Том 25 № 4 2023 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Акинцева А.В., Переверзев П.П. Моделирование взаимосвязи силы резания с глубиной резания и объемами снимаемого металла единичными зернами при плоском шлифовании.................................................................................................................... 6 Шарма Ш.С., Йоши А., Раджпут Й.С. Систематический обзор технологий производства металлической пены...................... 22 Карлина Ю.И., Кононенко Р.В., Иванцивский В.В., Попов М.А., Дерюгин Ф.Ф., Бянкин В.Е. Обзор современных требований к сварке трубных высокопрочных низколегированных сталей................................................................................................. 36 Старцев Е.А., Бахматов П.В. Влияние режимов дуговой автоматической сварки на геометрические параметры шва стыковых соединений из низкоуглеродистой стали, выполненных с применением экспериментального флюса.............................. 61 Мартюшев Н.В., Козлов В.Н., Ци М., Багинский А.Г., Хань Ц., Бовкун А.С. Фрезерование заготовок из мартенситной стали 40Х13, полученных с помощью аддитивных технологий.......................................................................................................... 74 Логинов Ю.Н., Замараева Ю.В. Оценка схемы многоканального углового прессования прутков и возможности ее применения на практике................................................................................................................................................................................. 90 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Раджпут Й.С., Шарма А.К., Мишра В.Н., Саксена К., Дипак Д., Шарма Ш.С. Влияние геометрии наконечника сварочного инструмента на характеристики растяжения соединений сплава АА8011, полученных сваркой трением с перемешиванием.... 105 Чинчаникар С., Гейдж М.Г. Моделирование рабочих характеристик и мультикритериальная оптимизация при токарной обработке нержавеющей стали AISI 304 (12Х18Н10Т) резцами с износостойким покрытием и с износостойким покрытием, подвергнутым микропескоструйной обработке.................................................................................................................................... 117 Гуле Г.С., Санап С., Чинчаникар С. Точение стали AISI 52100 с наложением ультразвуковых колебаний: сравнительная оценка и моделирование с использованием анализа размерностей.................................................................................................... 136 Пивкин П.М., Ершов А.А., Миронов Н.Е., Надыкто А.Б. Влияние формы тороидальной задней поверхности на углы режущего клина и механические напряжения вдоль режущей кромки сверла.................................................................................. 151 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Соколов Р.А., Муратов К.Р., Венедиктов А.Н., Мамадалиев Р.А. Влияние внутренних напряжений на интенсивность коррозионных процессов конструкционной стали......................................................................................................................... 167 Клименов В.А., Колубаев Е.А., Хань Ц., Чумаевский А.В., Двилис Э.С., Стрелкова И.Л., Дробяз Е.А., Яременко О.Б., Куранов А.Е. Модуль упругости и твердость титанового сплава, сформировавшегося в условиях электронного лучевого сплавления при 3D-печати проволокой................................................................................................................................................. 180 Воронцов А.В., Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Москвичев Е.Н., Новицкая О.С., Княжев Е.О., Денисова Ю.А., Леонов А.А., Денисов В.В. In situ анализ кристаллической решетки нитридных однокомпонентных и многослойных покрытий ZrN/CrN в процессе термоциклирования............................................................................................................................................... 202 Рубцов В.Е., Панфилов А.О., Княжев Е.О., Николаева А.В., Черемнов А.М., Гусарова А.В., Белобородов В.А., Чумаевский А.В., Гриненко А.В., Колубаев Е.А. Влияние высокоэнергетического воздействия при плазменной резке на структуру и свойства поверхностных слоёв алюминиевых и титановых сплавов............................................................................................... 216 Бобылёв Э.Э., Стороженко И.Д., Маторин А.А., Марченко В.Д. Особенности формирования Ni-Cr покрытий, полученных диффузионным легированием из среды легкоплавких жидкометаллических растворов.................................................................. 232 Бурков А.А., Коневцов Л.А., Дворник М.И., Николенко С.В., Кулик М.А. Формирование и исследование свойств покрытий из металлического стекла FeWCrMoBC на стали 35............................................................................................................ 244 Шарма Ш.С., Хатри Р., Йоши А. Синергетический подход к разработке легкого пористого металлического пеноматериала на основе алюминия с использованием литейно-металлургического метода.................................................................................... 255 Строкач Е.А., Кожевников Г.Д., Пожидаев А.