Микроструктура и ударная вязкость игольчатого феррита в сварных соединениях низколегированной стали по результатам множественных испытаний на ударный изгиб

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

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.

Об авторах

М. М. Кантор

Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова
Российской академии наук

Email: vsudyin@imet.ac.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 49

В. В. Судьин

Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова
Российской 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. Байкова
Российской академии наук

Email: vsudyin@imet.ac.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 49

К. А. Солнцев

Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова
Российской академии наук

Email: vsudyin@imet.ac.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 49

Список литературы

  1. Easterling K. Introduction to the Physical Metallurgy of Welding. N. Y.: Elsevier, 2013.
  2. 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
  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
  4. Svensson L.E., Gretoft B. Microstructure and Impact Toughness of C–Mn Weld Metals // Weld. J. 1990. V. 69. № 12. P. 454.
  5. 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
  6. 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
  7. 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
  8. 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
  9. 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
  10. 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
  11. 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
  12. 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
  13. Bhadeshia H., Svensson L.E. Modelling the Evolution of Microstructure in Steel Weld Metal // Math. Model. Nat. Phenom. 1993. V. 1. P. 109–182.
  14. 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
  15. 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
  16. 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
  17. 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
  18. 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.
  19. 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
  20. 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
  21. 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
  22. 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
  23. 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
  24. 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
  25. 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
  26. 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.
  27. 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
  28. 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
  29. 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.
  30. 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.
  31. 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
  32. Шевандин Е.М., Разов И.А. Хладноломкость и предельная пластичность металлов в судостроении. Ленинград: Судостроение, 1965.
  33. Graville B.A., Tyson W.R. Toughness Requirements for Welded Structures in the Arctic // Weld. J. 1992. V. 71. P. 437.
  34. Scott D.W. Multivariate Density Estimation: Theory, Practice, and Visualization // Wiley, N. Y.: 1992. https://doi.org/10.1002/9780470316849
  35. 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.
  36. Штремель М.А. Разрушение. М.: Издательский дом МИСиС, 2014. Кн. 2. С. 456–478.
  37. 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.
  38. 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.
  39. 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
  40. Кантор М.М., Боженов В.А. Рассеяние значений ударной вязкости низколегированной стали в критическом интервале хладноломкости // Материаловедение. 2013. № 11. С. 3–14.
  41. 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
  42. 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
  43. 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
  44. 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
  45. 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
  46. 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
  47. Pineau A. Practical Application of Local Approach Methods // Comprehensive Structural Integrity. Oxford: Elsevier, 2003. Chapter 7.05. V. 7. P. 177–225.
  48. 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
  49. 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

© М.М. Кантор, В.В. Судьин, В.А. Боженов, К.А. Солнцев, 2023

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах