blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2022-2-113-119blackmet-2258Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEИсследование структуры и механических свойств сварных соединений высокопрочной низколегированной стали арктического назначенияStructure and mechanical properties of welded joints of high-strength low-alloy steel for arctic purposeshttps://orcid.org/0000-0003-4790-2821ШекшеевМ. А.SheksheevM. A.

Максим Александрович Шекшеев, к.т.н., доцент кафедры «Машины и технологии обработки давлением и машиностроение»

455000, Челябинская обл., Магнитогорск, пр. Ленина, 38

Maksim A. Sheksheev, Cand. Sci. (Eng), Assist. Prof. of the Chair “Machinery and Metal Forming Technology and Mechanical Engineering” 

38 Lenina Ave., Magnitogorsk, Chelyabinsk Region 455000

shecsheev@yandex.ruШиряеваЕ. Н.ShiryaevaE. N.

Елена Николаевна Ширяева, аспирант кафедры «Технологии обработки материалов»

455000, Челябинская обл., Магнитогорск, пр. Ленина, 38

Elena N. Shiryaeva, Postgraduate of the Chair “Materials Processing Technologies” 

38 Lenina Ave., Magnitogorsk, Chelyabinsk Region 455000

e.shyraeva@mail.ruМихайлицынС. В.MikhailitsynS. V.

Сергей Васильевич Михайлицын, к.т.н., доцент кафедры «Машины и технологии обработки давлением и машиностроение»

455000, Челябинская обл., Магнитогорск, пр. Ленина, 38

Sergei V. Mikhailitsyn, Cand. Sci. (Eng), Assist. Prof. of the the Chair “Machinery and Metal Forming Technology and Mechanical Engineering” 

38 Lenina Ave., Magnitogorsk, Chelyabinsk Region 455000

svmikhaylitsyn@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0886-1601СычковА. Б.SychkovA. B.

Александр Борисович Сычков, д.т.н., профессор кафедры литейного производства и материаловедения

455000, Челябинская обл., Магнитогорск, пр. Ленина, 38

Aleksandr B. Sychkov, Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Chair of Foundry and Material Science 

38 Lenina Ave., Magnitogorsk, Chelyabinsk Region 455000

absychkov@mail.ruЕмелюшинА. Н.EmelyushinA. N.

Алексей Николаевич Емелюшин, д.т.н., профессор кафедры литейного производства и материаловедения

455000, Челябинская обл., Магнитогорск, пр. Ленина, 38

Aleksei N. Emelyushin, Prof. of the Chair of Foundry and Material Science 

38 Lenina Ave., Magnitogorsk, Chelyabinsk Region 455000

emelushin@magtu.ruМагнитогорский государственный технический университет им. Г.И. НосоваРоссияNosov Magnitogorsk State Technical UniversityRussian Federation202217032022652113119Copyright © Шекшеев М.А., Ширяева Е.Н., Михайлицын С.В., Сычков А.Б., Емелюшин А.Н., 20222022Шекшеев М.А., Ширяева Е.Н., Михайлицын С.В., Сычков А.Б., Емелюшин А.Н.Sheksheev M.A., Shiryaeva E.N., Mikhailitsyn S.V., Sychkov A.B., Emelyushin A.N.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/2258

Работа посвящена исследованиям по установлению причин образования трещин в сварных соединениях высокопрочной стали арктического назначения на основе изучения структуры и механических свойств металла шва и зоны термического влияния. Потребителями машиностроительной продукции предъявляются все более высокие требования к сварным соединениям металлоконструкций. Это обусловливает необходимость применения для их производства проката из сталей, которые обладают повышенными механическими и специальными свойствами. В работе показано, что при сварке сталей типа MAGSTRONG W700 в локальных участках сварных соединений наблюдается образование трещин. Установлено, что структура металла шва сварных соединений стали MAGSTRONG W700 характеризуется наличием столбчатых кристаллов с твердостью 312 – 323 HV. Структура металла на участке перегрева зоны термического влияния характеризуется наличием укрупненного первичного зерна, а также пакетными образованиями бейнита и бейнито-мартенсита с твердостью 338 – 352 HV. Уровень временного сопротивления разрыву металла зоны термического влияния составляет 618 – 627 МПа. В зависимости от температуры испытания, значения ударной вязкости металла зоны термического влияния изменяются от 62 до 86 Дж/см2. Сталь MAGSTRONG W700 обладает хорошей сопротивляемостью к образованию горячих трещин при сварке (UCS = 20,3), однако имеет повышенную склонность к образованию холодных трещин (Сэкв ≥ 0,48). Анализ полученных данных показал, что разрушение сварных соединений исследуемой стали происходит по причине ее неудовлетворительной свариваемости. Такая свариваемость обусловлена сложной химической композицией, а также целой совокупностью факторов (таких как формирование неблагоприятных структур в металле сварных соединений при воздействии термических циклов сварки, сложная картина сварочных напряжений, уровень которых превышает временное сопротивление разрыву металла). Структура металла шва имеет крупнокристаллическое строение, что значительно ослабляет соединение.

The work is devoted to the research of cracks causes in welded joints of high­strength steel for arctic purposes based on the study of the structure and mechanical properties of the weld metal and the zone of thermal influence. Consumers of machine­building products make increasingly high demands on welded joints of metal structures. This necessitates the use of rolled steels for their production, which have increased mechanical and special properties. When welding MAGSTRONG W700 type steels, cracks are observed in local sections of welded joints. It was established that the structure of the weld metal of welded joints of MAGSTRONG W700 steel is characterized by the presence of columnar crystals with a hardness of 312 – 323 HV. The metal structure in the overheating area of thermal influence zone is characterized by the presence of enlarged primary grain, as well as batch formations of bainite and bainite-martensite with hardness of 338 – 352 HV. The level of temporary resistance to rupture of the metal in thermal influence zone is 618 – 627 MPa. Depending on the test temperature, values of the impact strength of the metal in thermal influence zone vary from 62 to 86 J/cm2. MAGSTRONG W700 steel has good resistance to the formation of hot cracks during welding (UCS = 20,3), however, it has an increased tendency to form cold cracks (CE = 0,48). Analysis of the data obtained showed that destruction of welded joints of the studied steel occurs due to its unsatisfactory weldability. Such weldability is due to a complex chemical composition, as well as a whole set of factors (such as the formation of unfavorable structures in the metal of welded joints under the influence of thermal welding cycles, a complex picture of welding stresses, the level of which exceeds the temporary resistance to metal rupture). Also, the structure of the weld metal has a large­crystalline structure, which significantly weakens the connection.

высокопрочная стальсварной шовзона термического влияниясвариваемостьхолодные трещиныгорячие трещиныструктура металламеханические свойстваhigh­strength steelwelded jointthermal influence zoneweldabilitycold crackshot cracksmetal structuremechanical propertiesРабота выполнена в рамках государственной поддержки молодых российских ученых – гранта Президента РФ (№ МК­ 3849.2021.4).The work was supported by a grant of the President of the Russian Federation (No. MK­3849.2021.4).ReferencesЯкушин Б.Ф., Килев В.С., Тихонов В.П., Потапов С.В. О системном подходе к решению проблемы свариваемости хладостойких мостовых сталей // Тяжелое машиностроение. 2018. № 7­8. С. 32–39.Yakushin B.F., Kilev V.S., Tikhonov V.P., Potapov S.V. On system approach to the problem of weldability of cold­resistant bridge steels. Tyazheloe mashinostroenie. 2018, vol. 7­8, pp. 32–39. (In Russ.).Ерофеев В.В., Шарафиев Р.Г., Альмухаметов А.А., Макаров Л.В., Киреев И.Р., Якупов В.М., Игнатьев А.Г., Ерофеев С.В. Оценка долговечности сварных соединений металлоконструкций объектов нефтегазодобывающего комплекса на основе ускоренных испытаний // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2019. № 1 (109). С. 19–22. https://doi.org/10.33285/1999-6934-2019-1(109)-19-22Erofeev V.V., Sharafiev R.G., Al’mukhametov A.A., Makarov L.V., Kireev I.R., Yakupov V.M., Ignat’ev A.G., Erofeev S.V. Evaluation of metallic structures’ welded joints durability at the objects of oil and gas producing complex based on accelerated testing. Oborudovanie i tekhnologii dlya neftegazovogo kompleksa. 2019, no. 1 (109), pp. 19–22. (In Russ.). https://doi.org/10.33285/1999-6934-2019-1(109)-19-22Ma Q. Microstructure design and properties of X100 gas line pipe // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020. Vol. 585. No. 1. Article 012025. https://doi.org/10.1088/1755-1315/585/1/012025Ma Q. Microstructure design and properties of X100 gas line pipe. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020, vol. 585, no. 1, article 012025. https://doi.org/10.1088/1755-1315/585/1/012025Kaçar R., Emre H.E., İşineri A.Ü., Najafigharehtapeh A. Effects of welding methods on the mechanical properties of joining dissimilar steel couple // Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University. 2018. Vol. 33. No. 1. P. 255–265. (In Turk.) https://doi.org/10.17341/gazimmfd.406797Kaçar R., Emre H.E., İşineri A.Ü., Najafigharehtapeh A. Effects of welding methods on the mechanical properties of joining dissimilar steel couple. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University. 2018, vol. 33, no. 1, pp. 255–265. (In Turk.) https://doi.org/10.17341/gazimmfd.406797Староконь И.В., Калашников П.К. Оценка эффективности технологии ремонта сварного соединения «К»­типа морских стационарных платформ с учетом накопленных повреждений // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2020. № 4 (328). С. 56–60. https://doi.org/10.33285/0130-3872-2020-4(328)-56-60Starokon’ I.V., Kalashnikov P.K. Efficiency estimation of the technology of “K”­type welded joint repair of marine stationary platforms with account of accumulated damages. Stroitel’stvo neftyanykh i gazovykh skvazhin na sushe i na more. 2020, no. 4 (328), pp. 56–60. (In Russ.). https://doi.org/10.33285/0130-3872-2020-4(328)-56-60Perec A., Musial W., Prazmo J., Sobczak R., Radomska­Zalas A., Bieda A., Nagnajewicz S., Pude F. Multi­criteria optimization of the abrasive waterjet cutting process for the high­strength and wearresistant steel Hardox 500 // Lecture Notes in Mechanical Engineering. 2021. P. 145–154. https://doi.org/10.1007/978-3-030-53491-2_16Perec A., Musial W., Prazmo J., Sobczak R., Radomska­Zalas A., Bieda A., Nagnajewicz S., Pude F. Multi­criteria optimization of the abrasive waterjet cutting process for the high­strength and wear­resistant steel Hardox 500. Lecture Notes in Mechanical Engineering. 2021, pp. 145–154. https://doi.org/10.1007/978-3-030-53491-2_16Dzioba I., Pala R. Strength and fracture toughness of Hardox­400 steel // Metals. 2019. Vol. 9. No. 5. Article 508. https://doi.org/10.3390/met9050508Dzioba I., Pala R. Strength and fracture toughness of Hardox­400 steel. Metals. 2019, vol. 9, no. 5, article 508. https://doi.org/10.3390/met9050508Dzioba І.R., Pała R. Influence of the local stresses and strains at the crack tip on the mechanism of fracture of Hardox­400 steel // Materials Science. 2019. Vol. 55. No. 1­2. P. 345–351. https://doi.org/10.1007/s11003-019-00308-wDzioba І.R., Pała R. Influence of the local stresses and strains at the crack tip on the mechanism of fracture of Hardox­400 steel. Materials Science. 2019, vol. 55, no. 1­2, pp. 345–351. https://doi.org/10.1007/s11003-019-00308-wGórka J., Czupryński A., Zuk M., Adamiak M., Kopyść A. Properties and structure of deposited nanocrystalline coatings in relation to selected construction materials resistant to abrasive wear // Materials. 2018. Vol. 11. No. 7. Article 1184. https://doi.org/10.3390/ma11071184Górka J., Czupryński A., Zuk M., Adamiak M., Kopyść A. Properties and structure of deposited nanocrystalline coatings in relation to selected construction materials resistant to abrasive wear. Materials. 2018, vol. 11, no. 7, article 1184. https://doi.org/10.3390/ma11071184Полецков П.П., Гущина М.С., Бережная Г.А., Алексеев Д.Ю., Набатчиков Д.