耐环境助长裂纹性优良的金属结构制品、提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法

专利名称：耐环境助长裂纹性优良的金属结构制品、提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法
技术领域：
本发明涉及作为化学成套设备或石油精制装置等各种装置或配管或者气体管线等使用的金属结构物或者结构制品中，提高了在氯化物、胺、硫化氢、硝酸盐、碳酸盐等各种腐蚀环境下的抗应力腐蚀裂纹及抗氢脆化裂纹(以下，将这些称为环境助长裂纹)的结构物和结构制品、以及提高抗环境助长裂纹性的方法。
背景技术：
作为环境助长裂纹，有在低浓度氯化物水溶液中或者反复进行氯化物的浓缩稀释的海岸附近的结构物、配管等的应力腐蚀裂纹，由石油精制工业的氢化脱硫装置的反应塔、加热炉的热交换器等中的奥氏体系不锈钢焊接热影响区的连多硫酸引起的晶界应力腐蚀裂纹，硝酸铵制造装置、油井管、热风炉等中的碳素钢、低合金钢的硝酸盐水溶液环境下的应力腐蚀裂纹，天然气输送管线、高压气体透平等中的碳素钢的碳酸盐水溶液环境下的应力腐蚀裂纹，肥料用氨的贮藏、运送容器等中的碳素钢的焊接热影响区的应力腐蚀裂纹，化学成套设备中的碳素钢的CO-CO2-H2O环境下的应力腐蚀裂纹等，再有，即使在Ni合金中，也有压力容器等中的Ni合金的应力腐蚀裂纹，除此之外，即使在Cu或Cu合金中，在湿润大气、海水、淡水环境下也产生应力腐蚀裂纹，另外，在Al合金中，在氯化物水溶液环境下也产生应力腐蚀裂纹。
另外，有由于氢向金属材料的侵入而产生的应力引起的裂纹，即，氢诱发裂纹。虽然氢的侵入反应速度大大左右该裂纹的产生，但是，在金属材料中，由于负荷或者残留的应力而加速龟裂的发展，成为和上述的应力腐蚀裂纹相同的举动。即，这些裂纹是在应力存在下，通过腐蚀环境助长金属结构制品的表面或者表层的微小裂纹的进展而产生的。
这些裂纹是材料、腐蚀环境、应力的存在的3个条件叠加而产生的，通过去除这些中的任一个条件，就能够抑制裂纹的产生。从材料方面来说，向不发生应力腐蚀裂纹的材料的变更，例如，从奥氏体不锈钢向铁素体系不锈钢的变更，从腐蚀环境的方面来说，采用阴极防蚀等防蚀措施，或者从应力方面来说，用于去除负荷应力或者减低负荷应力的热处理(消除应力退火)或喷丸处理等，迄今正在进行各种对策。
但是，材料的变更，由于材料强度上的制约或与腐蚀环境的组合上的制约等，能够适宜的选择的情况受到限制。另外，消除应力退火，在处理对象是大型的结构制品时，必须要有用于进行热处理的大型的热处理炉，并且对于固定结构件等来说，热处理本身也是不可能的。另外，由于材料不同，由消除应力退火热处理而引起的材质上的变化也成为制约。再有，对于来自外部施加的应力，该热处理没有效果。另外，由喷丸硬化引起的残余应力的降低也是有效的，但是对于大型的金属结构制品来说，与热处理同样地有装置上的问题。
像这样，这些以往的对策，有应用上的制约，并且成本也增大，因此难以成为经济而且有效的对策。
还提出了利用上述的喷丸处理，提高焊接制品的焊接部的强度，利用用于形成抑制应力集中或微小应力缺陷的应力模型的超声波冲击能的处理方法(例如美国专利第6171415号公报)。另外，也已知道，通过该冲击处理，表面成为平滑(例如，Surface Nanocrystallization(SNC)of metallicMaterials-Presentaion of the Concept behind a New Approach，Journal.Sci.Technol.Vol.15 No.3，1999)。
但是，在这些文献中，没有提及环境助长裂纹。
发明的公开本发明以解决上述的问题，提供耐环境助长裂纹性优良的金属结构制品及提高抗该环境助长裂纹性的方法为课题。
本发明是为了解决上述的课题而作出的发明，是在金属结构制品的环境助长裂纹成为问题的部位，实施用借助超声波以振幅20～60μm、频率19kHz～60kHz、输出功率0.2～3kW使尖端振动的工具打击金属表面的超声波冲击处理，来改善其金属表层的组织，由此得到耐环境助长裂纹性优良的金属结构制品的发明，另外，进一步进行在进行该处理时的合适的前处理及处理后的检查，保证其效果。其要点如下。
