Микроструктура и ударная вязкость игольчатого феррита в сварных соединениях низколегированной стали по результатам множественных испытаний на ударный изгиб
- Авторы: Кантор М.М.1, Судьин В.В.1, Боженов В.А.1, Солнцев К.А.1
-
Учреждения:
- Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук
- Выпуск: Том 59, № 4 (2023)
- Страницы: 451-467
- Раздел: Статьи
- URL: https://journals.rcsi.science/0002-337X/article/view/140167
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0002337X23040024
- EDN: https://elibrary.ru/GLTAYG
- ID: 140167
Цитировать
Аннотация
Путем анализа результатов испытания на ударный изгиб большого количества образцов исследовано разрушение металла сварного шва, преимущественно состоящего из игольчатого феррита. Исследованный металл обладает очень широким интервалом вязко-хрупкого перехода, начинающимся при +20 и заканчивающимся ниже –60°C. В пределах исследованных температур наблюдаются 3 стабильных уровня ударной вязкости, переходы между которыми с понижением температуры определяют рассеяние работы разрушения образцов. Фрактографически вязко-хрупкий переход осуществляется за счет однократного изменения с вязкого механизма разрушения на скол. Зарождение трещин скола происходит на крупных зернах игольчатого феррита, различное взаиморасположение которых в очаге скола определяет уровень ударной вязкости образца. Путем сопоставления динамических кривых разрушения и макростроения излома показано, что трещины скола зарождаются в вершине стабильно растущей вязкой трещины. При этом на изломах можно выделить отдельные события скола, наблюдаемые на динамической кривой.
Ключевые слова
Об авторах
М. М. Кантор
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. БайковаРоссийской академии наук
Email: vsudyin@imet.ac.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 49
В. В. Судьин
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. БайковаРоссийской академии наук
Автор, ответственный за переписку.
Email: vsudyin@imet.ac.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 49
В. А. Боженов
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. БайковаРоссийской академии наук
Email: vsudyin@imet.ac.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 49
К. А. Солнцев
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. БайковаРоссийской академии наук
Email: vsudyin@imet.ac.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 49
Список литературы
- Easterling K. Introduction to the Physical Metallurgy of Welding. N. Y.: Elsevier, 2013.
- Tweed J.H., Knott J.F. Micromechanisms of Failure in C–Mn Weld Metals // Acta Metall. Mater. 1987. V. 35. № 7. P. 1401–1414. https://doi.org/10.1016/0001-6160(87)90087-3
- Ohkita S., Horii Y. Recent Development in Controlling the Microstructure and Properties of Low Alloy Steel Weld Metals // ISIJ Int. 1995. V. 35. № 10. P. 1170–1182. https://doi.org/10.2355/isijinternational.35.1170
- Svensson L.E., Gretoft B. Microstructure and Impact Toughness of C–Mn Weld Metals // Weld. J. 1990. V. 69. № 12. P. 454.
- Fattahi M. et al. Effect of Ti-Containing Inclusions on the Nucleation of Acicular Ferrite and Mechanical Properties of Multipass Weld Metals // Micron. 2013. V. 45. P. 107–114. https://doi.org/10.1016/j.micron.2012.11.004
- Sung H.K. et al. Effects of Oxides on Tensile and Charpy Impact Properties and Fracture Toughness in Heat Affected Zones of Oxide-Containing API X80 Linepipe Steels // Metall. Mater. Trans. A. 2014. V. 45. № 7. P. 3036–3050. https://doi.org/10.1007/s11661-014-2240-2
- Zhao L. et al. Influence of Ti on Weld Microstructure and Mechanical Properties in Large Heat Input Welding of High Strength Low Alloy Steels // J. Iron Steel Res. Int. 2015. V. 22. № 5. P. 431–437. https://doi.org/10.1016/S1006-706X(15)30023-6
- Xiong Z. et al. The Contribution of Intragranular Acicular Ferrite Microstructural Constituent on Impact Toughness and Impeding Crack Initiation and Propagation in the Heat-Affected Zone (HAZ) of Low-Carbon Steels // Mater. Sci. Eng. A. 2015. V. 636. P. 117–123. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.03.090
- Choi B.C. et al. Effect of Microstructure on Low-Temperature Fracture Toughness of a Submerged-Arc-Welded Low-Carbon and Low-Alloy Steel Plate // Metals. 2021. V. 11. № 11. P. 1839. https://doi.org/10.3390/met11111839
- Jiménez-Jiménez A. et al. CVN Impact Energy and Fracture Characteristics Correlations with Different Oxide Nanoparticles Improving Submerged Arc Welds // Mater. Res. Express. 2021. V. 8. № 1. P. 016536. https://doi.org/10.1088/2053-1591/abdaf2
- Farrar R.A., Harrison P.L. Acicular Ferrite in Carbon-Manganese Weld Metals: an Overview // J. Mater. Sci. 1987. V. 22. № 11. P. 3812–3820. https://doi.org/10.1007/BF01133327
- Madariaga I., Gutierrez I., Bhadeshia H. Acicular Ferrite Morphologies in a Medium-Carbon Microalloyed Steel // Metall. Mater. Trans. A. 2001. V. 32. № 9. P. 2187–2197. https://doi.org/10.1007/s11661-001-0194-7
- Bhadeshia H., Svensson L.E. Modelling the Evolution of Microstructure in Steel Weld Metal // Math. Model. Nat. Phenom. 1993. V. 1. P. 109–182.