Г. Исследование влияния режимов термической обработки на механические свойства высокопрочного листового проката // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2015. № 4. С. 88–92.Poletskov P.P., Gushchina M.S., Berezhnaya G.A., Alekseev D.Yu., Nabatchikov D.G. Effect of heat treatment conditions on mechanical properties of high­strength rolled steel sheet. Bulletin of Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov. 2015, no. 4, pp. 88–92. (In Russ.).Gulkov Y.V., Turysheva A.V., Vinogradova I.V. Producing steels with special properties using a jet heat treatment system // Key Engineering Materials. 2020. Vol. 854. P. 30–36. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.854.30Gulkov Y.V., Turysheva A.V., Vinogradova I.V. Producing steels with special properties using a jet heat treatment system. Key Engineering Materials. 2020, vol. 854, pp. 30–36. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.854.30Poletskov P.P., Nikitenko O.A., Kuznetsova A.S., Alekseev D.Y. Development of heat treatment modes for novel structural sparingly alloyed high­strength steel for arctic and far north applications // Metal Science and Heat Treatment. 2021. Vol. 63. No. 3­4. P. 171–177. https://doi.org/10.1007/s11041-021-00666-wPoletskov P.P., Nikitenko O.A., Kuznetsova A.S., Alekseev D.Y. Development of heat treatment modes for novel structural sparingly alloyed high­strength steel for arctic and far north applications. Metal Science and Heat Treatment. 2021, vol. 63, no. 3­4, pp. 171–177. https://doi.org/10.1007/s11041-021-00666-wPoleckov P.P., Nikitenko O.A., Kuznetsova A.S. Effects of heat treatment on microstructure parameters, mechanical properties and cold resistance of sparingly alloyed high­strength steel // Defect and Diffusion Forum. 2021. Vol. 410. P. 197–202. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/DDF.410.197Poleckov P.P., Nikitenko O.A., Kuznetsova A.S. Effects of heat treatment on microstructure parameters, mechanical properties and cold resistance of sparingly alloyed high­strength steel. Defect and Diffusion Forum. 2021, vol. 410, pp. 197–202. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/DDF.410.197Poletskov P.P., Nikitenko O.A., Kuznetsova A.S., Salganik V.M. The study of transformation kinetics for overcooled austenite of the new high­strength steel with increased cold resistance // CIS Iron and Steel Review. 2020. Vol. 19. P. 56–59. https://doi.org/10.17580/cisisr.2020.01.11Poletskov P.P., Nikitenko O.A., Kuznetsova A.S., Salganik V.M. The study of transformation kinetics for overcooled austenite of the new high­strength steel with increased cold resistance. CIS Iron and Steel Review. 2020, vol. 19, pp. 56–59. https://doi.org/10.17580/cisisr.2020.01.11Poletskov P.P., Kuznetsova A.S., Nikitenko O.A., Alekseev D.Yu. The study of influence of heat treatment procedures on structure and properties of the new high­strength steel with increased cold resistance // CIS Iron and Steel Review. 2020. Vol. 20. P. 50–54. https://doi.org/10.17580/cisisr.2020.02.11Poletskov P.P., Kuznetsova A.S., Nikitenko O.A., Alekseev D.Yu. The study of influence of heat treatment procedures on structure and properties of the new high­strength steel with increased cold resistance. CIS Iron and Steel Review. 2020, vol. 20, pp. 50–54. https://doi.org/10.17580/cisisr.2020.02.11Ефименко Л.А., Елагина О.Ю., Вышемирский Е.М. Особенности подхода к оценке свариваемости низкоуглеродистых высокопрочных трубных сталей // Сварочное производство. 2010. № 5. С. 5–11.Efimenko L.A., Elagina O.Yu., Vyshemirskii E.M. Estimation of weldability of low­carbon high­strength pipe steels. Svarochnoe proizvodstvo. 2010, no. 5, pp. 5–11. (In Russ.).Емелюшин А.Н., Сычков А.Б., Шекшеев М.А. Исследование свариваемости высокопрочной трубной стали класса прочности К56 // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2012. № 3 (39). С. 26–30.Emelyushin A.N., Sychkov A.B., Sheksheev M.A. Weldability of high­strength pipe steel of K56 strength grade. Bulletin of Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov. 2012, no. 3 (39), pp. 26–30. (In Russ.).Yemelyushin A.N., Sychkov A.B., Manin V.P., Sheksheyev M.A. Investigation of the structure and mechanical properties of welded joints in steels of the K56 strength grade in different welding conditions // Welding International. 2014. Vol. 28. No. 1. P. 70–74. https://doi.org/10.1080/09507116.2013.796658Yemelyushin A.N., Sychkov A.B., Manin V.P., Sheksheyev M.A. Investigation of the structure and mechanical properties of welded joints in steels of the K56 strength grade in different welding conditions. Welding International. 2014, vol. 28, no. 1, pp. 70–74. https://doi.org/10.1080/09507116.2013.796658Konat Ł. Structural aspects of execution and thermal treatment of welded joints of Hardox extreme steel // Metals. 2019. Vol. 9. No. 9. Article 915. https://doi.org/10.3390/met9090915Konat Ł. Structural aspects of execution and thermal treatment of welded joints of Hardox extreme steel. Metals. 2019, vol. 9, no. 9, article 915. https://doi.org/10.3390/met9090915Сычков А.Б., Емелюшин А.Н., Михайлицын С.В., Шекшеев М.А. Структура и свойства зоны термического влияния сварных соединений трубного листового проката класса прочности К56, К60 // Сталь. 2014. № 4. С. 87–89.Sychkov A.B., Emelyushin A.N., Mikhailitsyn S.V., Sheksheev M.A. Structure and properties of thermal influence zone of welded joints of pipe sheet of K56, K60 strength grade. Stal'. 2014, no. 4, pp. 87–89. (In Russ.).

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