(1)耐环境助长裂纹性优良的金属结构制品，其特征在于，使金属结构制品的环境助长裂纹成为问题的部位的、自表面大于或等于50μm厚度的表层金属组织形成由长轴实质上平行于表面的晶粒构成的层状组织。
(2)在(1)中记载的耐环境助长裂纹性优良的金属结构制品，其特征在于，上述金属结构制品的环境助长裂纹成为问题的部位的金属是抗拉强度大于或等于490N/mm2级的钢。
(3)在(1)或(2)中记载的耐环境助长裂纹性优良的金属结构制品，其特征在于，上述金属结构制品的环境助长裂纹成为问题的部位包括焊接熔合线部和/或焊接热影响区。
(4)在(1)～(3)的任一项中记载的耐环境助长裂纹性优良的金属结构制品，其特征在于，上述层状组织的长轴实质上平行于表面的晶粒的长轴方向长度对短轴方向长度之比是大于或等于5。
(5)在(1)～(4)的任一项中记载的耐环境助长裂纹性优良的金属结构制品，其特征在于，上述层状组织的长轴实质上平行于表面的晶粒的短轴方向的长度是小于或等于5μm。
(6)提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，在金属结构制品的环境助长裂纹成为问题的部位实施超声波冲击处理，使自表面大于或等于50μm厚度的表层的金属组织形成由长轴实质上平行于表面的晶粒构成的层状组织。
(7)在(6)中记载的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，上述金属结构制品的抗环境助长裂纹成为问题的部位的金属是抗拉强度大于或等于490N/mm2级的钢。
(8)在(6)或(7)中记载的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，上述金属结构制品的抗环境助长裂纹成为问题的部位包括焊接熔合线和/或焊接热影响区。
(9)在(6)～(8)的任一项中记载的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，上述层状组织的长轴实质上平行于表面的晶粒的长轴方向长度对短轴方向长度之比是大于或等于5。
(10)在(6)～(9)的任一项中记载的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，与上述层状组织的表面基本平行的晶粒的短轴方向长度是小于或等于5μm。
(11)在(6)～(10)的任一项中记载的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，在实施上述超声波冲击处理之前，在上述金属结构制品的环境助长裂纹成为问题的部位及其附近部位实施前处理。
(12)在(11)中记载的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，上述前处理是使上述金属结构制品的环境助长裂纹成为问题的部位及其附近部位的内部应力和/或表面应力发生变化的处理。
(13)在(11)或(12)中记载的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，上述前处理包括在检测上述金属结构制品的环境助长裂纹成为问题部位的龟裂的同时，去除检测出的龟裂的处理。
(14)在(6)～(13)的任一项中记载的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，上述超声波冲击处理还使上述金属结构制品的环境助长裂纹成为问题部位的表面形状形成不易发生应力集中的形状，而且在表面附近赋予压缩残余应力。
(15)在(6)～(14)的任一项中记载的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，在上述金属结构制品的环境助长裂纹成为问题的部位实施超声波冲击处理，然后再进行品质保证检查。
(16)在(15)中记载的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，上述品质保证检查是确认超声波冲击处理后的处理面与处理前相比，大于或等于50μm的厚度发生塑性变形的情形，以及处理面成为不易发生应力集中的表面形状的情形之一或两者的品质保证检查。
(17)在(16)中记载的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，上述品质保证检查的塑性变形的确认，是利用铃木赛璐珞透明薄膜印制试样显微镜检验法进行观察超声波冲击处理后的处理面，判断与未处理的部分相比，是否其大于或等于50％的晶粒发生细化。
(18)在(16)中记载的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，上述品质保证检查的塑性变形的确认，是利用超声波粒径测定装置测定超声波冲击处理后的处理面的晶粒度，判断与未处理的部分相比，是否其大于或等于50％的晶粒发生细化。
(19)在(16)中记载的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，上述品质保证检查的不易发生应力集中的表面形状的确认，是使用仿型材将超声波冲击处理后的处理面仿型，判断仿型的面是否是不易发生应力集中的表面形状。
(20)在(16)中记载的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，上述品质保证检查的不易发生应力集中的表面形状的确认，是使用变位计测定超声波冲击处理后的处理面，判断其变位是否是不易发生应力集中的面的变位范围内。
附图的简单说明

图1(a)是表示应力腐蚀裂纹的龟裂的进展状况的剖面示意图，表示晶界处于垂直于拉伸应力的方向。图1(b)是表示应力腐蚀裂纹的进展状况的剖面示意图，表示晶界大体上平行于拉伸应力的方向。
图2(a)是表示金属结构制品的超声波冲击处理前的剖面组织的组织照片。图2(b)是表示金属结构制品的超声波冲击处理前的剖组织的示意图。
图3(a)是表示金属结构制品的超声波冲击处理后的剖面组织的组织照片。图3(b)是表示金属结构制品的超声波冲击处理后的剖面组织的示意图。
图4是表示应力腐蚀试样的取样状况的图。
实施发明的最佳方式本发明作为对象的金属结构制品，是由金属构成的机械部件或配管、容器等结构部件，或者包含组合这些部件的装置等结构物。而且一般对金属材料实施切削、弯曲等加工，或者再实施焊接加工来制造这些结构制品。另外，作为金属材质，不限于碳素钢、低合金钢、不锈钢等钢材，也包括Ni、Cu等金属及其合金。
可是，在拉伸应力的存在下，金属结构制品如果处于腐蚀环境，在表面或者表层产生的微小的龟裂会发展，环境助长裂纹作为大的裂纹使金属结构制品的机能降低，但是该龟裂的进展方向，如图1(a)所示，是垂直于拉伸应力(残余应力、外部应力)的方向，通常沿着晶界。因此，如图1(b)所示，拉伸应力的方向如果实质上与晶界的方向平行，则该应力对使龟裂的尖端进一步开口就不起作用，因此使进展迟缓，即提高龟裂的传播阻力，就能够抑制环境助长裂纹。
本发明人着眼于这点，想到了使环境助长裂纹成为问题的部位的表层组织形成层状组织。通过形成该层状组织，晶界的大部分成为实质上平行于拉伸应力的方向，因此如上所述，即使产生微小龟裂，也能够提高抗龟裂的传播性，能够抑制环境助长裂纹。
像这样，作为使所要的部位的表层形成层状组织的手段，用借助超声波以振幅20～60μm、频率19kHz～60kHz、输出功率0.2～3kW使顶端的锤部振动的装置打击金属表面，进行喷丸的超声波冲击处理(例如参照美国专利第6171415号公报，Surface Nanocrystallization(SNC)of metallicMaterials-Presentaion of the Concept behind a New Approach，Journal.Sci.Technol.Vol.15 No.3，1999)是合适的。该处理方法，基本上和锤喷丸相同，是代替一次一次的打击能量小，通过在1秒钟给予超过1万次的次数的打击，在金属上赋予塑性变形的方法。此时，由于一次一次的打击力小，几乎没有在打击装置中产生的反作用，与锤喷丸装置相比，在使用性、施工性方面优良。
另外，由于一次打击能量小，因此顶端的锤形状，能够制成小型，即使对焊接部或连接部等微小部分或狭窄部分，也能够实施打击处理。在这点上，即使环境助长裂纹成为问题的部位是小部分，应用该处理也成为可能。即使在此场合，如上所述，由于能够使打击次数极多，因此能够赋予充分的塑性变形。
另外，该超声波冲击处理，对金属表面给予很多次的打击，因此对于金属表面也带来在以往的锤喷丸处理所没有的效果，另外，一次一次的打击能喷丸，比喷丸硬化大，因此也有以往的喷丸硬化所没有的效果。
即，首先，因为打击的次数多，所以可得到处理的均匀性。虽然如果将喷丸硬化在同一线上实施数遍也能得到某种程度的均匀性，但超声波冲击处理的打击频率是15～60kHz，它得到的均匀性和喷丸硬化的均匀性处于完全不同的水平，处理速度如果是0.5m/min左右，就能够将所要的金属表面的大部分均匀地、而且不残留缺陷地加工。
另外，在使处理后的金属表面平滑的同时，具有使金属表层的金属组织细化的作用，是极有利的。
本发明人，使用具有1.5mm的曲率半径的尖锤的超声波冲击装置，以振幅50μm、频率25kHz，处理速度为0.5m/min对钢材表面进行1遍的超声波冲击处理，详细地调查了处理前后的表层组织。作为处理前后的钢材的断面状况，其结果在图2(a)、图2(b)和图3(a)、图3(b)中分别表示了各自的组织照片及示意图。如从这些图所知的那样，垂直于处理面的断面，通过超声波冲击处理而发生塑性变形，成为长轴实质上平行于表面的已伸长的晶粒在厚度方向排列成多层的层状组织。在这样的层状组织中，晶粒的长轴成为实质上平行于表面，由于与作为从暴露于腐蚀环境的钢材表面扩展的龟裂的主要进展方向的晶界和拉伸应力的作用方向接近，所以可认为应力腐蚀裂纹被减轻。
因此，本发明人为了证实此事实，对具有表1所示组成、厚12mm的金属板，如表2所示，变化处理条件而实施超声波冲击处理，在调查处理前后的表层部的组织的同时，在图4所示的焊道导电板上用形成焊接部的方法，各水准都分别采取3个应力腐蚀试样，实施环境助长裂纹试验。其组织的性状和试验结果示于表3中。
如从表3所知，平行于表面的表层的层状组织的厚度从表面至不到50μm，环境助长裂纹敏感性高，容易产生裂纹。另一方面，已知层状组织的厚度如果是大于或等于50μm，就不产生裂纹，显示优良的耐环境助长裂纹性。
认为这是因为，通过超声波冲击处理，表层成为长轴实质上平行于表面的晶粒形成的层状组织，由此晶界的大部分在与应力方向实质上平行的方向伸长，从表面沿晶界发展的龟裂的发展路径变长，至龟裂到达板厚方向的深部而达到断裂的时间变长。再者，所谓实质上平行是指，层状组织的晶粒的长轴方向与表面是小于或等于±10°的角度。另外，长轴、短轴是指金属的厚度方向断面，即垂直于金属处理表面的断面中的晶粒的长轴、短轴。
该层状组织，优选层状组织的晶粒的长轴方向长度与短轴方向长度之比(长轴方向长度/短轴方向长度)是大于或等于5。这是因为，与上述相同，由于晶粒沿平行于表面的长轴方向伸长，使平行于应力方向的晶界变长，龟裂的发展路径变长，至断裂的时间变长。
再有，通过使长轴方向长度与短轴方向长度之比达到大于或等于5，层状组织就均匀地形成，而且能够形成多层，因此对耐环境助长裂纹是极有利的。
另外，该层状组织，优选层状组织的晶粒的短轴方向长度是小于或等于5μm。短轴方向长度是5μm以上时，层状组织的形成是不充分的，至断裂的时间稍微变短。另一方面，如果是小于或等于5μm，就能够更充分地确保至断裂的时间。
再有，该超声波冲击处理，在通过塑性变形能够使金属表层形成层状组织的同时，表面形状形成平滑的平面形状，而且在表层附近能够赋予压缩残余应力。
因此，优选通过超声波冲击处理使环境助长裂纹成为问题的部位的金属表层形成层状组织的同时，使该部位的表面形成不易发生应力集中的表面形状，而且优选在表面附近赋予压缩残余应力。所谓不易发生应力集中的表面形状是指，例如在焊接缝边部时，为应力集中系数成为小于或等于2的形状，通过形成这样的表面形状，应力集中就不易产生，而且通过在表面附近，例如在自表面50μm以内的范围给予压缩残余应力，能够抑制成为环境助长裂纹性的起点的微小缺陷伸展成大的龟裂，因此使这些微小龟裂无害化，还能够提高抗环境助长裂纹性。
