脆性裂紋傳播停止特性優良的大線能量焊接用高強度鋼板及其制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及脆性裂紋傳播停止特性（brittle crack arrestability)優良的大 線能量焊接（high heat input welding)用高強度鋼板（high-strength thick steel plate)及其制造方法，特別涉及適合用于船舶的板厚50mm以上的高強度鋼板。
【背景技術】
[0002] 對于船舶等大型結構物而言，脆性斷裂（brittle fracture)所帶來的事故對經濟 和環境產生的影響很大。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 的靭性（toughness)、和脆性裂紋傳播停止特性。
[0003] 集裝箱船、散裝貨輪等船舶在其結構上將高強度的厚壁材料用于船體外板（outer plate of ship's hull)。最近，隨著船體的大型化，正在進一步發展高強度厚壁化，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越變差的傾向，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，以商業規模使用9%附鋼。
[0005] 但是，Ni量的增加不得不使成本大幅上升，因此，難以應用于LNG儲罐以外的用 途。
[0006] 另一方面，對于沒有達到LNG這樣的極低溫（ultra low temperature)的、用于船 舶或管線的、板厚小于50mm的比較薄的鋼材，可以通過TMCP(Thermo_Mechanical Control Process，熱機械控制工藝）法實現細粒化而使低溫靭性提高，從而賦予優良的脆性裂紋傳 播停止特性。
[0007]另外，在專利文獻1中提出了為了在不使合金成本上升的前提下使脆性裂紋傳播 停止特性提高而將表層部的組織超微細化（ultra fine grained steel)的鋼材。
[0008] 專利文獻1記載的脆性裂紋傳播停止特性優良的鋼材的特征在于，著眼于脆性裂 紋傳播時在鋼材板厚表層部產生的剪切唇（塑性變形區域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] 此外，在專利文獻1中記載了如下內容：通過熱乳后的控制冷卻將板厚表層部 分冷卻至Ar 3相變點（transformation point)以下，然后，停止控制冷卻（controlled cooling)，將板厚表層部分再加熱（recuperate)至相變點以上，反復進行1次以上上述工 序，在此期間對鋼材實施乳制，由此使其反復發生相變或加工再結晶，在板厚表層部分生成 超微細的鐵素體組織（ferrite structure)或貝氏體組織（bainite structure)。
[0010] 另外，專利文獻2中記載了如下內容：對于以鐵素體-珠光體（pearlite)作為 主體顯微組織的鋼材，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%以上鐵素體組織的層構成，所述鐵素體組織具有圓等效粒徑（circle-equivalent average grain size)為 5 y m 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，將精乳中的每I個道次的最 大壓下率（maximum rolling reduction)設定為12%以下，從而抑制局部的再結晶現象。
[0011] 但是，專利文獻1、2中記載的脆性裂紋傳播停止特性優良的鋼材是通過僅將鋼材 板厚表層部暫時冷卻后再進行再加熱、并且在再加熱中實施加工而得到特定的組織，因此， 在實際生產規模下不易控制。特別是對于板厚超過50_的厚壁材料而言，是對乳制、冷卻 設備的負荷大的工藝。
[0012] 另一方面，專利文獻3中記載了不僅著眼于鐵素體晶粒的微細化、而且著眼于形 成在鐵素體晶粒內的亞晶粒（subgrain)而使脆性裂紋傳播停止特性提高的TMCP延伸技 術。
[0013] 具體而言，在板厚為30~40mm的鋼板的情況下，無需進行鋼板表層的冷卻以及再 加熱等復雜的溫度控制，通過下述條件使脆性裂紋傳播停止特性提高：(a)確保微細的鐵 素體晶粒的乳制條件、（b)在鋼材板厚的5%以上的部分中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（texture)發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，還已知在控制乳制中對相變后的鐵素體施加乳制而使織構發達、由此使脆 性裂紋傳播停止特性提高的方法。該方法通過在鋼材的斷裂面上沿著與板面平行的方向產 生裂口（separation)而緩和脆性裂紋前端的應力來提高對脆性斷裂的阻力。
[0015] 例如，專利文獻4中記載了如下內容：通過控制乳制使（110)面X射線強度比 (X-ray plane intensity ratio in the (110)plane showing a texture developing degree)為2 以上、并且使圓等效直徑（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中公開了一種作為接縫部的脆性裂紋傳播停止特性優良的焊接結 構用鋼的鋼板，其特征在于，在板厚內部的乳制面上的（100)面的X射線面強度比為1. 5以 上，并且記載了利用由該織構發達所產生的應力負荷方向與裂紋傳播方向的角度偏差能夠 得到優良的脆性裂紋傳播停止特性。
[0017] 現有技術文獻
[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 用鋼的長大脆性裂紋傳播特性）、日本船舶海洋工學會講演論文集第3期、2006、PP359~ 362
【發明內容】
[0027] 發明所要解決的問題
[0028]近來，在超過 6000TEU (Twenty-foot Equivalent Unit，二十英尺當量單位）的大 型集裝箱船中，使用板厚超過50mm的鋼板。非專利文獻1中，對板厚65mm的鋼板的脆性裂 紋傳播停止特性進行了評價，并且報道了在母材的大型脆性裂紋傳播停止試驗中脆性裂紋 沒有停止的結果。
[0029] 另外，在供試材料的標準ESSO試驗（ESSO test compliant with WES3003)中，顯 示出在-KTC的使用溫度下的Kca的值（以下，也記載為Kca(-10°C ))小于3000N/mm3/2的 結果，在應用板厚超過50_的鋼板的船體結構的情況下，暗示出確保安全性成為課題。
[0030] 從制造條件、公開的實驗數據來看，上述專利文獻1~5中記載的脆性裂紋傳播停 止特性優良的鋼板以約50_的板厚的鋼板為主要對象。將專利文獻1~5所記載的技術 應用于超過50mm的厚壁材料的情況下，不清楚能否得到規定的特性，對于船體結構中所必 需針對板厚方向的裂紋傳播的特性，完全沒有得到驗證。
[0031] 另一方面，伴隨著鋼板的厚壁化，在焊接施工中應用埋弧焊（submerged arc welding)、氣電焊（electrogas arc welding)和電渣焊（electroslag welding)等高效 (high efficiency)的大線能量焊接。通常已知，如果焊接線能量增大，則焊接熱影響部 (Heat Affected Zone ;HAZ)的組織粗大化，因此，焊接熱影響部的韌性下降。為了解決由 這樣的大線能量焊接導致的韌性降低的問題，已經開發出了大線能量焊接用鋼材，并已實 用化。例如，專利文獻6中公開了如下技術：通過控制鋼中析出的TiN，防止焊接熱影響部 組織的粗大化（coarsening)，同時通過鐵素體生成核的分散，促進晶粒內鐵素體相變，由此 使焊接熱影響部高韌化。然而，盡管大線能量焊接部的焊接熱影響部的韌性優良，并未考慮 脆性裂紋傳播停止特性，并未獲得滿足兩特性的鋼材。
[0032] 因此，本發明的目的在于，提供能夠通過優化鋼成分和乳制條件而控制板厚方向 上的織構的工業上極其簡易的工藝來穩定地制造的脆性裂紋傳播停止特性優良的大線能 量焊接用高強度鋼板及其制造方法。
[0033] 用于解決問題的方法
[0034] 本發明人們為了實現上述課題反復進行了深入的研究，關于即使是厚壁鋼板也具 有優良的裂紋傳播停止特性的高強度厚鋼板得到以下的見解。
[0035] 1.對于板厚超過50mm的厚鋼板，詳細考察標準ESSO試驗的斷口，結果，在成為如 圖1(b)所示的斷口形態的情況下，隨著脆性裂紋的寬度減小，裂紋前端部的應力擴大系數 減小，結果鋼板的止裂性能提高。圖1(a) (b)示意地示出了標準ESSO試驗片1的從缺口 2 進入的裂紋3在母材5中以前端形狀4停止傳播。
[0036] 2.為了得到如上所述的斷口形態，需要提高板厚表層部和板厚中央部的止裂性 能。作為使板厚表層部和板厚中央部的止裂性能提高的方法，使板厚表層部和板厚中央部 的靭性提高是有效的。但是，對于板厚超過50_這樣的厚鋼板而言，冷卻速度和壓下率等 存在限制，從而對于提高板厚中央部的靭性也存在界限。
[0037] 3.作為除了提高韌性以外還使止裂性能提高的方法，控制板厚中央部的織構是有 效的，特別是相對于乳制方向平行地使（110)面集聚，以使乳制方向或板寬方向上發展的 裂紋分別從乳制方向或板寬方向傾斜地偏離的方式進行織構控制是有效的。
[0038] 4.另外，通過使在板厚中央部處于奧氏體再結晶溫度區的狀態下的累積壓下率為 20%以上，并且使每1個道次的平均壓下率為5. 0 %以下，實現板厚表層部的組織的微細 化。然后，通過使在板厚中央部處于奧氏體未再結晶溫度區的狀態下的累積壓下率為40% 以上，并且使每1個道次的平均壓下率為7%以上，可以使板厚中央部的靭性和織構發達， 從而能夠實現上述的組織。
[0039] 5.作為提高大線能量