blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2021-1-28-37blackmet-2036Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESВлияние режимов поперечно-винтовой прокатки на механические свойства и вязкость разрушения трубной сталиInfluence of cross-screw rolling modes on mechanical properties and fracture toughness of pipe steelСуриковаН. С.SurikovaN. S.

Наталья Сергеевна Сурикова, д.ф.-м.н., доцент, старший научный сотрудник

634055, Томск, пр. Академический, 2/3

Natal'ya S. Surikova, Dr. Sci. (Phys.–Math.), Assist. Prof., Senior Researcher

2/3, Akademicheskii ave., Tomsk 634021

ВласовИ. В.VlasovI. V.

Илья Викторович Власов, к.т.н., научный сотрудник лаборатории физической мезомеханики и неразрушающих методов контроля

634055, Томск, пр. Академический, 2/3

Il'ya V. Vlasov, Cand. Sci. (Eng.), Research Associate of the Laboratory of Physical Mesomechanics and Non-Destructive Testing

2/3, Akademicheskii ave., Tomsk 634021

good0@yandex.ruДеревягинаЛ. С.DerevyaginaL. S.

Людмила Сергеевна Деревягина, д. ф.-м. н., ведущий научный сотрудник

634055, Томск, пр. Академический, 2/3

Lyudmila S. Derevyagina, Dr. Sci. (Phys.–Math.), Leading Researcher

2/3, Akademicheskii ave., Tomsk 634021

lsd@ispms.tsc.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4361-8906ГордиенкоА. И.GordienkoA. I.

Антонина Ильдаровна Гордиенко, к.т.н., научный сотрудник

634055, Томск, пр. Академический, 2/3

Antonina I. Gordienko, Cand. Sci. (Eng.), Research Associate

2/3, Akademicheskii ave., Tomsk 634021

mirantil@sibmail.comНаркевичН. А.NarkevichN. A.

Наталья Аркадьевна Наркевич, к.т.н., старший научный сотрудник

634055, Томск, пр. Академический, 2/3

Natal'ya A. Narkevich, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

2/3, Akademicheskii ave., Tomsk 634021

natnark@list.ruИнститут физики прочности и материаловедения СО РАНРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science, SB RASRussian Federation2021160220216412837Copyright © Сурикова Н.С., Власов И.В., Деревягина Л.С., Гордиенко А.И., Наркевич Н.А., 20212021Сурикова Н.С., Власов И.В., Деревягина Л.С., Гордиенко А.И., Наркевич Н.А.Surikova N.S., Vlasov I.V., Derevyagina L.S., Gordienko A.I., Narkevich N.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2028

В работе методами механических испытаний, оптической металлографии, электронной просвечивающей и растровой сканирующей микроскопии исследовано влияние трех режимов многопроходной поперечно-винтовой прокатки (ПВП) на микроструктуру, механические свойства и вязкость разрушения феррито-перлитной трубной стали 09Г2С. Показано, что после всех режимов ПВП наблюдается изменение параметров исходной зеренной структуры заготовки с формированием слоистости в распределении зерен по размерам – вблизи поверхности заготовки размер глобулярных зерен составляет 1 – 4 мкм, длина вытянутых зерен в центральной части заготовки варьируется от единиц до десятков мкм, ширина – от 1 до 8 мкм. Механические испытания на одноосное растяжение и ударную вязкость проводили на образцах, вырезанных из центральной части прутка. Установлено, что ПВП приводит к увеличению предела текучести и предела прочности стали после всех исследуемых режимов при незначительном понижении общей пластичности. Наибольшее увеличение ударной вязкости при Т = –70 °С наблюдается после контролируемой ПВП в интервале температур 850 – 500 °С. С помощью электронно-микроскопических исследований показано, что особенности механического поведения образцов после ПВП связаны со структурными превращениями, происходящими в стали при прокатке и охлаждении. Основным фактором упрочнения является измельчение ферритных зерен и формирование субзеренной структуры после ПВП. Повышение ударной вязкости связано с более однородной мелкодисперсной структурой проката, не содержащей пластин цементита и бейнита. Процессы разрушения исходных образцов стали и после ПВП в зависимости от температуры анализируются на основе записанных диаграмм ударного нагружения и структур в зонах долома образцов Шарпи.

Influence of three modes of multi-pass cross-screw rolling (CSR) on microstructure, mechanical properties and fracture toughness of ferriteic-pearlitic 09G2S pipe steel was investigated by methods of mechanical tests, optical metallography, electron transmission and scanning microscopy. After all CSR modes there is a change in parameters of initial grain structure of the billet with formation of lamination in grain distribution by sizes. Near the surface of the billet the size of globular grains is 1 – 4 µm, the length of extended grains in the central part of the billet varies from units to tens µm, width – from 1 to 8 µm. Mechanical tests for uniaxial tension and toughness were performed on the samples cut from the central zone of the billet. It was found that CSR increases the yield and tensile strengths of all test samples with a slight decrease in overall plasticity. The greatest increase in toughness at T = –70 °C is observed after controlled CSR within the 850 – 500 °С temperature range. Electron microscopic studies have shown that features of mechanical behavior of the samples after CSR are related to structural transformations occurring in steel during rolling and cooling. The main hardening factor is the grinding of ferrite grains and the formation of a subgrain structure after CSR. The increase in fracture toughness is related to more uniform ultrafine-grained structure of rolled material, which does not contain plates of cementite and bainite. Fracture processes of initial steel samples and after CSR depending on temperature were analyzed on the basis of recorded diagrams of impact loading and fractures in breakage regions of the Charpy specimens.