如以上所述，通过在金属材料的表面实施超声波冲击处理，使其表层部形成层状组织，或者再通过使表面形成不易发生应力集中的形状，的同时，在表面附近给予压缩残余应力，就能够抑制、减低由应力助长的应力腐蚀裂纹、氢诱发裂纹、硫化物应力腐蚀裂纹等各种环境助长裂纹，能够制成耐环境助长裂纹性优良的金属结构制品。
该超声波冲击处理，可以在上述金属结构制品的至少环境助长裂纹成为问题的部位实施，所谓成为该问题的部位，是在金属结构制品与腐蚀环境接触、而且有应力负荷或者应力残留的部位。作为应力集中或者应力残留的部位，首先可举出焊接接头部(焊接熔合线、焊接热影响区)。许多金属结构制品伴随焊接制作，在其焊接接头部产生残余应力。另外，焊接接头部的焊接缝边部容易发生应力集中。
因此，优选对金属结构制品的焊接部，即，包括焊接熔合线部和/或焊接热影响区的部分进行超声波冲击处理，而且最好也包括焊接缝边部。
在焊接部以外，作为应力集中或者有应力负荷的部位的例子，有利用在制作金属结构制品的阶段施加的某种锯断、剪断、熔断等产生的切断部位。这些部位伴随切断在端面负担大的拉伸应力、剪切应力。除此之外，对于金属结构制品来说，有施加弯曲或扭转而构成的，这些在应力集中的部位，发生伴随这些弯曲或扭转的拉伸应力负荷。除了在这些加工过程中产生的应力以外，还有在使用状态负荷来自外部的应力的部位，这些部位都成为本处理的对象。像这样，负担拉伸应力的部位，如果在腐蚀环境下，如上所述，就产生环境助长裂纹。
如上所述，环境助长裂纹的产生与环境、应力和材料3个条件有关。本发明的超声波冲击处理是着眼于减低其中的应力条件，尤其，虽然不限于金属结构制品的材料，但从所说的在强度、硬度高的材料中容易产生环境助长裂纹的观点出发，优选在由抗拉强度大于或等于490N/mm2的钢材构成的结构制品的必要部位至少实施超声波冲击处理。抗拉强度大于或等于490N/mm2的钢材，焊接部的残余应力变得更高，因而环境助长裂纹敏感性变得更加高。因此，在抗拉强度大于或等于490N/mm2的钢材的焊接部实施超声波冲击处理是更加有效的，同时，实施超声波冲击处理的效果更大。在材料的强度变高的同时，实施超声波冲击处理的效果变得更大，因此随着抗拉强度大于或等于590N/mm2的钢材的焊接部、抗拉强度大于或等于690N/mm2的钢材的焊接部、抗拉强度大于或等于780N/mm2的钢材的焊接部、抗拉强度大于或等于980N/mm2的钢材的焊接部的强度变高，实施超声波冲击处理的效果和必要性变大。
如上所述，使用具有在尖端部有规定的曲率半径的尖端锤的超声波冲击装置，以振幅20～60μm、频率19～60kHz，以必要时间对所要的金属表面部分进行超声波冲击处理，利用该冲击使表层部分发生塑性变形，在使其晶粒形成实质上平行于表面的层状组织的同时，通过该塑性变形，令人满意地形成不易发生应力集中的表面形状，而且能够赋予残留压缩应力，能够提高抗环境助长裂纹性。
为此，由超声波冲击处理引起的金属表层的塑性变形的厚度是大于或等于50μm，是必要的。在不到该厚度时，难以确保表层的层状组织是大于或等于50μm，得到充分的耐环境助长裂纹特性变得困难。另外，从消除拉伸应力而赋予压缩应力这点来说，也有必要使表面至大于或等于50μm的厚度发生塑性变形，而形成层状组织。但是，如果该表层的层状组织或者塑性变形的厚度变得过大，则表层过度硬化，或变形过于变大，作为制品的表面性状变差，另一方面，用于处理的成本增加，因此是不优选的。
为了得到所要的厚度的层状组织或者塑性变形，用于必要的变形的能量是大致一定的，因此可以使1个循环的冲击能量大而进行短时间处理，但是在为了提高均匀性的情况下，或在更精致地控制冲击部位的位置，防止过度塑性变形的情况下，优选使一个循环的冲击能量小，对同一部位进行大于或等于2次的处理。
另外，由冲击能产生的层状组织或者塑性变形的厚度，也与冲击装置的尖端的锤的曲率半径R有关，即使1个循环的冲击能相同，如果使R小，由1个循环的冲击产生的层状组织或者塑性变形的厚度也变大，如果R使大，其厚度就变小。
