Исследование структуры и механических свойств сварных соединений высокопрочной низколегированной стали арктического назначения

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 (С_экв ≥ 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.

1. Якушин 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.

2. 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)-19-22

3. Ma 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/10.1088/1755-1315/585/1/012025

4. Kaçar 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.406797

5. Староконь 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)-56-60

6. Perec 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_16

7. Dzioba I., Pala R. Strength and fracture toughness of Hardox­400 steel // Metals. 2019. Vol. 9. No. 5. Article 508. https://doi.org/10.3390/met9050508

8. Dzioba 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-w

9. Górka 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/ma11071184

10. Полецков 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.

11. 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.854.30

12. Poletskov 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-w

13. Poleckov 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.410.197

14. Poletskov 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.2020.01.11

15. Poletskov 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.2020.02.11

16. Ефименко Л.А., Елагина О.Ю., Вышемирский Е.М. Особенности подхода к оценке свариваемости низкоуглеродистых высокопрочных трубных сталей // Сварочное производство. 2010. № 5. С. 5–11.

17. 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.

18. 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/10.1080/09507116.2013.796658

19. Konat 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/met9090915

20. Сычков 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.