А., Добровольский С.В. Моделирование эрозионного износа титанового сплава высокоскоростным потоком частиц........................................................................................................................................... 268 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 284 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 295 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 01.12.2023. Выход в свет 15.12.2023. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 37,0. Уч.-изд. л. 68,82. Изд. № 209. Заказ 296. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 25 No. 4 2023 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 4 2023 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Aff airs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 25 No. 4 2023 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Akintseva A.V., Pereverzev P.P. Modeling the interrelation of the cutting force with the cutting depth and the volumes of the metal being removed by single grains in fl at grinding........................................................................................................................................ 6 Sharma S.S., Joshi A., Rajpoot Y.S. A systematic review of processing techniques for cellular metallic foam production................. 22 Karlina Yu.I., Kononenko R.V., Ivantsivsky V.V., Popov M.A., Deryugin F.F., Byankin V.E. Review of modern requirements for welding of pipe high-strength low-alloy steels.......................................................................................................................................... 36 Startsev E.A., Bakhmatov P.V. The infl uence of automatic arc welding modes on the geometric parameters of the seam of butt joints made of low-carbon steel, made using experimental fl ux......................................................................................................................... 61 Martyushev N.V., Kozlov V.N., Qi M., Baginskiy A.G., Han Z., Bovkun A.S. Milling martensitic steel blanks obtained using additive technologies................................................................................................................................................................................ 74 Loginov Yu.N., Zamaraeva Yu.V. Evaluation of the bars’ multichannel angular pressing scheme and its potential application in practice................................................................................................................................................................................................... 90 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Rajpoot Y.S., SharmaA.K., Mishra V.N., Saxena K., Deepak D., Sharma S.S. Eff ect of tool pin profi le on the tensile characteristics of friction stir welded joints of AA8011.................................................................................................................................................... 105 Chinchanikar S., Gadge M.G. Performance modeling and multi-objective optimization during turning AISI 304 stainless steel using coated and coated-microblasted tools........................................................................................................................................................ 117 Ghule G.S., Sanap S., Chinchanikar S. Ultrasonic vibration-assisted hard turning of AISI 52100 steel: comparative evaluation and modeling using dimensional analysis........................................................................................................................................................ 136 Pivkin P.M., Ershov A.A., Mironov N.E., Nadykto A.B. Infl uence of the shape of the toroidal fl ank surface on the cutting wedge angles and mechanical stresses along the drill cutting edge...................................................................................................................... 151 MATERIAL SCIENCE Sokolov R.A., Muratov K.R., Venediktov A.N., Mamadaliev R.A. Infl uence of internal stresses on the intensity of corrosion processes in structural steel....................................................................................................................................................................... 167 Klimenov V.A., Kolubaev E.A., Han Z., Chumaevskii A.V., Dvilis E.S., Strelkova I.L., Drobyaz E.A., Yaremenko O.B., Kuranov A.E. Elastic modulus and hardness of Ti alloy obtained by wire-feed electron-beam additive manufacturing................... 180 Vorontsov A.V., Filippov A.V., Shamarin N.N., Moskvichev E.N., Novitskaya O.S., Knyazhev E.O., Denisova Yu.A., Leonov A.A., Denisov V.V. In situ crystal lattice analysis of nitride single-component and multilayer ZrN/CrN coatings in the process of thermal cycling.......................................................................................................................................................................................... 202 Rubtsov V.E., Panfi lov A.O., Kniazhev E.O., Nikolaeva A.V., Cheremnov A.M., Gusarova A.V., Beloborodov V.A., Chumaevskii A.V., Grinenko A.V., Kolubaev E.A. Infl uence of high-energy impact during plasma cutting on the structure and properties of surface layers of aluminum and titanium alloys................................................................................................................... 216 Bobylyov E.E., Storojenko I.D., Matorin A.A., Marchenko V.D. Features of the formation of Ni-Cr coatings obtained by diff usion alloying from low-melting liquid metal solutions..................................................................................................................................... 232 Burkov А.А., Konevtsov L.А., Dvornik М.И., Nikolenko S.V., Kulik M.A. Formation and investigation of the properties of FeWCrMoBC metallic glass coatings on carbon steel.......................................................................................................................... 244 Sharma S.S., Khatri R., Joshi A. A synergistic approach to the development of lightweight aluminium-based porous metallic foam using stir casting method........................................................................................................................................................................... 255 Strokach E.A., Kozhevnikov G.D., Pozhidaev A.A., Dobrovolsky S.V. Numerical study of titanium alloy high-velocity solid particle erosion.......................................................................................................................................................................................... 268 EDITORIALMATERIALS 284 FOUNDERS MATERIALS 295 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 36 ТЕХНОЛОГИЯ Обзор современных требований к сварке трубных высокопрочных низколегированных сталей Юлия Карлина 1, a, *, Роман Кононенко 2, b, Владимир Иванцивский 3, c, Максим Попов 2, d, Федор Дерюгин 2, e, Владислав Бянкин 2, f 1 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, Ярославское шоссе, 26, г. Москва, 129337, Россия 2 Иркутский национальный исследовательский технический университет, ул. Лермонтова, 83, г. Иркутск, 664074, Россия 3 Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073, Россия a https://orcid.org/0000-0001-6519-561X, jul.karlina@gmail.com; b https://orcid.org/0009-0001-5900-065X, istu_politeh@mail.ru; c https://orcid.org/0000-0001-9244-225X, ivancivskij@corp.nstu.ru; d https://orcid.org/0000-0003-2387-9620, popovma.kvantum@gmail.com; e https://orcid.org/0009-0004-4677-3970, deryugin040301@yandex.ru; f https://orcid.org/0009-0007-0488-2724, borck3420@gmail.com Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 4 с. 36–60 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-36-60 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение В связи с растущим спросом на нефть и газ в трубопроводной промышленности широко используются трубы из высококачественной стали. Материал, из которого изготовлены эти трубы, отвечает строгим требованиям к конструкции, чтобы выдерживать тяжелые условия ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 669.017 История статьи: Поступила: 13 сентября 2023 Рецензирование: 21 сентября 2023 Принята к печати: 27 сентября 2023 Доступно онлайн: 15 декабря 2023 Ключевые слова: Сталь Феррит Перлит Бейнит Мартенсит Ударная вязкость Разрушение Гибридно-лазерная сварка Стандарты Благодарности Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнауки № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ В течение многих лет для сварки крупных труб нефте- и газопроводов применялись проверенные процессы дуговой сварки, охват которых простирается от ручной дуговой сварки штучными электродами до применения аппаратов орбитальной сварки с использованием металла. Введение отражает, что создание новых составов сталей для нефте- и газопроводов является актуальной задачей в целях обеспечения их высокой надежности. Методы исследования. В трубном производстве обычно используются низкоуглеродистые стали с феррито-перлитной структурой, но они не в состоянии удовлетворить возросшие потребности рынка. Появляются новые марки стали с бейнитной структурой. Результаты. Разрушение сварных соединений трубопроводов из высококачественной стали становится серьезной проблемой для трубопроводной промышленности. Обсуждение. В данной работе проведен анализ характеристик микроструктуры сварного шва и ее связи с ударной вязкостью. Прогнозирование ударной вязкости на основе микроструктурных характеристик металлов сварных швов стали усложняется из-за большого количества задействованных параметров. Обычная практика, связывающая это свойство с микроструктурой последнего валика многопроходной сварки, оказалась неудовлетворительной, поскольку количество игольчатого феррита, наиболее желательного компонента, не всегда может быть основным фактором, влияющим на ударную вязкость. 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. Заключение. Предполагается, что этот обзор поможет читателям с разным опытом, от не специалистов по сварке или материаловедов до специалистов различных промышленных приложений и исследователей. Для цитирования: 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. ______ *Адрес для переписки Карлина Юлия Игоревна, к.т.н., научный сотрудник Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, Ярославское шоссе, 26, 129337, г. Москва, Россия Тел.: +7 (914) 879-85-05, e-mail: jul.karlina@gmail.com