另外，在将表面形成不易发生应力集中的形状，并给予压缩残余应力的情况下，如果使锤的R小，则用1个循环形成的表面形状的范围狭窄，因此需要反复进行处理，另一方面，如果使R大，形状的控制往往就变得困难。因此，超声波冲击处理装置的尖端的锤的形状，根据作为处理对象的金属结构制品的状况适宜地选择。
实施超声波冲击处理时，为了使金属结构制品的处理对象部位的表面至所要的厚度形成层状组织，或者还形成不易应力集中的形状且赋予压缩残余应力，例如根据金属材质或者根据需要，焊接部、切断端面等处理部位都进行预备试验等预先决定所必要的锤的形状，1个循环的打击能、遍数、处理次数等处理条件，由此在处理后就能够提供所要的层状组织或者压缩残余应力。
可是，在本发明的提高抗环境助长裂纹性的方法中，对于金属结构制品的实施超声波冲击处理的部位，优选在实施超声波冲击处理后不进行使该部位的内部应力和/或表面应力等应力状态变化的处理。
即，实施超声波冲击处理，使该部位的表层形成层状组织，或者发生塑性变形而形成不易发生应力集中的形状，而且在赋予残余压缩应力后，如果实施使该部位及其附近部位的表层的组织、塑性变形状况、应力状态等发生变化的处理，例如塑性加工、矫正、热处理、焊接等，则通过超声波冲击处理所形成的用于抑制环境助长裂纹的上述的表层的性状由此就被削弱，抑制效果降低。
因此，在本发明的超声波冲击处理中，对于至少实施该处理的金属结构制品的部位，在实施超声波冲击处理前，作为前处理优选预先实施例如，塑性加工、矫正、热处理、焊接等使该部位的表层组织、塑性变形状况、应力状态等发生变化的处理，优选超声波冲击处理后不进行这样的处理。
另外，在上述的前处理中，除了上述的各处理以外，优选包括对环境助长裂纹成为问题的部位有无龟裂进行检查，并去除检查出的龟裂的处理。即，是通过目视检查、浸透探伤检查、磁粉探伤检查、涡流探伤检查等检查金属结构制品的龟裂的合适手段，检查环境助长裂纹成为问题的部位，即对要实施超声波冲击处理的部位检查有无龟裂，然后，对检查出的龟裂，在事前就实施去除的处理。去除的方法，可以采用借助研磨机、切削工具等进行磨削·切削去除龟裂部分的方法，或者通过焊接使龟裂部熔化焊接的方法等合适的方法。
另外，特别在去除的龟裂深度是大于或等于3mm时，优选包括在磨削去除龟裂部分并进行堆焊后，利用研磨机、切削工具等机械手段将该部位的表面加工成平滑的形状，再通过上述的龟裂检查处理确认未检查出龟裂的处理。
在本发明中，根据需要，实施上述的前处理后，实施上述的超声波冲击处理，此后，根据需要，进行品质保证检查。
超声波冲击处理后的品质保证检查是确认，与处理前相比，是否处理面至大于或等于50μm的厚度发生塑性变形，即，确认是否自表面大于或等于50μm厚度的表层成为层状组织，以及处理面是否成为不易发生应力集中的表面形状的任一方或者双方。
为了确认处理面与处理前相比，至大于或等于50μm的厚度发生塑性变形，通过下列任一方法测定晶粒度，即利用铃木赛璐珞透明薄膜印制试样显微镜检验法复制处理面，观察其晶粒组织，或者使用超声波晶粒测定装置对处理面的晶粒度进行晶粒度测定，判断与未处理的部分相比，是否大于或等于50％的晶粒发生细化就能够进行上述确认。在晶粒的细化不到50％时，层状组织的形成是不充分的。这里所说的细化是指，与未实施处理的部分的晶粒度相比如果粒度号大了1或其以上，则判断为被细化。
另外，为了确认处理面是否成为不易应力集中的表面形状，例如使用像牙科用形象材那样的仿型材进行仿型，通过检查仿型复制的表面形状，或者通过使用激光变位计等高精度变位测定装置测定表面的变位，判断是否具有处理面不易应力集中的表面的曲率或者变位，就能够进行上述的确认。
使用如上述的方法，通过进行确认超声波冲击处理后的表层组织或者表面形状的品质保证检查，能够证实金属结构制品的耐环境助长裂纹成为问题的部位的抗环境助长裂纹性的提高。
再者，通过该品质保证检查，在未得到所要的表面形状或者表层组织的情况下，当然可反复进行超声波冲击处理，直至成为所要的表面性状、表层组织。
实施例以下，根据实施例来说明本发明。