- Loder D., Michelic S.K. Systematic Investigation of Acicular Ferrite Formation on Laboratory Scale // Mater. Sci. Technol. 2017. V. 33. № 2. P. 162–171. https://doi.org/10.1080/02670836.2016.1165902
- Costin W.L., Lavigne O., Kotousov A.A. Study on the Relationship between Microstructure and Mechanical Properties of Acicular Ferrite and Upper Bainite // Mater. Sci. Eng. A. 2016. V. 663. P. 193–203. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.03.103
- Chen J.H., Wang G.Z., Ma H. Fracture Behavior of C-Mn Steel and Weld Metal in Notched and Precracked Specimens: Part II. Micromechanism of Fracture // Metall. Mater. Trans. A. 1990. V. 21. № 1. P. 321–330. https://doi.org/10.1007/BF02782412
- Kantor M.M., Vorkachev K.G., Bozhenov V.A., Solntsev K.A. The Role of Splitting Phenomenon under Fracture of Low-Carbon Microalloyed X80 Pipeline Steels during Multiple Charpy Impact Tests // Appl. Mech. 2022. 3(3): 740–756. https://doi.org/10.3390/applmech3030044
- Sudin V.V. et al. Correlation of the Microstructural Factors Influence on the Impact Strength of the Weld Affected Zone of K60* Strength Class Welded Pipes // Steel Transl. 2022. V. 52. № 1. P. 121–128.
- Ishikawa T., Haze T. Significance of Fracture Facet Size in Cleavage Fracture Process of Welded Joints // Mater. Sci. Eng. A. 1994. V. 176. № 1–2. P. 385–391. https://doi.org/10.1016/0921-5093(94)91003-0
- Lee M. et al. Effects of Inclusion Size and Acicular Ferrite on Cold Cracking for High-Strength Steel Welds of YS 600 MPa Grade // Sci. Technol. Weld. Join. 2016. V. 21. № 8. P. 711–719. https://doi.org/10.1080/13621718.2016.1178833
- Bose Filho W.W., Carvalho A.L.M., Bowen P. Micromechanisms of Cleavage Fracture Initiation from Inclusions in Ferritic Welds: Part I. Quantification of Local Fracture Behaviour Observed in Notched Testpieces // Mater. Sci. Eng. A. 2007. V. 460. P. 436–452. https://doi.org/10.1016/j.msea.2007.01.115
- Hytönen N. et al. Effect of Weld Microstructure on Brittle Fracture Initiation in the Thermally-Aged Boiling Water Reactor Pressure Vessel Head Weld Metal // Int. J. Miner. Metall. 2021. V. 28. № 5. P. 867–876. https://doi.org/10.1007/s12613-020-2226-6
- Diaz-Fuentes M., Iza-Mendia A., Gutierrez I. Analysis of Different Acicular Ferrite Microstructures in Low-Carbon Steels by Electron Backscattered Diffraction. Study of their Toughness Behavior // Metall. Mater. Trans. A. 2003. V. 34. № 11. P. 2505–2516. https://doi.org/10.1007/s11661-003-0010-7
- Lan L. et al. Influence of Microstructural Aspects on Impact Toughness of Multi-Pass Submerged Arc Welded HSLA Steel Joints // Mater. Des. 2016. V. 90. P. 488–498. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.10.158
- Terashima S., Bhadeshia H. Changes in Toughness at Low Oxygen Concentrations in Steel Weld Metals // Sci. Technol. Weld. Join. 2006. V. 11. № 5. P. 509–516. https://doi.org/10.1179/174329306X113299
- Curry D.A., Knott J.F. Effects of Microstructure on Cleavage Fracture Stress in Steel // Met. Sci. J. 1978. V. 12. № 11. P. 511–514.
- Shi Z. et al. Mechanism of BN-Promoting Acicular Ferrite Nucleation to Improve Heat-Affected Zone Toughness of VN-Ti Microalloyed Offshore Steel // J. Mater. 2022. V. 15. № 4. P. 1420. https://doi.org/10.1016/0001-6160(86)90222-1
- Yanagimoto F. et al. Local Stress in the Vicinity of the Propagating Cleavage Crack Tip in Ferritic Steel // Mater. Des. 2018. V. 144. P. 361–373. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.02.037
- Gourgues A.F. Microtexture Induced by the Bainitic Transformation in Steels during Welding. Effect on the Resistance to Cleavage Cracking // Mater. Sci. Forum. 2003. V. 426. P. 3629–3634.
