停止特性（brittle crack arrestability)優(yōu)良的大 線能量焊接（high heat input welding)用高強度厚鋼板（high-strength thick steel plate)及其制造方法，特別是涉及適合用于船舶的板厚為50mm以上的高強度厚鋼板。
【背景技術(shù)】
[0002] 對于船舶等大型結(jié)構(gòu)物而言，伴隨脆性斷裂（brittle fracture)產(chǎn)生的事故給經(jīng) 濟、環(huán)境帶來的影響較大。因此，通常要求提高安全性，對于所使用的鋼材要求使用溫度下 的韌性（toughness)、脆性裂紋傳播停止特性。
[0003] 集裝箱船、散裝貨船等船舶在其結(jié)構(gòu)上使用高強度的厚壁材料作為船體外板 (outer plate of ship' s hull)。最近，隨著船體的大型化，高強度厚壁化進一步發(fā)展，通 常，鋼板的脆性裂紋傳播停止特性具有越是高強度或越是厚壁材料則越劣化的傾向，因此， 對脆性裂紋傳播停止特性的要求也進一步提高。
[0004] 作為使鋼材的脆性裂紋傳播停止特性提高的方法，一直以來已知有增加Ni含量 的方法，在液化天然氣（1^6:1^9116打6(1似1：1?^1638)的儲罐中，在商業(yè)規(guī)模下使用9%附 鋼。
[0005] 但是，Ni量的增加迫使成本大幅升高，因此難以應(yīng)用于LNG儲罐以外的用途。
[0006] 另一方面，對于達不到LNG這樣的極低溫度（ultra low temperature)的、船舶 或管線管中使用的板厚小于50mm的較薄的鋼材，通過TMCP (Thermo-Mechanical Control Process，熱機械控制工藝）法實現(xiàn)細?；沟蜏仨g性提高，由此，能夠賦予優(yōu)良的脆性裂 紋傳播停止特性。
[0007] 另外，為了在不使合金成本升高的情況下使脆性裂紋傳播停止特性提高，在專利 文獻1中提出了將表層部的組織超微細化（ultra fine grained steel)而得到的鋼材。
[0008] 在專利文獻1中記載了一種脆性裂紋傳播停止特性優(yōu)良的鋼材，其特征在于，著 眼于脆性裂紋傳播時在鋼材表層部產(chǎn)生的剪切唇（塑性變形區(qū)域shear-lips)對脆性裂紋 傳播停止特性的提高有效，使剪切唇部分的晶粒微細化，從而吸收傳播的脆性裂紋所具有 的傳播能量。
[0009] 另外，在專利文獻1中記載了：通過熱乳后的控制冷卻將表層部分冷卻至Art相變 點（transformation point)以下，然后，停止控制冷卻（controlled cooling)，將表層部 分回?zé)幔╮ecuperate)至相變點以上，將該工序反復(fù)進行一次以上，在此期間對鋼材進行壓 下，由此使其反復(fù)發(fā)生相變或加工再結(jié)晶，在表層部分生成超微細的鐵素體組織（ferrite structure)或貝氏體組織（bainite structure)。
[0010] 此外，在專利文獻2中，對于以鐵素體-珠光體（pearlite)作為主體的顯微組織 的鋼材而言，為了使脆性裂紋傳播停止特性提高，重要的是鋼材的兩表面部由具有50%以 上的鐵素體組織的層構(gòu)成，所述鐵素體組織具有圓等效粒徑（circle-equivalent average grain size)為5 ym以下、長徑比（aspect ratio of the grains)為2以上的鐵素體晶 粒，并且抑制鐵素體粒徑的偏差。作為抑制偏差的方法，記載了：將精乳中的每1個道次的 最大壓下率（maximum rolling reduction)設(shè)定為12%以下，從而抑制局部性的再結(jié)晶現(xiàn) 象。
