ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Современная трубопроводная промышленность нуждается в разработке материалов высокой прочности и вязкости для производства сталей для нефте- и газопроводов. Изменения в технологиях производства стали и проката стали вызовом для разработчиков сварочных материалов и технологий соединения. Эта проблема более критична для уровней прочности выше 830 МПа, где отсутствуют специальные правила одобрения сварочных материалов. Методы исследования. Разрушение сварных соединений трубопроводов из высококачественной стали в настоящее время становится серьезной проблемой для трубопроводной промышленности. Многофазные микроструктуры, содержащие игольчатый феррит или фазу с преобладанием игольчатого феррита, обладают хорошими комплексными свойствами в сталях HSLA. В данной статье основное внимание уделяется результатам, полученным с использованием современных методов сканирующей электронной микроскопии для микроструктурного анализа, таких как обратно рассеянные электроны (BSE) для контрастной визуализации по каналам электронов (ECCI) и ориентационная микроскопия на основе дифракции обратного рассеяния электронов (ORM), а также характеристические рентгеновские лучи для композиционного анализа с помощью X-лучевой спектроскопии (XEDS) и вторичных электронов (SE) для наблюдения за морфологией поверхности. Результаты и обсуждение. В данной работе проведен анализ характеристик микроструктуры сварного шва и ее связи с ударной вязкостью. Показано, что прогнозирование ударной вязкости на основе микроструктурных характеристик металлов сварных швов стали усложняется из-за большого количества задействованных параметров. Для этого необходима оптимальная микроструктура стали. Удовлетворительная микроструктура зависит от нескольких факторов, таких как химический состав, обработка горячей деформацией и ускоренное охлаждение. Легирующие элементы оказывают комплексное влияние на свойства стали, и обычно в состав стали вводят легирующие добавки, в том числе Mn, Mo, Ti, Nb и V. С металлургической точки зрения выбор легирующих элементов и металлургический процесс могут сильно повлиять на полученную микроструктуру. Более длительное время охлаждения демонстрирует тенденцию к улучшению ударной вязкости и снижению механической прочности наплавленных металлов высокопрочных сталей. Сварочные термические циклы вызывают существенные изменения механических свойств основного материала. Проведенный анализ показал, что ударная вязкость сильно зависит от микроструктуры многопроходного сварного шва исследуемого материала, которая содержит несколько источников неоднородности, таких как междендритная сегрегация, а эффективный размер зерна также может быть значимым фактором, объясняющим сильные отклонения значений локальной ударной вязкости. Показано, что игольчатый феррит, зародившийся во внутризеренных включениях, приводит к образованию мелкозернистого переплетенного расположения ферритных пластин, обеспечивающего высокую прочность на разрыв и превосходную ударную вязкость, поэтому он является желательной микроструктурной составляющей в металлах сварного шва стали C-Mn. В то же время дискуссия относительно связи между игольчатым ферритом и ударной вязкостью очень сложна и все еще открыта в настоящее время. Связь ударной вязкости с игольчатым ферритом с учетом верхнего валика не является надежной процедурой даже для однопроходных наплавок. Ударная вязкость зависит от нескольких факторов, и общепризнан сильный эффект игольчатого феррита благодаря его мелкозернистой взаимосвязанной структуре, предотвращающей распространение хрупких трещин в результате раскола. Границы с большим углом разориентации и высокая плотность дислокаций игольчатого феррита обеспечивают высокую прочность и ударную вязкость. Однако для одного и того же количества игольчатого феррита могут наблюдаться разные значения вязкости в зависимости от содержания микролегирующих элементов в стали. Анализ результатов различных исследований показал, что на ударную вязкость влияют и другие факторы. Например, микрофазы, присутствующие вдоль надреза Шарпи-V, имеют решающее значение для ударной вязкости металлов сварного шва. Объединение методов OM, SEM и EBSD представляет собой интересный метод металлографического исследования уточненной микроструктуры металлов сварных швов трубопроводов из высококачественной стали. Заключение. В настоящем обзоре сообщается о наиболее репрезентативном исследовании, касающемся микроструктурного фактора в сварном шве трубных сталей. Обзор включает в себя сводку наиболее важных переменных процесса, свойств материалов, нормативных правил, а также характеристик микроструктуры и механических свойств соединений. Предполагается, что этот обзор поможет читателям с разным опытом, от неспециалистов по сварке или материаловедов до специалистов различных промышленных приложений и исследователей.

