脆性裂纹传播停止特性优良的大线能量焊接用高强度钢板及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及脆性裂纹传播停止特性（brittle crack arrestability)优良的大 线能量焊接（high heat input welding)用高强度钢板（high-strength thick steel plate)及其制造方法，特别涉及适合用于船舶的板厚50mm以上的高强度钢板。
【背景技术】
[0002] 对于船舶等大型结构物而言，脆性断裂（brittle fracture)所带来的事故对经济 和环境产生的影响很大。因此，通常要求提高安全性，对于所使用的钢材，要求使用温度下 的靭性（toughness)、和脆性裂纹传播停止特性。
[0003] 集装箱船、散装货轮等船舶在其结构上将高强度的厚壁材料用于船体外板（outer plate of ship's hull)。最近，随着船体的大型化，正在进一步发展高强度厚壁化，通常， 钢板的脆性裂纹传播停止特性具有越是高强度或越是厚壁材料越变差的倾向，因此，对脆 性裂纹传播停止特性的要求也进一步提高。
[0004] 作为使钢材的脆性裂纹传播停止特性提高的方法，一直以来已知增加Ni含量的 方法，在液化天然气（1^6:1^9116打6(1似1：1?^1638)的储罐中，以商业规模使用9%附钢。
[0005] 但是，Ni量的增加不得不使成本大幅上升，因此，难以应用于LNG储罐以外的用 途。
[0006] 另一方面，对于没有达到LNG这样的极低温（ultra low temperature)的、用于船 舶或管线的、板厚小于50mm的比较薄的钢材，可以通过TMCP(Thermo_Mechanical Control Process，热机械控制工艺）法实现细粒化而使低温靭性提高，从而赋予优良的脆性裂纹传 播停止特性。
[0007]另外，在专利文献1中提出了为了在不使合金成本上升的前提下使脆性裂纹传播 停止特性提高而将表层部的组织超微细化（ultra fine grained steel)的钢材。
[0008] 专利文献1记载的脆性裂纹传播停止特性优良的钢材的特征在于，着眼于脆性裂 纹传播时在钢材板厚表层部产生的剪切唇（塑性变形区域shear-lips)对脆性裂纹传播停 止特性的提高有效，使剪切唇部分的晶粒微细化，从而吸收传播的脆性裂纹所具有的传播 能量。
[0009] 此外，在专利文献1中记载了如下内容：通过热乳后的控制冷却将板厚表层部 分冷却至Ar 3相变点（transformation point)以下，然后，停止控制冷却（controlled cooling)，将板厚表层部分再加热（recuperate)至相变点以上，反复进行1次以上上述工 序，在此期间对钢材实施乳制，由此使其反复发生相变或加工再结晶，在板厚表层部分生成 超微细的铁素体组织（ferrite structure)或贝氏体组织（bainite structure)。
[0010] 另外，专利文献2中记载了如下内容：对于以铁素体-珠光体（pearlite)作为 主体显微组织的钢材，为了使脆性裂纹传播停止特性提高，重要的是钢材的两表面部由具 有50%以上铁素体组织的层构成，所述铁素体组织具有圆等效粒径（circle-equivalent average grain size)为 5 y m 以下、长径比（aspect ratio of the grains)为 2 以上的铁 素体晶粒，并且抑制铁素体粒径的偏差。作为抑制偏差的方法，将精乳中的每I个道次的最 大压下率（maximum rolling reduction)设定为12%以下，从而抑制局部的再结晶现象。
[0011] 但是，专利文献1、2中记载的脆性裂纹传播停止特性优良的钢材是通过仅将钢材 板厚表层部暂时冷却后再进行再加热、并且在再加热中实施加工而得到特定的组织，因此， 在实际生产规模下不易控制。特别是对于板厚超过50_的厚壁材料而言，是对乳制、冷却 设备的负荷大的工艺。
[0012] 另一方面，专利文献3中记载了不仅着眼于铁素体晶粒的微细化、而且着眼于形 成在铁素体晶粒内的亚晶粒（subgrain)而使脆性裂纹传播停止特性提高的TMCP延伸技 术。
[0013] 具体而言，在板厚为30~40mm的钢板的情况下，无需进行钢板表层的冷却以及再 加热等复杂的温度控制，通过下述条件使脆性裂纹传播停止特性提高：(a)确保微细的铁 素体晶粒的乳制条件、（b)在钢材板厚的5%以上的部分中生成微细铁素体组织的乳制条 件、（c)在微细铁素体中使织构（texture)发达并且利用热能将通过加工（乳制）引入的 位错（dislocation)再配置而形成亚晶粒的乳制条件、（d)抑制形成的微细铁素体晶粒和 微细亚晶粒的粗大化的冷却条件。
[0014] 另外，还已知在控制乳制中对相变后的铁素体施加乳制而使织构发达、由此使脆 性裂纹传播停止特性提高的方法。该方法通过在钢材的断裂面上沿着与板面平行的方向产 生裂口（separation)而缓和脆性裂纹前端的应力来提高对脆性断裂的阻力。
[0015] 例如，专利文献4中记载了如下内容：通过控制乳制使（110)面X射线强度比 (X-ray plane intensity ratio in the (110)plane showing a texture developing degree)为2 以上、并且使圆等效直径（diameter equivalent to a circle in the crystal grains) 20 ym以上的粗大晶粒为10%以下，由此使耐脆性断裂特性提高。