[0011] 但是，專利文獻1、2中記載的脆性裂紋傳播停止特性優(yōu)良的鋼材是通過僅將鋼材 表層部暫時冷卻后再進行回?zé)岵⑶以诨責(zé)嶂袑嵤┘庸ざ玫教囟ńM織的鋼材，因此，在實 際生產(chǎn)規(guī)模下不易控制。特別是對于板厚超過50mm的厚壁材料而言，是對乳制、冷卻設(shè)備 的負荷大的工藝。
[0012] 另一方面，在專利文獻3中記載了一種TMCP的擴展方面的技術(shù)，其不僅著眼于鐵 素體晶粒的微細化，而且著眼于形成在鐵素體晶粒內(nèi)的亞晶粒（subgrain)，使脆性裂紋傳 播停止特性提高。
[0013] 具體而言，對于板厚為30~40mm的鋼板而言，無需進行鋼板表層的冷卻及回?zé)岬?復(fù)雜的溫度控制，通過下述條件使脆性裂紋傳播停止特性提高，所述條件為：(a)確保微細 的鐵素體晶粒的乳制條件、（b)在鋼材板厚的5%以上的部分生成微細鐵素體組織的乳制 條件、（c)在微細鐵素體中使織構(gòu)（texture)發(fā)達并且利用熱能將通過加工（乳制）引入 的位錯（dislocation)再配置而形成亞晶粒的乳制條件、（d)抑制所形成的微細鐵素體晶 粒和微細亞晶粒的粗大化的冷卻條件。
[0014] 另外，還已知如下方法：在控制乳制中，對相變后的鐵素體實施壓下而使織構(gòu)發(fā) 達，由此使脆性裂紋傳播停止特性提高。該方法中，在鋼材的斷裂面上沿著與板面平行的方 向產(chǎn)生分離（separation)，使脆性裂紋前端的應(yīng)力緩和，由此提高對脆性斷裂的阻力。
[0015] 例如，在專利文獻4中記載了：通過控制乳制使（110)面X射線強度比（X-ray plane intensity ratio in the(I10)plane showing a texture developing degree) 為 2 以上、并且使等效圓直徑（diameter equivalent to a circle in the crystal grains) 20 ym以上的粗大晶粒為10%以下，由此使耐脆性斷裂特性提高。
[0016] 在專利文獻5中，作為接頭部的脆性裂紋傳播停止性能優(yōu)良的焊接結(jié)構(gòu)用鋼，公 開了一種特征在于板厚內(nèi)部的乳制面中的（1〇〇)面的X射線面強度比具有1.5以上的鋼 板，并記載了通過由該織構(gòu)發(fā)達引起的應(yīng)力負荷方向與裂紋傳播方向的角度的不一致而得 到優(yōu)良的脆性裂紋傳播停止特性。
[0017] 現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0018] 專利文獻
[0019] 專利文獻1:日本特公平7-100814號公報
[0020] 專利文獻2:日本特開2002-256375號公報
[0021] 專利文獻3:日本專利第3467767號公報
[0022] 專利文獻4 :日本專利第3548349號公報
[0023] 專利文獻5 :日本專利第2659661號公報
[0024] 專利文獻6:日本專利第3546308號公報
[0025] 非專利文獻
[0026]非專利文獻1:井上等，厚手造船用鋼([朽以3長大脆性g裂伝播挙動（厚壁造船 用鋼的寬大脆性裂紋傳播行為）、日本船舶海洋工學(xué)會演講會論文集第3期、2006、pp359~ 362
[0027] 非專利文獻2 :"脆性亀裂7 U只卜設(shè)計指針（脆性裂紋停滯設(shè)計指南）"，2009年 9月（財）日本海事協(xié)會

【發(fā)明內(nèi)容】