1. Обзор современных требований к сварке трубных высокопрочных низколегированных сталей / Ю.И. Карлина, Р.В. Кононенко, В.В. Иванцивский, М.А. Попов, Ф.Ф. Дерюгин, В.Е. Бянкин // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 4. – С. 36–60. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-36-60.

2. Эфрон Л.И. Металловедение в «большой» металлургии. Трубные стали. – М.: Металлургиздат, 2012. – 696 с. – ISBN 978-5-902194-63-7.

3. Матросов Ю.И., Литвиненко С.А., Голованенко С.А. Сталь для магистральных трубопроводов. – М.: Металлургия, 1989. – 288 с.

4. Influence of welding procedure and PWHT on HSLA steel weld metals / J.C.F. Jorge, J.L.D. Monteiro, A.J.C. Gomes, I.S. Bott, L.F.G. Souza, M.C. Mendes, L.S. Araújo // Journal of Materials Research and Technology. – 2019. – Vol. 8 (1). – P. 561–571. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2018.05.007.

5. API Spec 5CT. Обсадные и насосно-компрессорные трубы. Технические условия. – 9-е изд. – Американский нефтяной институт, 2011. – 287 с.

6. ISO 11960. Нефтяная и газовая промышленность – трубы стальные, применяемые в качестве обсадных или насосно-компрессорных труб для скважин. – 4-е изд. – Международная организация по стандартизации, 2011. – 269 с.

7. DSTU ISO 11960:2020. Petroleum and natural gas industries – Steel pipes for use as casing and tubing for wells. – Geneva, Switzerland: IOS, 2020.

8. ГОСТ Р 53366–2009. Трубы стальные, применяемые в качестве обсадных или насосно-компрессорных труб для скважин в нефтяной и газовой промышленности. Общие технические условия. – М.: Стандартинформ, 2010. – 190 с.

9. СТО Газпром 2-4.1-158–2007. Технические требования к обсадным трубам для месторождений ОАО «Газпром». – М.: ОАО «Газпром», 2007. – 23 с.

10. СТО Газпром 2-4.1-228–2008. Технические требования к насосно-компрессорным трубам для месторождений ОАО «Газпром». – М.: ОАО «Газпром», 2008. – 32 с.

11. Ниобийсодержащие низколегированные стали / Ф. Хайстеркамп, К. Хулка, Ю.И. Матросов, Ю.Д. Морозов, Л.И. Эфрон, В.И. Столяров, О.Н. Чевская. – М.: Интермет Инжиниринг, 1999. – 94 с.

12. Baker T.N. Microalloyed steels // Ironmaking & Steelmaking. – 2016. – Vol. 43 (4). – P. 264–307. – DOI: 10.1179/1743281215Y.0000000063.

13. Baker T.N. Titanium microalloyed steels // Ironmaking & Steelmaking. – 2019. – Vol. 46 (1). – P. 1–55. – DOI: 10.1080/03019233.2018.1446496.

14. Pickering F.B. Overview of titanium microalloyed steels // Titanium technology in microalloyed steels / ed. by T.N. Baker. – London: The Institute of Materials, 1997. – P. 10–43.

15. Morrison W.B. Microalloy steels – the beginning // Materials Science and Technology. – 2009. – Vol. 25 (9). – P. 1066–1073. – DOI: 10.1179/174328409X453299.