низкоуглеродистая стальпоперечно-винтовая прокаткамеханические характеристикизеренная структурадиаграммы ударного нагружениязоны разрушенияlow-carbon steelcross-screw rollingintensive plastic deformationdeformation hardeningmechanical characteristicsgrain structurediagrams of shock loadingdestruction zonesРабота выполнена в рамках государственного задания ИФПМ СО РАН, тема номер FWRW-2021-0010, а также при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-08-00221.The work was performed according to the Government research assignment for the Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, project no. FWRW-2021-0010, and was financially supported by RFBR, project no. 18-08-00221.ReferencesРыбин В.В., Малышевский В.А., Хлусова Е.И. Структура и свойства хладостойких сталей для конструкций северного исполнения // Вопросы материаловедения. 2006. No 1 (45). С. 24–44.Rybin V.V., Malyshevskii V.A., Khlusova E.I. Structure and properties of cold resistant steels for northern operating. Voprosy materialovedeniya. 2006, no. 1 (45), pp. 24–44. (In Russ.).Горынин И.В., Рыбин В.В., Малышевский В.А., Хлусова Е.И. Хладостойкие стали для технических средств освоения арктического шельфа // Вопросы материаловедения. 2009. No 3 (59). С. 108–126.Gorynin I.V., Rybin V.V., Malyshevskii V.A., Khlusova E.I. Cold-resistant steels for Arctic shelf development equipment. Voprosy materialovedeniya. 2009, no. 3 (59), pp. 108–126. (In Russ.).Чжао Ф., Чжао Л. Бейнитные стали с ультранизким содержанием углерода и перспективы их применения // Вопросы материаловедения. 2008. No 1 (53). С. 52–61.Chzhao F., Chzhao L. Bainitic steels with ultra-low carbon content and prospects for their application. Voprosy materialovedeniya. 2008, no. 1 (53), pp. 52–61. (In Russ.).Tian Y., Wang H.T., Wang Z.D., Misra R.D.K., Wang G.D. Microstructural evolution and the precipitation behavior in X90 linepipe steel during isothermal processing // Journal of Materials Engineering and Performance. 2018. Vol. 27. No. 4. P. 1494–1504. https://doi.org/10.1007/s11665-018-3197-xTian Y., Wang H.T., Wang Z.D., Misra R.D.K., Wang G.D. Microstructural evolution and the precipitation behavior in X90 linepipe steel during isothermal processing. Journal of Materials Engineering and Performance. 2018, vol. 27, no. 4, pp. 1494–1504. https://doi.org/10.1007/s11665-018-3197-xMishin I.P., Naydenkin E.V, Ratochka I.V., Lykova O.N., Manisheva A.I. Study of the effect of combined rolling with subsequent aging on structure and mechanical properties of near β titanium alloy // AIP Conference Proceedings. 2019. Vоl. 2167. Article 020230. https://doi.org/10.1063/1.5132097Mishin I.P., Naydenkin E.V, Ratochka I.V., Lykova O.N., Manisheva A.I. Study of the effect of combined rolling with subsequent aging on structure and mechanical properties of near β titanium alloy. AIP Conference Proceedings. 2019, vol. 2167, article 020230. https://doi.org/10.1063/1.5132097Naizabekov A.B., Lezhnev S.N., Arbuz A.S. The effect of radialshear rolling on the microstructure and mechanical properties of technical titanium // Solid State Phenomena. 2020. Vol. 299. P. 565–570. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.299.565Naizabekov A.B., Leznev S.N., Arbuz A.S. The effect of radialshear rolling on the microstructure and mechanical properties of technical titanium. Solid State Phenomena. 2020, vol. 299, pp. 565–570. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.299.565Иванов К.В., Найденкин Е.В., Лыкова О.Н., Раточка И.В., Мишин И.П., Винокуров В.А. Эволюция структуры и механических свойств сплава ВТ6 при поперечно-винтовой прокатке и последующих деформационных и термических обработках // Известия вузов. Физика. 2017. Т. 60. No 7. С. 126–132. https://doi.org/10.1007/s11182-017-1199-zIvanov K.V., Naidenkin E.V., Lykova O.N., Ratochka I.V., Mishin I.P., Vinokurov V.A. Structure evolution and mechanical properties of a Ti-6Al-4V alloy during helical rolling and subsequent deformation and heat treatments. Russian Physics Journal. 2017, vol. 60, no. 7, pp. 1226–1232. https://doi.org/10.1007/s11182-0171199-zSurikova N.S., Panin V.E., Narkevich N.A., Mishin I.P., GordienkoA.I. Formation of a multilevel hierarchical mesosubstructure by cross rolling and its influence on the mechanical behavior of austenitic steel // Physical Mesomechanics. 2018. Vol. 21. No 5. P. 430–440. https://doi.org/10.1134/S1029959918050077Surikova N.S., Panin V.E., Narkevich N.A., Mishin I.P., Gordienko A.I. Formation of a multilevel hierarchical mesosubstructure by cross rolling and its influence on the mechanical behavior of austenitic steel. Physical Mesomechanics. 2018, vol. 21, no. 5, pp. 430–440. https://doi.org/10.1134/S1029959918050077Горелик С.С., Добаткин С.В., Капуткина Л.М. Рекристаллизация металлов и сплавов. М.: МИСИС, 2005. 432 с.Gorelik S.S., Dobatkin S.V., Kaputkina L.M. Recrystallization of Metals and Alloys. Moscow: NUST “MISIS”, 2005, 432 p. (In Russ.).Счастливцев В.М., Табачникова Т.И., Яковлева И.Л., Круглова А.А., Хлусова Е.И., Орлов В.В. Особенности структуры бейнита в низкоуглеродистых свариваемых сталях после термомеханической обработки // Вопросы материаловедения. 2009. No 3(59). С. 26–38.Schastlivtsev V.M., Tabachnikova T.I., Yakovleva I.L., Kruglova A.A., Khlusova E.I., Orlov V.V. Features of bainite structure in low-carbon welded steels after thermomechanical treatment. Voprosy materialovedeniya. 2009, no. 3 (59), pp. 26–38. (In Russ.).Jun Hu, Lin-Xiu Du, Hui Xie, Peng Yu, Misra R.D.K. A nanograined/ultrafine-grained low-carbon microalloyed steel processed by warm rolling // Materials Science and Engineering: A. 2014. Vol. 605. P. 186–191. https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.03.064Jun Hu, Lin-Xiu Du, Hui Xie, Peng Yu, Misra R.D.K. A nanograined/ultrafine-grained low-carbon microalloyed steel processed by warm rolling. Materials Science and Engineering: A. 2014, vol. 605, pp. 186–191. https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.03.064Hohenwarter A., Kapp M.W., Volker B., Renk O., Pippan R. Strength and ductility of heavily deformed pearlitic microstructures // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. Vol. 219. Article 012003. https://doi.org/10.1088/1757899X/219/1/012003Hohenwarter A., Kapp M.W., Volker B, Renk O., Pippan R. Strength and ductility of heavily deformed pearlitic microstructures. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017, vol. 219, article 012003. https://doi.org/10.1088/1757899X/219/1/012003Li Y.J., Kang J., Zhang W.N., Liu D., Wang X.H., Yuan G., Misra R.D.K., Wang G.D. A novel phase transition behavior during dynamic partitioning and analysis of retained austenite in quenched and partitioned steels // Materials Science & Engineering: A. 2018. Vol. 710. P. 181–191. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.10.104Li Y.J., Kang J., Zhang W.N., Liu D., Wang X.H., Yuan G., Misra R.D.K., Wang G.D. A novel phase transition behavior during dynamic partitioning and analysis of retained austenite in quenched and partitioned steels. Materials Science & Engineering: A. 2018, vol. 710, pp. 181–191. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.10.104Счастливцев В.М., Яковлева И.Л., Терещенко Н.А., Курбан В.В., Корнилов В.Л., Салганик В.М., Песин А.М. Особенности химического состава и структура низкоуглеродистых низколегированных трубных сталей после контролируемой прокатки // Металловедение и термическая обработка металлов. 2008. No 5(635). С. 3–8.Schastlivtsev V.M., Yakovleva I.L., Tereshchenko N.A., Kurban V.V., Kornilov V.L., Salganik V.M., Pesin A.M. Main structural factors of strengthening of low-carbon low-alloy pipe steels after controlled rolling. Metal Science and Heat Treatment. 2009, vol. 51, no. 1-2, pp. 40–44.Ghosh S., Mula S. Thermomechanical processing of low carbon Nb-Ti stabilized microalloyed steel: Microstructure and mechanical properties // Materials Science and Engineering: A. 2015. Vol. 646. P. 218–233. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.08.072Ghosh S., Mula S. Thermomechanical processing of low carbon Nb-Ti stabilized microalloyed steel: Microstructure and mechanical properties. Materials Science and Engineering: A. 2015, vol. 646, pp. 218–233. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.08.072Tian J., Xu G., Liang W., Yuan Q. Effect of annealing on the microstructure and mechanical properties of low-carbon steel with ultrafine grains // Metallography, Microstructure and Analysis. 2017. Vol. 6. No. 3. P. 233–239. https://doi.org/10.1007/s13632-017-0350-0Tian J., Xu G., Liang W., Yuan Q. Effect of annealing on the microstructure and mechanical properties of low-carbon steel with ultrafine grains. Metallography, Microstructure and Analysis. 2017, vol. 6, no. 3, pp. 233–239. https://doi.org/10.1007/s13632-017-0350-0Ravi A.M., Kumar A., Herbi M., Sietsma J., Santofimia M. J. Impact of austenite grain boundaries and ferrite nucleation on bainite formation in steels // Acta Materialia. 2020. Vol. 188. P. 424–434. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.01.065Ravi A.M., Kumar A., Herbi M., Sietsma J., Santofimia M.J. Impact of austenite grain boundaries and ferrite nucleation on bainite formation in steels. Acta Materialia. 2020, vol. 188, pp. 424–434. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.01.065Shamsujjoha M. Evolution of microstructures, dislocation density and arrangement during deformation of low carbon lath martensitic steels // Materials Science and Engineering: A. 2020. Vol. 776. Article 139039. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139039Shamsujjoha M. Evolution of microstructures, dislocation density and arrangement during deformation of low carbon lath martensitic steels. Materials Science and Engineering: A. 2020, vol. 776, article 139039. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139039Eres-Castellanos A., Caballero F.G., Garcia-Mateo C. Stress or strain induced martensitic and bainitic transformations during ausforming processes // Acta Materialia. 2020. Vol. 189. P. 60–72. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.03.002Eres-Castellanos A., Caballero F.G., Garcia-Mateo C. Stress or strain induced martensitic and bainitic transformations during ausforming processes. Acta Materialia. 2020, vol. 189, pp. 60–72. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.03.002Яковлева С.П., Махарова С.Н., Борисова М.З. Структура, свойства и особенности разрушения низколегированной стали в субмикрокристаллическом состоянии // Металлы. 2006. No 4. С. 71–78.Yakovleva S.P., Makharova S.N., Borisova M.Z. Structure, properties and fracture features of low alloy steel in submicrocrystalline state. Metally. 2006, no. 4, pp. 71–78. (In Russ.).Фаpбер В.М., Хотинов В.А., Морозова А.Н., Лежнин Н.В., Мартин Т. Диагностика изломов и энергоемкости вязкого разрушения при инструментальных испытаниях на ударный изгиб // Металловедение и термическая обработка металлов. 2015. No 6. С. 22–25.Farber V.M., Khotinov V.A., Morozova A.N., Lezhnin N.V., Martin T. Diagnosis of fractures and energy intensity of viscous fracture during instrumental tests for impact bending. Metal Science and Heat Treatment. 2015, vol. 57, no. 5-6, pp. 329–333.Хотинов В.А., Фабер В.М., Морозова А.Н. Оценка уровня вязкости трубных сталей с помощью диаграмм ударного разрушения // Диагностика, ресурс и механика материалов и конструкций. 2015. No 2. С. 57–66.Khotinov V.A., Faber V.M., Morozova A.N. Evaluating the toughness of pipe steels by impact fracture curves. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. 2015, no. 2, pp. 57–66. (In Russ.).Фабер В.М., Хотинов В.А., Морозова А.Н., Селиванова О.В., Полухина О.Н., Карабаналов М.С. Исследование области долома в образцах Шарпи высоковязкой стали 08Г2Б // Металловедение и термическая обработка металлов. 2018. No 6 (756). С. 11–15. https://doi.org/10.1007/s11041-018-0282-6Faber V.M., Khotinov V.A., Morozova A.N., Selivanova O.V., Polukhina O.N., Karabanalov M.S. Study of the breakage region of high ductility steel 08G2B Charpy specimen fracture. Metal Science and Heat Treatment. 2018, vol. 60, no. 5-6, pp. 348–353. https://doi.org/10.1007/s11041-018-0282-6

The authors declare that there are no conflicts of interest present.