[0028] 發(fā)明所要解決的問題
[0029] 在最近的超過6000TEU (Twenty-foot Equivalent Unit，二十英尺當(dāng)量單位）的大 型集裝箱船中，使用板厚超過50mm的厚鋼板。非專利文獻1中，對板厚65mm的鋼板的脆性 裂紋傳播停止性能進行了評價，并報道了在母材的大型脆性裂紋傳播停止試驗中脆性裂紋 不會停止的結(jié)果。
[0030]另外，在供試材料的標(biāo)準(zhǔn) ESSO 試驗（ESSO test compliant with WES 3003)中， 顯示出在-10°c的使用溫度下的Kca的值（以下，也記為Kca(-10°C ))不滿3000N/mm3/2的 結(jié)果，在應(yīng)用板厚超過50_的鋼板的船體結(jié)構(gòu)的情況下，暗示了安全性確保成為課題。
[0031] 對于上述專利文獻1~5中記載的脆性裂紋傳播停止特性優(yōu)良的鋼板而言，從制 造條件、公開的實驗數(shù)據(jù)來看，可以認(rèn)為板厚約50_以下的鋼板為主要對象。在將專利文 獻1~5中記載的技術(shù)應(yīng)用于超過50mm的厚壁材料的情況下，不清楚能否得到規(guī)定的特 性，對于船體結(jié)構(gòu)所需的關(guān)于板厚方向的裂紋傳播的特性，完全沒有進行驗證。
[0032] 另一方面，伴隨著鋼板的厚壁化，在焊接施工中應(yīng)用埋弧焊（submerged arc welding)、氣電焊（electrogas arc welding)、電渣焊（electroslag welding)等高效率 (high efficiency)的大線能量焊接。通常已知，焊接線能量增大時，焊接熱影響區(qū)（Heat Affected Zone ;HAZ)的組織發(fā)生粗大化，因此焊接熱影響區(qū)的韌性降低。為了解決這樣的 大線能量焊接所導(dǎo)致的韌性降低的問題，已開發(fā)了大線能量焊接用鋼材，并實現(xiàn)了實用化。 例如，在專利文獻6中公開了如下技術(shù)：通過控制在鋼中析出的TiN來防止焊接熱影響區(qū)組 織的粗大化（coarsening)，并且利用鐵素體生成核的分散促進晶粒內(nèi)鐵素體相變，由此使 焊接熱影響區(qū)高韌化。但是，雖然大線能量焊接部的焊接熱影響區(qū)的韌性優(yōu)良，但并沒有考 慮脆性裂紋傳播停止特性，沒有得到滿足兩種特性的鋼材。
[0033] 因此，本發(fā)明的目的在于提供能夠利用對鋼成分、乳制條件進行優(yōu)化而控制板厚 方向上的織構(gòu)的、在工業(yè)上極其簡易的工藝來穩(wěn)定地制造的脆性裂紋傳播停止特性優(yōu)良的 大線能量焊接用高強度厚鋼板及其制造方法。
[0034] 用于解決問題的方法
[0035] 本發(fā)明人為了實現(xiàn)上述課題而反復(fù)進行了深入研究，對于即使是厚壁鋼板也具有 優(yōu)良的脆性裂紋傳播停止特性的高強度厚鋼板，得到了下述見解。
[0036] 1.對于板厚超過50mm的厚鋼板，進行標(biāo)準(zhǔn)ESSO試驗。圖I (a) (b)是示意性地表 示從標(biāo)準(zhǔn)ESSO試驗片1的缺口 2穿入的裂紋3在母材5中以前端形狀4停止傳播的例子 的圖，確認(rèn)了 ：在確認(rèn)到如（a)示意性所示的短的裂紋的分支3a的情況下，可以得到高的止 裂性。推測是由于，裂紋的分支3a使應(yīng)力得到緩和。
[0037] 2.為了得到上述的斷口形態(tài)，需要形成使裂紋分支的組織形態(tài)。在此，相比于以鐵 素體為主體的鋼組織，以在內(nèi)部存在板條束（packet)等的貝氏體為主體的鋼組