16. Morrison W.B. Influence of small niobium additions on properties of carbon-manganese steels // Journal of the Iron and Steel Institute. – 1963. – Vol. 201 (4). – P. 317–325.

17. Microstructures and mechanical properties in two X80 weld metals produced using similar heat input / A.R.H. Midawi, E.B.F. Santos, N. Huda, A.K. Sinha, R. Lazor, A.P. Gerlich // Journal of Materials Processing Technology. – 2015. – Vol. 226. – P. 272–279. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2015.07.019.

18. Sha Q., Li D. Microstructure, mechanical properties and hydrogen induced cracking susceptibility of X80 pipeline steel with reduced Mn content // Materials Science and Engineering: A. – 2013. – Vol. 585. – P. 214–221. – DOI: 10.1016/j.msea.2013.07.055.

19. Zhang H., Zhang H., Lu C.H. Fracture toughness and application of X80 pipeline steel // Materials Science Forum. – 2019. – Vol. 944. – P. 938–943. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.944.938.

20. Research on filling strategy of pipeline multi-layer welding for compound narrow gap groove / T. Yin, J. Wang, H. Zhao, L. Zhou, Z. Xue, H. Wang // Materials. – 2022. – Vol. 15. – P. 5967. – DOI: 10.3390/ma15175967.

21. Microstructure evolution of the semi-macro segregation induced banded structure in high strength oil tubes during quenching and tempering treatments / B. Li, M. Luo, Z. Yang, F. Yang, H. Liu, H. Tang, Z. Zhang, J. Zhang // Materials. – 2019. – Vol. 12 (20). – P. 3310. – DOI: 10.3390/ma12203310.

22. Study of mechanical properties of C-Mn-Si composition metal after wire-arc additive manufacturing (WAAM) / A.E. Balanovskiy, N.A. Astafyeva, V.V. Kondratyev, A.I. Karlina // CIS Iron and Steel Review. – 2021. – Vol. 22. – P. 66–71. – DOI: 10.17580/cisisr.2021.02.12.

23. Investigation of macro and micro structures of compounds of high-strength rails implemented by contact butt welding using burning-off / M.G. Shtayger, A.E. Balanovskiy, S.K. Kargapoltsev, V.E. Gozbenko, A.I. Karlina, Yu.I. Karlina, A.S. Govorkov, B.O. Kuznetsov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560 (1). – P. 012190. – DOI: 10.1088/1757-899X/560/1/012190.

24. Study of impact strength of C-Mn-Si composition metal after wire-arc additive manufacturing (WAAM) / A.E. Balanovskiy, N.A. Astafyeva, V.V. Kondratyev, Yu.I. Karlina // CIS Iron and Steel Review. – 2022. – Vol. 24. – P. 67–73. – DOI: 10.17580/cisisr.2022.02.10.

25. Comparative analysis of structural state of welded joints rails using method of Barkhausen effect and ultrasound / A.E. Balanovsky, M.G. Shtayger, V.V. Kondrat'ev, A.I. Karlina, A.S. Govorkov // Journal of Physics: Conference Series. – 2018. – Vol. 1118 (1). – P. 012006. – DOI: 10.1088/1742-6596/1118/1/012006.

26. Effects of Q&T parameters on phase transformation, microstructure, precipitation and mechanical properties in an oil casing steel / Q. Zhang, Q. Yuan, Z. Xiong, M. Liu, G. Xu // Physics of Metals and Metallography. – 2021. – Vol. 122 (14). – P. 1463–1472. – DOI: 10.1134/S0031918X21140180.

27. Effect of microstructure on the yield ratio and low temperature toughness of linepipe steels / Y.M. Kim, S.K. Kim, Y.J. Lim, N.J. Kim // ISIJ International. – 2002. – Vol. 42 (12). – P. 1571–1577. – DOI: 10.2355/isijinternational.42.1571.