以表1所示组成的钢(板厚12mm)作为母材1，以使用同一组织金属系的焊接材料进行电弧焊接的焊接部2作为试验体，在该部位给予超声波冲击处理，以使表层的金属组织成为由长轴实质上平行于表面的晶粒构成的层状组织。作为比较材，原封不动地使用焊接的试验体。以图4中表示概略的要领，在宽100mm、长200mmm、板厚是原厚的试样的中央，在焊道导电板上形成焊接部，原封不动地作为环境助长裂纹试样。不用说，在焊接后原封不动的试样的焊接部存在焊接残余应力。
这些试样浸渍在90℃的1N Na2CO3+1N NaHCO3水溶液中，使用恒电位仪，保持一定的电位(换算成标准氢电极基准是-0.42V)，进行90天试验。试验后的试样，通过浸透试验和断面观察，确认有无环境助长裂纹产生。
在表2中示出超声波冲击处理条件，在表3中示出晶粒和环境助长裂纹试验结果。
如从表3可知，在表层的金属组织形成为由长轴实质上平行于表面的晶粒构成的层状组织的本发明例1～8，完全不产生环境助长裂纹(应力腐蚀裂纹)，与此相反，在焊接后原封不动的或者处理不充分的对比例9～12中产生环境助长裂纹(应力腐蚀裂纹)，本发明的效果是明显的。
表1 供试验金属(钢材)的组成 (质量％)

表2 超声波冲击处理条件

-表示未实施超声波冲击处理。
表3 处理试样的组织状况和环境助长裂纹试验结果

-表示未实施超声波冲击处理。
产业上的可利用性本发明的耐环境助长裂纹性优良的金属结构制品，在环境助长裂纹成为问题的部位实施超声波冲击处理，表层成为层状组织，更优选的是，表层是不易发生应力集中的表面形状，而且被赋予了残余压缩应力，因此即使暴露于腐蚀环境，微小龟裂也难以产生，并且即使存在微小龟裂，也抑制龟裂向厚度方向的发展，断裂时间大幅度地延长，对环境助长裂纹具有优良的抵抗性。另外，按照本发明的方法，通过组合超声波冲击处理后的品质保证检查，能够确认实施了处理的部位的表层成为规定的层状组织，还能够确认形成表面形状，因此能够可靠地提高金属结构制品的所要的部位的抗环境助长裂纹性。
权利要求
1.耐环境助长裂纹性优良的金属结构制品，其特征在于，使金属结构制品的环境助长裂纹成为问题的部位的、自表面大于或等于50μm厚度的表层金属组织形成由长轴实质上平行于表面的晶粒构成的层状组织。
2.根据权利要求1所述的耐环境助长裂纹性优良的金属结构制品，其特征在于，上述金属结构制品的环境助长裂纹成为问题的部位的金属是抗拉强度大于或等于490N/mm2级的钢。
3.根据权利要求1或2所述的耐环境助长裂纹性优良的金属结构制品，其特征在于，上述金属结构制品的环境助长裂纹成为问题的部位包括焊接熔合线和/或焊接热影响区。
4.根据权利要求1～3中的任一权利要求所述的耐环境助长裂纹性优良的金属结构制品，其特征在于，上述层状组织的长轴实质上平行于表面的晶粒的长轴方向长度与短轴方向长度之比是大于或等于5。
5.根据权利要求1～4中的任一权利要求所述的耐环境助长裂纹性优良的金属结构制品，其特征在于，上述层状组织的长轴实质上平行于表面的晶粒的短轴方向长度是小于或等于5μm。
6.提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，在金属结构制品的环境助长裂纹成为问题的部位实施超声波冲击处理，使自表面大于或等于50μm厚度的表层的金属组织形成由长轴实质上平行于表面的晶粒构成的层状组织。
7.根据权利要求6所述的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，上述金属结构制品的抗环境助长裂纹成为问题的金属是抗拉强度大于或等于490N/mm2级的钢。
8.根据权利要求6或7所述的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，上述金属结构制品的抗环境助长裂纹成为问题的部位包括焊接熔合线和/或焊接热影响区。
9.根据权利要求6～8中任一权利要求所述的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，上述层状组织的长轴实质上平行于表面的晶粒的长轴方向长度与短轴方向长度之比大于或等于5。
10.根据权利要求6～9中的任一权利要求所述的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，上述层状组织的长轴实质上平行于表面的晶粒的短轴方向长度是小于或等于5μm。