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 4 2023 37 TECHNOLOGY эксплуатации и суровые условия окружающей среды [1, 2]. Наиболее распространенными материалами, естественно выбираемыми производителями труб, являются стальные сплавы из-за их достаточной механической надежности и экономической целесообразности. Спецификации, касающиеся химического состава, механических свойств и других важных аспектов, таких как сварка, резка, производство материалов для нефтегазовых трубопроводов, определяются Американским институтом нефти (API) [3], Международной организацией по стандартизации (ISO) и другими национальными агентствами [3–5]. Стандарты API обычно используются многими национальными агентствами в качестве эталона для установления собственных спецификаций для этих материалов. Спецификации API приняты и широко применяются во всем мире. В соответствии с требованиями API материалы для трубопроводов изготавливаются или поставляются с требованиями к спецификации продукта PSL 1 и PSL 2. В документе PSL 1 зафиксированы только рекомендации к углеродному эквиваленту, нет ограничений на показатели ударной вязкости, предела текучести и предела прочности на разрыв. В документе PSL 2 уже прописаны обязательные значения в определенном диапазоне к углеродному эквиваленту, ударной вязкости, пределам текучести и прочности на растяжение. Другое существенное различие основано на типе концов труб [1–3]. Знание химического состава и механических свойств труб необходимо для понимания свариваемости и других аспектов сварки этих труб. Трубные стали разных производителей, отвечающие требованиям к прочности и пластичности [1–5], могут иметь различную микроструктуру [1–3, 10–34]. В большинстве из них используется феррито-перлитная или ферритно-бейнитная микроструктура [10–33]. Трубы могут изготавливаться двумя традиционными способами: холодной штамповкой (UOE) и бесшовным методом [3]. Производство труб методом холодной штамповки (UOE) имеет тенденцию привносить в лист интенсивные градиенты деформации в разных направлениях относительно фиксированной ортогональной системы координат во время формуемости, причем более серьезные градиенты возникают в поперечном направлении [1, 2]. Это влияет не только на предел текучести, но и на деформационное упрочнение и последующую нестабильность (образование шейки), которые, в свою очередь, являются движущими силами инициирования и распространения разрушения. С другой стороны, процесс производства бесшовных труб позволяет получить продукт с улучшенными механическими свойствами благодаря термической обработке, которая снимает остаточные напряжения и уменьшает овальность конечной формы. Следовательно, ожидается, что механические свойства конечного продукта будут однородными в пространстве и направлении [1, 2, 10]. Вне зависимости от способа производства труб в дальнейшем при строительстве трубопровода их соединяют между собой методом сварки. В последние десятилетия проведено множество исследований кольцевых сварных швов наземных и морских трубопроводов с трещинами под эксплуатационной нагрузкой [11, 12]. Трещины в кольцевых сварных швах трубопроводов из высококачественной стали в основном расположены на линии сплавления материала корневого шва и в зоне термического влияния [13]. В то же время кольцевые швы имеют зоны материала с различными свойствами, такие как основной металл (base metal, BM), материал шва (weld material, WM), материал корневого шва (root-welding material, RM) и зона термического влияния (heat aff ected zone, HAZ). Неоднородность сварных соединений по геометрии и свойствам материалов приводит к значительной концентрации напряжений и деформаций в дефектных частях, что значительно снижает деформационную несущую способность сварных соединений трубопроводов [13, 14]. В процессе сварочного нагрева свариваемого метала, плавления присадочной проволоки формируется сварной шов с литой структурой, который имеет зону перехода к структуре основного металла (HAZ), именно в этой зоне происходит снижение значений ударной вязкости [14–20]. Из-за быстропротекающего процесса нагрева и плавления металла в зоне сварного шва и прилегающей области основного металла формируется структура в heat aff ected zone (HAZ) с разными размерами аустенитных зерен, с участками
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 38 ТЕХНОЛОГИЯ металла, нагретыми выше и ниже точек Ас1 и Ас3. Все это приводит к снижению механических свойств металла. Следовательно, значительные усилия по исследованию высокопрочных сталей для трубопроводов были сосредоточены на повышении ударной вязкости в зонах HAZ. Взаимосвязь между микроструктурой и ударной вязкостью для металлов многопроходных швов очень сложна, поскольку различные факторы могут оказывать благотворное и неблагоприятное воздействие в зависимости от исследуемого материала и его микроструктурного состояния. Помимо микроструктурных составляющих признается влияние повторного нагрева, наличие микрофаз и включений в качестве критических факторов, влияющих на микроструктуру и, следовательно, на ударную вязкость. Хотя было проведено мало исследований по характеристике микроструктуры металлов сварного шва из-за вышеупомянутой сложности, знание характеристик микроструктуры имеет решающее значение для прогнозирования ударной вязкости. Таким образом, более систематическое исследование имеет основополагающее значение для раскрытия этой взаимосвязи между микроструктурой и прочностью. Настоящий обзор посвящен анализу работ, связанных с оценкой влияния микроструктуры сварного шва на ударную вязкость как показателя чувствительности горячекатаных трубопроводных сталей к хрупкому разрушению. Стали для производства труб Влияние развития технологии производства и микролегирования трубопроводной стали на прочность показано на рис. 1. В трубном производстве широко применяются низкоуглеродистые легированные стали с ферритно-перлитной структурой [27]. Повышение прочности является постоянной целью разработки металлургических сплавов. В настоящее время больше внимания уделяется улучшению других важных характеристик – таких свойств, как ударная вязкость и свариваемость, на каждое из которых отрицательно влияет содержание углерода в стали. Высокопрочные низколегированные стали (HSLA), или микролегированые (МА), как их стали называть позже [21–25], уже были представлены в начале ХХ века [23, 24]. Низколегированные стали – намного более ранний определенный класс сталей, чем стали MA, – обычно считаются содержащими менее 3,5 масс.% всех легирующих элементов и включают Cr (0,5–2,5 %), Mo (≤ 3 %) и V (≈ 1 %). Высокопрочные низколегированные (HSLA) стали и парадигма микролегированных (MA) сталей предполагают, что углерод, возможно, не является лучшим легирующим элементом для изготовления хорошей стали [21–25]. В этом контексте стали HSLA показывают более низкое содержание углерода, что улучшает свариваемость и формуемость, но более Рис. 1. Влияние развития технологии производства и микролегирования трубопроводной стали на прочность Fig. 1. Eff ect of development of production technology and microalloying of pipeline steel on strength
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 4 2023 39 TECHNOLOGY низкие механические свойства, возникающие в результате более низкого содержания C. Эти свойства могут быть улучшены добавлением легирующих элементов, таких как Nb, Mo и Ti, и соответствующим термомеханическим процессом. Каждый из перечисленных элементов влияет на различные механизмы. С одной стороны, многие исследователи сходятся во мнении, что Nb способен вызывать накопление деформации в аустените до трансформации, обеспечивая значительное измельчение микроструктуры [1–3, 26–28]. В свою очередь, Мо помимо влияния сопротивления растворенного вещества на статическую кинетику рекристаллизации усиливает образование сложных неполигональных продуктов превращения [27, 28]. Эти стратегии преследуют более тонкие конечные микроструктуры, что приведет к лучшему сочетанию прочности и ударной вязкости. С другой стороны, стали, микролегированные Ti и Mo, имеют интересное сочетание высокой прочности и хорошей формуемости из-за широкой дисперсии карбидов титана нанометрового размера в тонкой матрице [21–23]. Стали HSLA обычно имеют очень низкое содержание углерода и небольшое количество легирующих элементов [1, 2, 14], и они классифицируются Американским институтом нефти (API) в порядке их прочности (X42, X46, X52, X56, X60, X65, X70, X80, Х100 и Х120). Их свойства достигаются тщательным подбором состава микросплава, а также оптимизацией термомеханической обработки (ТМО) и условий ускоренного охлаждения после ТМО. Спецификации, касающиеся химического состава, механических свойств и других важных аспектов, таких как сварка, резка и производство материалов для нефтегазовых трубопроводов, определяются Американским институтом нефти (API), Международной организацией по стандартизации (ISO) и другими национальными агентствами [4–9]. Требования по ГОСТ Р 53366–2009 к сталям для труб класса прочности К55 Требования к химическому составу (табл. 1): ограничивается только содержание вредных примесей – содержание серы и фосфора должно быть не более 0,030 масс.% (P ≤ 0,030; S ≤ 0,030). Требования к механическим свойствам при испытании на растяжение: σт = 379…552 МПа; σв ≥ 655 МПа (табл. 2). Требования к сталям для труб класса прочности К55 В соответствии с требованиями API материалы для трубопроводов изготавливаются или поставляются с двумя уровнями спецификации продукта, известными как PSL 1 и PSL 2. Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Химический состав стали для трубопроводов по ГОСТ Р 53366–2009 (стр. 71, табл. 5) Chemical composition of pipelines steel according to GOST R 53366-2009 (p. 71, Table 5) Класс / Class Группа прочности / Strength Group Тип / Type Массовая доля элемента, % / Mass content of element, % C Mn Mo Cr Ni Cu P S Si мин. / min макс. / max мин. / min макс. / max мин. / min макс. / max мин. / min макс. / max макс. / max макс. / max макс. / max макс. / max макс. / max 1 H40 – – – – – – – – – – – 0,030 0,030 – J55 – – – – – – – – – – – 0,030 0,030 – K55 – – – – – – – – – – – 0,030 0,030 – K72 – – – – – – – – – – – 0,030 0,030 – N80 1 – – – – – – – – – – 0,030 0,030 – N80 Q – – – – – – – – – – 0,030 0,030 –
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1