Особенности микроструктуры и ударная вязкость металла сварных соединений труб из высокопрочной стали, микролегированной ниобием и молибденом
В работе изложены результаты исследования микроструктуры и ударной вязкости металла сварных соединений газои нефтепроводных труб категории Х65–Х80 из стали с различным содержанием ниобия и молибдена. Исследовали сварные соединения прямошовных труб диаметром 820…1420 мм с толщиной стенки 17,5…36,0 мм...
Збережено в:
| Дата: | 2015 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2015
|
| Назва видання: | Автоматическая сварка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112992 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Особенности микроструктуры и ударная вязкость металла сварных соединений труб из высокопрочной стали, микролегированной ниобием и молибденом / А.А. Рыбаков, Т.Н. Филипчук, В.А. Костин // Автоматическая сварка. — 2015. — № 3-4 (741). — С. 17-24. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-112992 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1129922025-02-09T14:04:58Z Особенности микроструктуры и ударная вязкость металла сварных соединений труб из высокопрочной стали, микролегированной ниобием и молибденом Peculiarities of microstructure and impact toughness of metal of welded joints of pipes of high-strength steel with niobium and molybdenum Рыбаков, А.А. Филипчук, Т.Н. Костин, В.А. Научно-технический раздел В работе изложены результаты исследования микроструктуры и ударной вязкости металла сварных соединений газои нефтепроводных труб категории Х65–Х80 из стали с различным содержанием ниобия и молибдена. Исследовали сварные соединения прямошовных труб диаметром 820…1420 мм с толщиной стенки 17,5…36,0 мм, изготовленных по традиционной технологии с применением двухсторонней многодуговой сварки под флюсом. Использовали оптическую и электронную растровую металлографию, а также стандартные испытания на ударный изгиб. Установлено отрицательное влияние повышенного содержания ниобия в стали на структурные характеристики металла зоны термического влияния и шва сварных соединений, которое усиливалось в присутствии молибдена. С учетом склонности ниобия сегрегировать на границах зерен, дополнительное легирование молибденом, снижающим температуру превращения, приводит к образованию в металле сварных соединений неблагоприятных структурных составляющих и фаз, а также к их скоплениям по границам зерен, особенно на участках повторного нагрева. Для обеспечения высокой ударной вязкости и трещиностойкости металла сварных соединений труб из высокопрочной микролегированной стали необходимо ограничивать в ней, кроме углерода, содержание ниобия (≤0,05 %) и молибдена (≤0,20 %), а также использовать сварочные материалы, обеспечивающие массовую долю молибдена в шве не более 0,30 %. Результаты работы использованы при промышленном производстве труб категории Х65–Х80 на трубосварочных предприятиях Украины и РФ. The work describes the results of investigation of microstructure and impact toughness of metal of welded joints of gas-and-oil pipeline pipes of steel category X65-X80 with different content of niobium and molybdenum. Investigated were welded joints of longitudinal pipes of 820-1420 mm diameter with 17.5-36.0 mm wall thickness, manufactured by using the traditional technology with applying the double-sided submerged multiarc welding. Optical and electron scanning metallography, as well as standard impact bend tests were used. The negative effect of increased content of niobium on structural characteristics of metal of HAZ and weld was found, which was intensified in the presence of molybdenum. Taking into account the niobium susceptibility to segregation at the grain boundaries, the additional alloying with molybdenum, decreasing the temperature of transformation, leads to the formation of unfavorable structural constituents and phases in the metal of welded joints, and also their clustering along the grain boundaries, in particular in reheating regions. To provide high impact toughness and crack resistance of welded joints of pipes of high-strength microalloyed steel, it is necessary to limit in it, in addition to carbon, the content of niobium (≤0.05 %) and molybdenum (≤0.20 %), as well as to use the welding consumables, providing the mass share of molybdenum in weld of not more than 0.30 %. Results of the work were applied in industrial production of pipes of category X65-X80 at pipe welding enterprises of Ukraine and Russia. 