11.根据权利要求6～10中的任一权利要求所述的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，在实施上述超声波冲击处理之前，在上述金属结构制品的环境助长裂纹成为问题的部位及其附近部位实施前处理。
12.根据权利要求11所述的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，上述前处理是使上述金属结构制品的环境助长裂纹成为问题的部位及其附近部位的内部应力和/或表面应力发生变化的处理。
13.根据权利要求11或12所述的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，上述前处理包括在检测上述金属结构制品的环境助长裂纹成为问题部位的龟裂的同时，去除检测出的龟裂的处理。
14.根据权利要求6～13中的任一权利要求所述的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，上述超声波冲击处理还使上述金属结构制品的环境助长裂纹成为问题部位的表面形状形成不易发生应力集中的形状，而且在表面附近赋予压缩残余应力。
15.根据权利要求6～14中的任一权利要求所述的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，在上述金属结构制品的环境助长裂纹成为问题的部位实施超声波冲击处理，然后再进行品质保证检查。
16.根据权利要求15所述的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，上述品质保证检查是确认，超声波冲击处理后的处理面与处理前相比，大于或等于50μm的厚度发生塑性变形的情形，以及处理面成为不易发生应力集中的表面形状的情形之一或者双方的品质保证检查。
17.根据权利要求16所述的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，上述品质保证检查的塑性变形的确认，是利用铃木赛璐珞透明薄膜印制试样显微镜检验法进行观察超声波冲击处理后的处理面，判断与未处理的部分相比，是否其大于或等于50％的金属晶粒发生细化。
18.根据权利要求16所述的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，上述品质保证检查的塑性变形的确认，是利用超声波粒径测定装置测定超声波冲击处理后的处理面的晶粒度，与未处理的部分相比，判断是否其大于或等于50％的晶粒发生细化。
19.根据权利要求16所述的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，上述品质保证检查的不易发生应力集中的表面形状的确认，是使用仿型材将超声波冲击处理后的处理面仿型，判断仿型的面是否是不易发生应力集中的表面形状。
20.根据权利要求16所述的提高金属结构制品的抗环境助长裂纹性的方法，其特征在于，上述品质保证检查的不易发生应力集中的表面形状的确认，是使用变位计测定超声波冲击处理后的处理面，判断其变位是否是不易发生应力集中的面的变位范围内。
全文摘要
本发明提供，对于在材料上负荷应力，处于腐蚀环境的金属结构制品的裂纹，即环境助长裂纹性抵抗性优良的金属结构制品，以及提高抗环境助长裂纹性的方法，使金属结构制品的环境助长裂纹成为问题部位的表面至 50μm厚度的表层形成由其长轴平行于表面的晶粒构成的层状组织。优选该层状组织的晶粒的长轴方向的长轴长度与短轴方向的长度之比是大于或等于5。这通过对金属结构制品的环境助长裂纹成为问题部位的表面进行超声波冲击处理而得到。优选在超声波冲击处理后，进行品质保证检查，以检查表面自50μm厚度的范围发生塑性变形。
文档编号C21D7/06GK1708592SQ20038010219
公开日2005年12月14日 申请日期2003年10月31日 优先权日2002年10月31日
发明者宫坂明博, 富永知德 申请人:新日本制铁株式会社