脆性裂纹传播停止特性优良的大线能量焊接用高强度厚钢板及其制造方法
【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)用高强度厚钢板（high-strength thick steel plate)及其制造方法，特别是涉及适合用于船舶的板厚为50mm以上的高强度厚钢板。
【背景技术】
[0002] 对于船舶等大型结构物而言，伴随脆性断裂（brittle fracture)产生的事故给经 济、环境带来的影响较大。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 的韧性（toughness)、脆性裂纹传播停止特性。
[0003] 集装箱船、散装货船等船舶在其结构上使用高强度的厚壁材料作为船体外板 (outer plate of ship' s hull)。最近，随着船体的大型化，高强度厚壁化进一步发展，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则越劣化的倾向，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，一直以来已知有增加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，在商业规模下使用9%附 钢。
[0005] 但是，Ni量的增加迫使成本大幅升高，因此难以应用于LNG储罐以外的用途。
[0006] 另一方面，对于达不到LNG这样的极低温度（ultra low temperature)的、船舶 或管线管中使用的板厚小于50mm的较薄的钢材，通过TMCP (Thermo-Mechanical Control Process，热机械控制工艺）法实现细粒化，使低温韧性提高，由此，能够赋予优良的脆性裂 纹传播停止特性。
[0007] 另外，为了在不使合金成本升高的情况下使脆性裂纹传播停止特性提高，在专利 文献1中提出了将表层部的组织超微细化（ultra fine grained steel)而得到的钢材。
[0008] 在专利文献1中记载了一种脆性裂纹传播停止特性优良的钢材，其特征在于，着 眼于脆性裂纹传播时在钢材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] 另外，在专利文献1中记载了：通过热乳后的控制冷却将表层部分冷却至Art相变 点（transformation point)以下，然后，停止控制冷却（controlled cooling)，将表层部 分回热（recuperate)至相变点以上，将该工序反复进行一次以上，在此期间对钢材进行压 下，由此使其反复发生相变或加工再结晶，在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] 此外，在专利文献2中，对于以铁素体-珠光体（pearlite)作为主体的显微组织 的钢材而言，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 上的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 ym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，记载了：将精乳中的每1个道次的 最大压下率（maximum rolling reduction)设定为12%以下，从而抑制局部性的再结晶现 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 表层部暂时冷却后再进行回热并且在回热中实施加工而得到特定组织的钢材，因此，在实 际生产规模下不易控制。特别是对于板厚超过50mm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，在专利文献3中记载了一种TMCP的扩展方面的技术，其不仅着眼于铁 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)，使脆性裂纹传 播停止特性提高。
[0013] 具体而言，对于板厚为30~40mm的钢板而言，无需进行钢板表层的冷却及回热等 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，所述条件为：(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)抑制所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，还已知如下方法：在控制乳制中，对相变后的铁素体实施压下而使织构发 达，由此使脆性裂纹传播停止特性提高。该方法中，在钢材的断裂面上沿着与板面平行的方 向产生分离（separation)，使脆性裂纹前端的应力缓和，由此提高对脆性断裂的阻力。
[0015] 例如，在专利文献4中记载了：通过控制乳制使（110)面X射线强度比（X-ray plane intensity ratio in the(I10)plane showing a texture developing degree) 为 2 以上、并且使等效圆直径（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，作为接头部的脆性裂纹传播停止性能优良的焊接结构用钢，公 开了一种特征在于板厚内部的乳制面中的（1〇〇)面的X射线面强度比具有1.5以上的钢 板，并记载了通过由该织构发达引起的应力负荷方向与裂纹传播方向的角度的不一致而得 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 用钢的宽大脆性裂纹传播行为）、日本船舶海洋工学会演讲会论文集第3期、2006、pp359~ 362
[0027] 非专利文献2 :"脆性亀裂7 U只卜設計指針（脆性裂纹停滞设计指南）"，2009年 9月（财）日本海事协会
【发明内容】
[0028] 发明所要解决的问题
[0029] 在最近的超过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的厚钢板。非专利文献1中，对板厚65mm的钢板的脆性 裂纹传播停止性能进行了评价，并报道了在母材的大型脆性裂纹传播停止试验中脆性裂纹 不会停止的结果。
[0030]另外，在供试材料的标准 ESSO 试验（ESSO test compliant with WES 3003)中， 显示出在-10°c的使用温度下的Kca的值（以下，也记为Kca(-10°C ))不满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，暗示了安全性确保成为课题。
[0031] 对于上述专利文献1~5中记载的脆性裂纹传播停止特性优良的钢板而言，从制 造条件、公开的实验数据来看，可以认为板厚约50_以下的钢板为主要对象。在将专利文 献1~5中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，对于船体结构所需的关于板厚方向的裂纹传播的特性，完全没有进行验证。
[0032] 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)、电渣焊（electroslag welding)等高效率 (high efficiency)的大线能量焊接。通常已知，焊接线能量增大时，焊接热影响区（Heat Affected Zone ;HAZ)的组织发生粗大化，因此焊接热影响区的韧性降低。为了解决这样的 大线能量焊接所导致的韧性降低的问题，已开发了大线能量焊接用钢材，并实现了实用化。 例如，在专利文献6中公开了如下技术：通过控制在钢中析出的TiN来防止焊接热影响区组 织的粗大化（coarsening)，并且利用铁素体生成核的分散促进晶粒内铁素体相变，由此使 焊接热影响区高韧化。但是，虽然大线能量焊接部的焊接热影响区的韧性优良，但并没有考 虑脆性裂纹传播停止特性，没有得到满足两种特性的钢材。
[0033] 因此，本发明的目的在于提供能够利用对钢成分、乳制条件进行优化而控制板厚 方向上的织构的、在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厚钢板及其制造方法。
[0034] 用于解决问题的方法
[0035] 本发明人为了实现上述课题而反复进行了深入研究，对于即使是厚壁钢板也具有 优良的脆性裂纹传播停止特性的高强度厚钢板，得到了下述见解。
[0036] 1.对于板厚超过50mm的厚钢板，进行标准ESSO试验。图I (a) (b)是示意性地表 示从标准ESSO试验片1的缺口 2穿入的裂纹3在母材5中以前端形状4停止传播的例子 的图，确认了 ：在确认到如（a)示意性所示的短的裂纹的分支3a的情况下，可以得到高的止 裂性。推测是由于，裂纹的分支3a使应力得到缓和。
[0037] 2.为了得到上述的断口形态，需要形成使裂纹分支的组织形态。在此，相比于以铁 素体为主体的钢组织，以在内部存在板条束（packet)等的贝氏体为主体的钢组