28. Comparative evaluation of austenite grain in high-strength rail steel during welding, thermal processing and plasma surface hardening / A.D. Kolosov, V.E. Gozbenko, M.G. Shtayger, S.K. Kargapoltsev, A.E. Balanovskiy, A.I. Karlina, A.V. Sivtsov, S.A. Nebogin // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560. – P. 012185. – DOI: 10.1088/1757-899X/560/1/012185.

29. Balanovskii A.E., Vu Van Huy. Estimation of wear resistance of plasma-carburized steel surface in conditions of abrasive wear // Journal of Friction and Wear. – 2018. – Vol. 39 (4). – P. 311–318. – DOI: 10.3103/S1068366618040025.

30. Balanovskii A., Vu Van Huy. Plasma surface carburizing with graphite paste // Letters on Materials. – 2017. – Vol. 7 (2). – P. 175–179. – DOI: 10.22226/2410-3535-2017-2-175-179.

31. Determination of rail steel structural elements via the method of atomic force microscopy / A.E. Balanovskiy, M.G. Shtaiger, V.V. Kondratyev, A.I. Karlina // CIS Iron and Steel Review. – 2022. – Vol. 23. – P. 86–91. – DOI: 10.17580/cisisr.2022.01.16.

32. Microstructure characterization and its relationship with impact toughness of C–Mn and high strength low alloy steel weld metals – a review / J.C.F. Jorge, L.F.G. de Souza, M.C. Mendes, I.S. Bott, L.S. Araújo, V.R. dos Santos, J.M.A. Rebello, G.M. Evans // Journal of Materials Research and Technology. – 2021. – Vol. 10. – P. 471–501. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2020.12.006.

33. Modification of hydraulic hammers used in repair of metallurgical units / I.A. Zhukov, N.V. Martyushev, D.A. Zyukin, A.M. Azimov, A.I. Karlina // Metallurgist. – 2023. – Vol. 66 (11–12). – P. 1644–1652. – DOI: 10.1007/s11015-023-01480-w.

34. Formation mechanism and control methods of acicular ferrite in HSLA steels: a review / Y. Shao, C. Liu, Z. Yan, H. Li, Y. Liu // Journal of Materials Science & Technology. – 2018. – Vol. 34 (5). – P. 737–744. – DOI: 10.1016/j.jmst.2017.11.020.

35. Babu S.S. The mechanism of acicular ferrite in weld deposits // Current opinion in Solid State and Materials Science. – 2004. – Vol. 8 (3–4). – P. 267–278. – DOI: 10.1016/j.cossms.2004.10.001.

36. Beidokhti B., Kokabi A.H., Dolati A. A comprehensive study on the microstructure of high strength low alloy pipeline welds // Journal of Alloys and Compounds. – 2014. – Vol. 597. – P. 142–147. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2014.01.212.

37. Dong H., Hao X., Deng D. Effect of welding heat input on microstructure and mechanical properties of HSLA steel joint // Metallography Microstructure and Analysis. – 2014. – Vol. 3. – P. 138–146. – DOI: 10.1007/s13632-014-0130-z.

38. Thewlis G. Classification and quantification of microstructures in steels // Materials Science and Technology. – 2004. – Vol. 20 (2). – P. 143–160. – DOI: 10.1179/026708304225010325.

39. Dolby R.E. Guidelines for the classification of ferritic steel weld metal microstructural constituents using the light microscope // Welding in the World. – 1986. – Vol. 24 (7). – P. 144–149.

40. Ramirez J.E. Examining the mechanical properties of high-strength steel weld metals // Welding Journal. – 2009. – Vol. 88 (1). – P. 32–38.

41. Influence of microstructural aspects on impact toughness of multi-pass submerged arc welded HSLA steel joints / L. Lan, X. Kong, C. Qiu, D. Zhao // Materials and Design. – 2016. – Vol. 90. – P. 488–498. – DOI: 10.1016/j.matdes.2015.10.158.