2015 Article Особенности микроструктуры и ударная вязкость металла сварных соединений труб из высокопрочной стали, микролегированной ниобием и молибденом / А.А. Рыбаков, Т.Н. Филипчук, В.А. Костин // Автоматическая сварка. — 2015. — № 3-4 (741). — С. 17-24. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112992 621.791:669.14.018.2/.8-194.2:621.643 ru Автоматическая сварка application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Рыбаков, А.А. Филипчук, Т.Н. Костин, В.А. Особенности микроструктуры и ударная вязкость металла сварных соединений труб из высокопрочной стали, микролегированной ниобием и молибденом Автоматическая сварка |
| description |
В работе изложены результаты исследования микроструктуры и ударной вязкости металла сварных соединений газои нефтепроводных труб категории Х65–Х80 из стали с различным содержанием ниобия и молибдена. Исследовали сварные соединения прямошовных труб диаметром 820…1420 мм с толщиной стенки 17,5…36,0 мм, изготовленных по традиционной технологии с применением двухсторонней многодуговой сварки под флюсом. Использовали оптическую и электронную растровую металлографию, а также стандартные испытания на ударный изгиб. Установлено отрицательное влияние повышенного содержания ниобия в стали на структурные характеристики металла зоны термического влияния и шва сварных соединений, которое усиливалось в присутствии молибдена. С учетом склонности ниобия сегрегировать на границах зерен, дополнительное легирование молибденом, снижающим температуру превращения, приводит к образованию в металле сварных соединений неблагоприятных структурных составляющих и фаз, а также к их скоплениям по границам зерен, особенно на участках повторного нагрева. Для обеспечения высокой ударной вязкости и трещиностойкости металла сварных соединений труб из высокопрочной микролегированной стали необходимо ограничивать в ней, кроме углерода, содержание ниобия (≤0,05 %) и молибдена (≤0,20 %), а также использовать сварочные материалы, обеспечивающие массовую долю молибдена в шве не более 0,30 %. Результаты работы использованы при промышленном производстве труб категории Х65–Х80 на трубосварочных предприятиях Украины и РФ. |
| format |
Article |
| author |
Рыбаков, А.А. Филипчук, Т.Н. Костин, В.А. |
| author_facet |
Рыбаков, А.А. Филипчук, Т.Н. Костин, В.А. |
| author_sort |
Рыбаков, А.А. |
| title |
Особенности микроструктуры и ударная вязкость металла сварных соединений труб из высокопрочной стали, микролегированной ниобием и молибденом |
| title_short |
Особенности микроструктуры и ударная вязкость металла сварных соединений труб из высокопрочной стали, микролегированной ниобием и молибденом |
| title_full |
Особенности микроструктуры и ударная вязкость металла сварных соединений труб из высокопрочной стали, микролегированной ниобием и молибденом |
| title_fullStr |
Особенности микроструктуры и ударная вязкость металла сварных соединений труб из высокопрочной стали, микролегированной ниобием и молибденом |
| title_full_unstemmed |
Особенности микроструктуры и ударная вязкость металла сварных соединений труб из высокопрочной стали, микролегированной ниобием и молибденом |
| title_sort |
особенности микроструктуры и ударная вязкость металла сварных соединений труб из высокопрочной стали, микролегированной ниобием и молибденом |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2015 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112992 |
| citation_txt |
Особенности микроструктуры и ударная вязкость металла сварных соединений труб из высокопрочной стали, микролегированной ниобием и молибденом / А.А. Рыбаков, Т.Н. Филипчук, В.А. Костин // Автоматическая сварка. — 2015. — № 3-4 (741). — С. 17-24. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT rybakovaa osobennostimikrostrukturyiudarnaâvâzkostʹmetallasvarnyhsoedinenijtrubizvysokopročnojstalimikrolegirovannojniobiemimolibdenom AT filipčuktn osobennostimikrostrukturyiudarnaâvâzkostʹmetallasvarnyhsoedinenijtrubizvysokopročnojstalimikrolegirovannojniobiemimolibdenom AT kostinva osobennostimikrostrukturyiudarnaâvâzkostʹmetallasvarnyhsoedinenijtrubizvysokopročnojstalimikrolegirovannojniobiemimolibdenom AT rybakovaa peculiaritiesofmicrostructureandimpacttoughnessofmetalofweldedjointsofpipesofhighstrengthsteelwithniobiumandmolybdenum AT filipčuktn peculiaritiesofmicrostructureandimpacttoughnessofmetalofweldedjointsofpipesofhighstrengthsteelwithniobiumandmolybdenum AT kostinva peculiaritiesofmicrostructureandimpacttoughnessofmetalofweldedjointsofpipesofhighstrengthsteelwithniobiumandmolybdenum |
| first_indexed |
2025-11-26T15:17:28Z |
| last_indexed |
2025-11-26T15:17:28Z |
| _version_ |
1849866585805684736 |
| fulltext |
173-4/2015
УДК 621.791:669.14.018.2/.8-194.2:621.643
ОСОБЕННОСТИ МИКРОСТРУКТУРы И УДАРНАЯ ВЯЗКОСТь
МЕТАЛЛА СВАРНых СОЕДИНЕНИЙ ТРУБ
ИЗ ВыСОКОПРОЧНОЙ СТАЛИ С НИОБИЕМ И МОЛИБДЕНОМ
А.А. РЫБАКОВ, Т.Н. ФИЛИПЧУК, В.А. КОСТИН
ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ. 03680, г. Киев-150, ул. Боженко, 11. E-mail: offiсe@paton.kiev.ua
В работе изложены результаты исследования микроструктуры и ударной вязкости металла сварных соединений газо-
и нефтепроводных труб категории х65–х80 из стали с различным содержанием ниобия и молибдена. Исследовали
сварные соединения прямошовных труб диаметром 820…1420 мм с толщиной стенки 17,5…36,0 мм, изготовленных по
традиционной технологии с применением двухсторонней многодуговой сварки под флюсом. Использовали оптическую и
электронную растровую металлографию, а также стандартные испытания на ударный изгиб. Установлено отрицательное
влияние повышенного содержания ниобия в стали на структурные характеристики металла зоны термического влияния
и шва сварных соединений, которое усиливалось в присутствии молибдена. С учетом склонности ниобия сегрегировать
на границах зерен, дополнительное легирование молибденом, снижающим температуру превращения, приводит к обра-
зованию в металле сварных соединений неблагоприятных структурных составляющих и фаз, а также к их скоплениям
по границам зерен, особенно на участках повторного нагрева. Для обеспечения высокой ударной вязкости и трещино-
стойкости металла сварных соединений труб из высокопрочной микролегированной стали необходимо ограничивать в
ней, кроме углерода, содержание ниобия (≤0,05 %) и молибдена (≤0,20 %), а также использовать сварочные материалы,
обеспечивающие массовую долю молибдена в шве не более 0,30 %. Результаты работы использованы при промышлен-
ном производстве труб категории х65–х80 на трубосварочных предприятиях Украины и РФ. Библиогр. 8, рис. 6, табл. 2.
К л ю ч е в ы е с л о в а : газо- и нефтепроводные трубы, микролегированная сталь, сварное соединение, металл шва,
зона термического влияния, микроструктура, ударная вязкость
При сооружении современных магистральных
газо- и нефтепроводов используют преимуще-
ственно трубы класса прочности К60, К65 (кате-
гории х65, х80) из микролегированной стали, из-
готовленной с применением термомеханической
обработки, включая контролируемую прокатку
и ускоренное охлаждение. Такие стали, как пра-
вило, содержат: 0,05…0,10 % С; 1,5…2,0 % Mn и
элементы, повышающие устойчивость аустенита
— Ni, Cr, Mo в количестве до 0,3 % каждого. При-
меняется также комплексное микролегирование
карбонитридообразующими элементами Ti, V, Nb,
суммарное содержание которых обычно находит-
ся в пределах 0,12…0,15 % [1–4]. Конкретный хи-
мический состав трубной стали, обеспечивающий
необходимый комплекс свойств, определяется
применяемой технологией ее изготовления и тех-
ническими характеристиками металлургического
и прокатного оборудования. Например, ограни-
ченные возможности оптимизации охлаждения
штрипса после прокатки компенсируют более вы-
соким легированием карбидообразующими эле-
ментами и элементами, снижающими температу-
ру γ→α–превращения. В результате в стали одного
и того же класса различных изготовителей содер-
жание углерода и микролегирующих элементов, в
первую очередь ниобия и молибдена, может изме-
няться в достаточно широких пределах, достигая,
особенно для стали К65, предельно допустимых
нормативными документами значений.
Общепризнано, что повышение уровня леги-
рования может привести к ухудшению сварива-
емости стали, в частности, увеличивается опас-
ность образования в металле сварных соединений
участков с пониженной вязкостью и, как след-
ствие, возрастает вероятность хрупкого разруше-
ния, развивающегося по таким участкам.
Некоторые авторы отмечают отрицательное
влияние повышенного содержания ниобия на
структурное состояние и ударную вязкость метал-
ла зоны термического влияния (ЗТВ) сварных сое-
динений трубной стали, особенно в зонах повтор-
ного нагрева при многопроходной сварке [5–7]. В
наших исследованиях отрицательная роль ниобия
существенно возрастала с увеличением количе-
ства молибдена в стали. Результаты этих исследо-
ваний изложены в настоящей статье. Приведены
также данные о структуре и свойствах металла
швов труб из стали с повышенным молибденом и
ниобием.
Исследовали сварные соединения прямошов-
ных газо- и нефтепроводных труб диаметром
820…1420 мм с толщиной стенки 17,5…36,0 мм,
изготовленных из высокопрочной стали с различ-
ным содержанием молибдена и ниобия на ряде
отечественных и зарубежных трубосварочных за-© А.А. Рыбаков, Т.Н. Филипчук, В.А. Костин, 2015
18 3-4/2015
водов по традиционной технологии с применени-
ем двухсторонней многодуговой сварки под флю-
сом [8]. Продольные швы труб сваривали изнутри
(внутренний шов, четырехдуговая сварка) и сна-
ружи (наружный шов, пятидуговая сварка) трубы.
Погонная энергия сварочных процессов находи-
лась в пределах 4…7 кДж/мм.
Содержание основных легирующих эле-
ментов и примесей в стали для исследован-
ных труб находилось в следующих пределах, %:
0,05…0,07 С; 0,242…0,281 Si; 1,64…1,72 Mn; 0,13
(в одной плавке — 0,02)…0,22 Ni; 0,01…0,03 V;
0,014…0,016 Ti; 0,027…0,035 Al; S ≤ 0,007; P ≤
0,011. Количество Nb в стали изменялось от 0,040
до 0,076 %, а Mo — от 0,01 до 0,27 %. Для срав-
нения рассмотрены также данные о свойствах и
структуре металла сварного соединения трубы
из стали категории х65 с минимальным количе-
ством Nb (0,017 %) и практическим отсутствием
Mo (< 0,03 %).
Исследуемым трубам присвоены условные
буквенные обозначения (табл. 1). Основной ме-
талл труб (ОМ) А и Б представлял собой сталь ка-
тегории х80 с повышенным содержанием молиб-
дена (0,27 и 0,18 %) и ниобия (0,068 и 0,076 %).
Суммарная массовая доля карбонитридообра-
зующих элементов (ниобия, ванадия и титана) в
этом металле составляла соответственно 0,109 и
0,103 %. Сталь категории х80, из которой изго-
товлена труба В, относится к той же системе леги-
рования (Mn–Nb–Mo–V–Ni–Ti), однако содержит
меньшее количество молибдена и ниобия (0,15 и
0,045 %, соответственно), при этом Nb + V + Ti =
0,079 %. Трубы Г и Д изготовлены из стали кате-
гории х65 и х80 с минимальным легированием:
массовая доля Nb составляла 0,017 и 0,040 %, мо-
либден практически отсутствовал, а Nb + V + Ti
равнялся 0,052 и 0,066 %, соответственно.