- Calcagnotto M. et al. Effect of Grain Refinement on Strength and Ductility in Dual-Phase Steels // Proc. 2d Int. Sym. Steel Sci (ISSS 2009), Kyoto. 2009. P. 21–24.
- Kawata H., Umezawa O. Effect of Pearlite Volume Fraction on Two-Step Ductile to Brittle Transition in Ferrite+ Pearlite Structure Steel Sheets // ISIJ Int. 2019. P. ISIJINT-2018-764. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2018-764
- Шевандин Е.М., Разов И.А. Хладноломкость и предельная пластичность металлов в судостроении. Ленинград: Судостроение, 1965.
- Graville B.A., Tyson W.R. Toughness Requirements for Welded Structures in the Arctic // Weld. J. 1992. V. 71. P. 437.
- Scott D.W. Multivariate Density Estimation: Theory, Practice, and Visualization // Wiley, N. Y.: 1992. https://doi.org/10.1002/9780470316849
- Bishop T.A., Markworth A.J., Rosenfield A.R. Analyzing Statistical Variability of Fracture Properties // Metall. Mater. Trans. A. 1983. V. 14. № 3. P. 687–693.
- Штремель М.А. Разрушение. М.: Издательский дом МИСиС, 2014. Кн. 2. С. 456–478.
- Кудря А.В., Кузько Е.И., Соколовская Э.А. Об оценке хладноломкости конструкционных сталей по результатам сериальных ударных испытаний // Деформация и разрушение материалов. 2013. № 12. С. 36–45.
- Кудря А.В., Соколовская Э.А. Неоднородность разномасштабных структур и сопротивление разрушению конструкционных сталей // Изв. Рос. академии наук. Сер. физ. 2004. Т. 68. № 10. С. 1495–1502.
- Кантор М.М., Судьин В.В., Солнцев К.А. Деформационные особенности распространения трещин скола в ферритно-перлитной микроструктуре в интервале вязко-хрупкого перехода // Неорган. материалы. 2021. Т. 57. № 6. С. 670–682. https://doi.org/10.31857/S0002337X2106004X
- Кантор М.М., Боженов В.А. Рассеяние значений ударной вязкости низколегированной стали в критическом интервале хладноломкости // Материаловедение. 2013. № 11. С. 3–14.
- Kawata H., Umezawa O. Middle Shelf during Ductile to Brittle Transition on Ferrite + Pearlite Structure Steel Sheet // Mater. Sci. Forum. 2018. V. 941. P. 453–457. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/MSF.941.453' target='_blank'>www.scientific.net/MSF.941.453
- Sudin V.V., Kantor M.M., Solntsev K.A. Features of Weld Metal Brittle Fracture in Charpy Tests // Procedia Struct. Integr. 2020. V. 28. P. 1637–1643. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2020.10.135
- Sudin V.V., Kantor M.M., Solntsev K.A. Analysis of the Relationship between the Load-Displacement Curve and Characteristics of Fracture of Low-Alloy Steel by Neural Networks // Inorg. Mater.: Appl. Res. 2020 V. 11. № 4. P. 893–902. https://doi.org/10.1134/S2075113320040176
- Tanguy B., Besson J., Piques R., Pineau A. Ductile to Brittle Transition of an A508 Steel Characterized by Charpy Impact Test: Part I: Experimental Results // Eng. Fract. Mech. 2005. V. 72. № 1. P. 49–72. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2004.03.010
- Martin-Meizoso A. et al. Modelling Cleavage Fracture of Bainitic Steels // Acta Metall. Mater. 1994. V. 42. № 6. P. 2057–2068. https://doi.org/10.1016/0956-7151(94)90031-0
- Lambert-Perlade A. et al. Mechanisms and Modeling of Cleavage Fracture in Simulated Heat-Affected Zone Microstructures of a High-Strength Low Alloy Steel // Metall. Mater. Trans. A. 2004. V. 35. № 13. P. 1039–1053. https://doi.org/10.1007/s11661-004-0030-y
- Pineau A. Practical Application of Local Approach Methods // Comprehensive Structural Integrity. Oxford: Elsevier, 2003. Chapter 7.05. V. 7. P. 177–225.
- Chen J.H., Zhu L., Ma H. On the Scattering of the Local Fracture Stress σf* // Acta Metall. Mater. 1990. V. 38. № 12. P. 2527–2535. https://doi.org/10.1016/0956-7151(90)90264-H
- Кантор М.М., Воркачев К.Г., Солнцев К.А. Природа микротрещин в ферритных сталях в условиях разрушения при температурах критического интервала хладноломкости // Неорган. материалы. 2018. Т. 54. № 10. С. 1133–1140. https://doi.org/10.1134/S0002337X18100093