42. Effect of welding heat input on grain boundary evolution and toughness properties in CGHAZ of X90 pipeline steel / P. Zhou, B. Wang, L. Wang, Y. Hu, L. Zhou // Materials Science and Engineering: A. – 2018. – Vol. 722. – P. 112–121. – DOI: 10.1016/j.msea.2018.03.029.

43. Review of mechanical and metallurgical investigations of martensite-austenite constituent in welded joints in Japan / F. Matsuda, Y. Fukada, H. Okada, C. Shiga, K. Ikeuchi, Y. Horii, T. Shiwaku, S. Suzuki // Welding in the World/Le Soudage Dans Le Monde. – 1996. – Vol. 3 (37). – P. 134–154.

44. Effect of morphologies of martensite-austenite constituents on impact toughness in intercritically reheated coarse-grained heat-affected zone of HSLA steel / X. Luo, X. Chen, T. Wang, S. Pan, Z. Wang // Materials Science and Engineering: A. – 2018. – Vol. 710. – P. 192–199. – DOI: 10.1016/j.msea.2017.10.079.

45. Abson D.J. Acicular ferrite and bainite in C–Mn and low-alloy steel arc weld metals // Science and Technology of Welding and Joining. – 2018. – Vol. 23 (8). – P. 635–648. – DOI: 10.1080/13621718.2018.1461992.

46. Evaluation of fracture safety according to plastic deformation with high strength steel weld joints / G. An, J. Park, M. Ohata, F. Minami // Journal of Welding and Joining. – 2019. – Vol. 37 (6). – P. 547–554. – DOI: 10.5781/JWJ.2019.37.6.3.

47. Смирнов М., Пышминцев И., Борякова А. Классификация микроструктур низкоуглеродистых трубных сталей // Металлург. – 2010. – № 7. – С. 45–51.

48. Пышминцев И.Ю., Мальцева А.Н., Смирнов М.А. Роль структурных составляющих в формировании свойств современных высокопрочных сталей для магистральных трубопроводов // Наука и техника в газовой промышленности. – 2011. – № 4. – С. 46–52.

49. Особенности микроструктуры и текстуры труб К65 (Х80), влияющие на способность материала трубы останавливать протяженное вязкое разрушение / И.Ю. Пышминцев, А.М. Гервасьев, А.Н. Мальцева, А.О. Струин // Наука и техника в газовой промышленности. – 2011. – № 4. – С. 73–78.

50. Влияние ферритно-бейнитной структуры на свойства высокопрочной трубной стали / М.А. Смирнов, И.Ю. Пышминцев, А.Н. Мальцева, О.В. Мушина // Металлург. – 2012. – № 1. – P. 55–62.

51. Bhadeshia H.K.D.H. Bainite in steels: theory and practice. – 3rd ed. – London: CRC Press, 2015. – 616 p. – DOI: 10.1201/9781315096674.

52. Zhao H., Wynne B.P., Palmiere E.J. A phase quantification method based on EBSD data for a continuously cooled microalloyed steel // Materials Characterization. – 2017. – Vol. 123. – P. 339–348. – DOI: 10.1016/j.matchar.2016.11.024.

53. Morphological features of polycrystalline CdS_1−xSe_x films obtained by screen-printing method / D.M. Strateichuk, N.V. Martyushev, R.V. Klyuev, V.A. Gladkikh, V.V. Kukartsev, Y.A. Tynchenko, A.I. Karlina // Crystals. – 2023. – Vol. 13 (5). – P. 825. – DOI: 10.3390/cryst13050825.

54. Complex assessment of X-ray diffraction in crystals with face-centered silicon carbide lattice / I.I. Bosikov, N.V. Martyushev, R.V. Klyuev, V.S. Tynchenko, V.A. Kukartsev, S.V. Eremeeva, A.I. Karlina // Crystals. – 2023. – Vol. 13 (3). – P. 528. – DOI: 10.3390/cryst13030528.