В процессе исследований оценивали ударную
вязкость металла при отрицательных температу-
рах на образцах с острым надрезом, наносимым
в разных зонах сварного соединения труб. Струк-
туру металла сварных соединений исследовали с
применением оптической микроскопии, растро-
вой электронной микроскопии и фрактографии.
Известно, что в зоне термического влияния
сварных соединений высокопрочных труб наи-
более проблемным, с точки зрения обеспечения
ударной вязкости, является участок крупного зер-
на (ЗКЗ), что обусловлено значительным ростом
зерна аустенита, образованием грубых пакетов
пластинчатого феррита и верхнего бейнита, а так-
же наличием МАК-фазы, особенно реечной мор-
фологии. Считают, что минимальной вязкостью,
кроме участков крупного зерна ЗТВ, примыкаю-
щих к линии сплавления внутреннего и наруж-
ного продольных швов, характеризуется зона ло-
кального охрупчивания, образующаяся вследствие
повторного нагрева участка крупного зерна перво-
го (внутреннего) прохода при сварке второго (на-
ружного) прохода [5]. По этой причине при про-
ведении металлографических исследований ЗТВ
сварных соединений труб основное внимание уде-
ляли структурно-фазовым характеристикам ме-
талла именно этих участков.
В металле исследованных сварных соединений
труб на участке крупного зерна ЗТВ внутреннего
и наружного швов формируется однотипная ми-
кроструктура, представленная преимущественно
достаточно грубыми пакетами структуры бейнит-
ного типа: в большинстве случаев — это феррит
с упорядоченной второй фазой реечной морфоло-
гии (рис. 1). Наблюдаются также участки с упоря-
Т а б л и ц а 1 . Характерный химический состав основного металла и металла внутреннего и наружного швов иссле-
дованных сварных соединений труб
Условный шифр
труб (категория,
толщина ОМ)
Зона кон-
троля
Массовая доля элементов, %
C Si Mn P S Ni Mo V Ti Nb Al В
А (х80, 22 мм)
ОМ 0,051 0,242 1,69 0,006 0,007 0,22 0,27 0,03 0,014 0,068 0,027 н/о
Внутр.шов 0,053 0,344 1,68 0,012 0,010 0,15 0,35 0,029 0,016 0,045 0,020 0,001
Нар.шов 0,054 0,433 1,67 0,013 0,010 0,14 0,35 0,027 0,019 0,039 0,019 0,0013
Б (х80, 17,5 мм)
ОМ 0,05 0,281 1,64 0,008 0,002 0,20 0,18 0,012 0,015 0,076 0,035 н/о
Внутр.шов 0,05 0,452 1,64 0,01 0,006 0,24 0,28 0,008 0,014 0,043 0,023 0,001
Нар.шов 0,05 0,474 1,66 0,01 0,006 0,21 0,29 0,007 0,018 0,047 0,023 0,0015
В (х80, 27,7 мм)
ОМ 0,07 0,270 1,67 0,07 0,002 0,20 0,15 0,02 0,014 0,045 0,036 н/о
Внутр.шов 0,06 0,305 1,46 0,016 0,004 0,20 0,25 0,019 0,019 0,022 0,022 0,0025
Нар.шов 0,055 0,327 1,45 0,015 0,003 0,19 0,25 0,019 0,020 0,022 0,021 0,003
Г (х65, 36 мм)
ОМ 0,062 0,096 1,74 0,011 0,002 0,13 <0,03 0,02 0,015 0,017 0,031 н/о
Внутр.шов 0,056 0,181 1,72 0,012 0,006 0,10 0,05 0,02 0,018 0,011 0,017 0,0038
Нар.шов 0,059 0,177 1,70 0,013 0,006 0,09 0,05 0,02 0,015 0,011 0,015 0,004
Д (х80, 17,5 мм)
ОМ 0,05 0,250 1,72 0,011 0,003 0,02 0,01 0,01 0,016 0,040 0,027 н/о
Внутр.шов 0,051 0,425 1,69 0,012 0,006 0,08 0,10 0,006 0,013 0,021 0,018 0,002
Нар.шов 0,051 0,434 1,68 0,013 0,006 0,09 0,13 0,005 0,017 0,021 0,018 0,0028
193-4/2015
доченной и неупорядоченной второй фазой грану-
лярной морфологии. Образование полигонального
доэвтектоидного феррита по границам бывшего
аустенитного зерна в металле сварного соедине-