[0016] 在专利文献5中公开了一种作为接缝部的脆性裂纹传播停止特性优良的焊接结 构用钢的钢板，其特征在于，在板厚内部的乳制面上的（100)面的X射线面强度比为1. 5以 上，并且记载了利用由该织构发达所产生的应力负荷方向与裂纹传播方向的角度偏差能够 得到优良的脆性裂纹传播停止特性。
[0017] 现有技术文献
[0018] 专利文献
[0019] 专利文献1 :日本特公平7-100814号公报
[0020] 专利文献2 :日本特开2002-256375号公报
[0021] 专利文献3 :日本专利第3467767号公报
[0022] 专利文献4:日本专利第3548349号公报
[0023] 专利文献5 :日本专利第2659661号公报
[0024] 专利文献6 :日本专利第3546308号公报
[0025] 非专利文献
[0026] 非专利文献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 用钢的长大脆性裂纹传播特性）、日本船舶海洋工学会讲演论文集第3期、2006、PP359~ 362
【发明内容】
[0027] 发明所要解决的问题
[0028]近来，在超过 6000TEU (Twenty-foot Equivalent Unit，二十英尺当量单位）的大 型集装箱船中，使用板厚超过50mm的钢板。非专利文献1中，对板厚65mm的钢板的脆性裂 纹传播停止特性进行了评价，并且报道了在母材的大型脆性裂纹传播停止试验中脆性裂纹 没有停止的结果。
[0029] 另外，在供试材料的标准ESSO试验（ESSO test compliant with WES3003)中，显 示出在-KTC的使用温度下的Kca的值（以下，也记载为Kca(-10°C ))小于3000N/mm3/2的 结果，在应用板厚超过50_的钢板的船体结构的情况下，暗示出确保安全性成为课题。
[0030] 从制造条件、公开的实验数据来看，上述专利文献1~5中记载的脆性裂纹传播停 止特性优良的钢板以约50_的板厚的钢板为主要对象。将专利文献1~5所记载的技术 应用于超过50mm的厚壁材料的情况下，不清楚能否得到规定的特性，对于船体结构中所必 需针对板厚方向的裂纹传播的特性，完全没有得到验证。
[0031] 另一方面，伴随着钢板的厚壁化，在焊接施工中应用埋弧焊（submerged arc welding)、气电焊（electrogas arc welding)和电渣焊（electroslag welding)等高效 (high efficiency)的大线能量焊接。通常已知，如果焊接线能量增大，则焊接热影响部 (Heat Affected Zone ;HAZ)的组织粗大化，因此，焊接热影响部的韧性下降。为了解决由 这样的大线能量焊接导致的韧性降低的问题，已经开发出了大线能量焊接用钢材，并已实 用化。例如，专利文献6中公开了如下技术：通过控制钢中析出的TiN，防止焊接热影响部 组织的粗大化（coarsening)，同时通过铁素体生成核的分散，促进晶粒内铁素体相变，由此 使焊接热影响部高韧化。然而，尽管大线能量焊接部的焊接热影响部的韧性优良，并未考虑 脆性裂纹传播停止特性，并未获得满足两特性的钢材。
[0032] 因此，本发明的目的在于，提供能够通过优化钢成分和乳制条件而控制板厚方向 上的织构的工业上极其简易的工艺来稳定地制造的脆性裂纹传播停止特性优良的大线能 量焊接用高强度钢板及其制造方法。
[0033] 用于解决问题的方法
[0034] 本发明人们为了实现上述课题反复进行了深入的研究，关于即使是厚壁钢板也具 有优良的裂纹传播停止特性的高强度厚钢板得到以下的见解。
[0035] 1.对于板厚超过50mm的厚钢板，详细考察标准ESSO试验的断口，结果，在成为如 图1(b)所示的断口形态的情况下，随着脆性裂纹的宽度减小，裂纹前端部的应力扩大系数 减小，结果钢板的止裂性能提高。图1(a) (b)示意地示出了标准ESSO试验片1的从缺口 2 进入的裂纹3在母材5中以前端形状4停止传播。
[0036] 2.为了得到如上所述的断口形态，需要提高板厚表层部和板厚中央部的止裂性 能。作为使板厚表层部和板厚中央部的止裂性能提高的方法，使板厚表层部和板厚中央部 的靭性提高是有效的。但是，对于板厚超过50_这样的厚钢板而言，冷却速度和压下率等 存在限制，从而对于提高板厚中央部的靭性也存在界限。
[0037] 3.作为除了提高韧性以外还使止裂性能提高的方法，控制板厚中央部的织构是有 效的，特别是相对于乳制方向平行地使（110)面集聚，以使乳制方向或板宽方向上发展的 裂纹分别从乳制方向或板宽方向倾斜地偏离的方式进行织构控制是有效的。
[0038] 4.另外，通过使在板厚中央部处于奥氏体再结晶温度区的状态下的累积压下率为 20%以上，并且使每1个道次的平均压下率为5. 0 %以下，实现板厚表层部的组织的微细 化。然后，通过使在板厚中央部处于奥氏体未再结晶温度区的状态下的累积压下率为40% 以上，并且使每1个道次的平均压下率为7%以上，可以使板厚中央部的靭性和织构发达， 从而能够实现上述的组织。
[0039] 5.作为提高大线能量