55. Morphological and crystallographic features of granular and lath-like bainite in a low carbon microalloyed steel / D. De-Castro, A. Eres-Castellanos, J. Vivas, F.G. Caballero, D. San-Martín, C. Capdevila // Materials Characterization. – 2022. – Vol. 184. – P. 111703. – DOI: 10.1016/j.matchar.2021.111703.

56. Zhao H., Wynne B.P., Palmiere E.J. Conditions for the occurrence of acicular ferrite transformation in HSLA steels // Journal of Materials Science. – 2018. – Vol. 53. – P. 3785–3804. – DOI: 10.1007/s10853-017-1781-3.

57. Ramirez J.E. Characterization of high-strength steel weld metals: chemical composition, microstructure, and nonmetallic inclusions // Welding Journal. – 2008. – Vol. 87 (3). – P. 65s–75s.

58. Phase transformation, microstructure, and mechanical properties of X100 pipeline steels based on TMCP and HTP concepts / L. Lan, Z. Chang, X. Kong, C. Qiu, D. Zhao // Materials Science and Technology. – 2017. – Vol. 52. – P. 1661–1678. – DOI: 10.1007/s10853-016-0459-6.

59. Microstructural evolution and mechanical properties of Nb-Ti microalloyed pipeline steel / L. Lan, C. Qiu, D. Zhao, X. Gao // Journal of Iron and Steel Research International. – 2011. – Vol. 18 (2). – P. 57–63. – DOI: 10.1016/S1006-706X(11)60024-1.

60. Comparative study of microstructure and mechanical properties of X80 SAW welds prepared using different wires and heat inputs / Q. Chu, S. Xu, X. Tong, J. Li, M. Zhang, F. Yan, W. Zhang, Z. Bi, C. Yan // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2020. – Vol. 29. – P. 4322–4338. – DOI: 10.1007/s11665-020-04986-5.

61. Beidokhti B., Koukabi A.H., Dolati A. Effect of titanium addition on the microstructure and inclusion formation in submerged arc welded HSLA pipeline steel // Journal of Materials Processing Technology. – 2009. – Vol. 209. – P. 4027–4035. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2008.09.021.

62. Effect of nickel and molybdenum additions on weld metal toughness in a submerged arc welded HSLA line-pipe steel / S.D. Bhole, J.B. Nemade, L. Collins, C. Liu // Journal of Materials Processing Technology. – 2006. – Vol. 173. – P. 92–100. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2005.10.028.

63. Study of melting methods by electric resistance welding of rails / V.A. Rezanov, N.V. Martyushev, V.V. Kukartsev, V.S. Tynchenko, V.A. Kukartsev, A.V. Grinek, V.Y. Skeeba, A.V. Lyosin, A.I. Karlina // Metals. – 2022. – Vol. 12 (12). – P. 2135. – DOI: 10.3390/met12122135.

64. Influence of welding regimes on structure and properties of steel 12KH18N10T weld metal in different spatial positions / R.A. Mamadaliev, P.V. Bakhmatov, N.V. Martyushev, V.Yu. Skeeba, A.I. Karlina // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1255–1264. – DOI: 10.1007/s11015-022-01271-9.

65. Strengthening of metallurgical equipment parts by plasma surfacing in nitrogen atmosphere / N.N. Malushin, R.A. Gizatulin, N.V. Martyushev, D.V. Valuev, A.I. Karlina, A.P. Kovalev // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1468–1475. – DOI: 10.1007/s11015-022-01292-4.

66. Change in the properties of rail steels during operation and reutilization of rails / K. Yelemessov, D. Baskanbayeva, N.V. Martyushev, V.Y. Skeeba, V.E. Gozbenko, A.I. Karlina // Metals. – 2023. – Vol. 13. – P. 1043. – DOI: 10.3390/met13061043.

67. Beidokhti B., Koukabi A.H., Dolati A. Influence of titanium and manganese on high strength low alloy SAW weld metal properties // Materials Characterization. – 2009. – Vol. 60. – P. 225–233. – DOI: 10.1016/j.matchar.2008.09.005.