ния исследованных труб полностью подавлено, за
исключением труб Г и Д с минимальным содержа-
нием молибдена и ниобия, где зафиксированы по-
граничные выделения этой структурной составля-
ющей (рис. 1, в). Величина зерен в металле ЗТВ,
непосредственно примыкающем к границе сплав-
ления наружных и внутренних швов, независимо
от изменения в исследованных пределах массовой
доли молибдена и ниобия, в основном, состав-
ляет 54…108 мкм, что соответствует 5-4 номеру
(по ГОСТ 5639). Зафиксированы также единич-
ные более крупные зерна 3 номера (размером до
137 мкм), выявляемые, преимущественно, в зоне
сплавления наружных швов (в их вершине), при-
чем крупные зерна, как правило, фрагментирова-
ны на более мелкие субзерна.
Как видно из рис. 1, с повышением количе-
ства ниобия и молибдена в стали (трубы А, Б)
увеличивается доля участков хрупкой структу-
ры со сходно ориентированной углеродистой фа-
зой (МАК-фазой) реечной морфологии, а также
размеры (длина и ширина) выделений этой фазы.
Еще более негативное влияние повышение массо-
вой доли указанных элементов в стали оказывает
на состояние границ зерен металла в исследуемой
зоне. Так, в металле ЗКЗ наружного шва сварно-
го соединения труб А и Б с высоким содержанием
ниобия и молибдена, в отличие от других иссле-
дованных сварных соединений труб, по границам
бывшего аустенитного зерна интенсивно выде-
ляются углеродистые образования — МАК-фа-
за, карбиды (на рис. 1, а, б указаны стрелками).
В металле ЗКЗ внутренних швов в участках, под-
вергавшихся повторному нагреву при выполне-
нии наружного шва, указанные зернограничные
углеродистые выделения зафиксированы практи-
чески на всех исследованных сварных соедине-
ниях, за исключением трубы Г с минимальным
количеством ниобия. При этом, чем выше содер-
жание ниобия в стали, тем грубее эти выделения
(на рис. 1 указаны стрелками).
Ударную вязкость металла ЗТВ сварных сое-
динений оценивали на образцах, вырезанных на
участке расположения наружного шва (рис. 2, об-
разец НЗ) и в зоне пересечения наружного и вну-
треннего швов (рис. 2, образец ПЗ). Известно, что
Рис. 1. Микроструктура металла ЗКЗ сварных соединений труб с различным содержанием молибдена и ниобия: а–г — ЗТВ
наружного шва; д–к — ЗТВ внутреннего шва, участок повторного нагрева
20 3-4/2015
в условиях структурно-гетерогенного сварного
соединения определение вязких характеристик
металла и, в первую очередь, ЗТВ, посредством
испытания ударных образцов стандартных раз-
меров (сечением 10×10 мм) не вполне корректно,
поскольку получаемые значения ударной вязкости
в значительной мере зависят от расположения об-
разца и места нанесения надреза. Из рис. 2 сле-
дует, что при нанесении надреза по металлу ЗТВ
наружного шва согласно ГОСТ 6996–66 сечение
надреза включает лишь небольшой участок хруп-
кой зоны крупного зерна, примыкающей к линии
сплавления шва. Бóльшая доля зоны крупного зер-
на фиксируется в сечении надреза образцов, вы-
резанных из места пересечения швов. В таких
образцах может присутствовать и участок повтор-
ного нагрева зоны внутреннего шва с наиболее не-
благоприятной структурой.
Результаты некоторых испытаний образцов
с надрезом по линии сплавления приведены в
табл. 2. Наблюдаемый большой разброс значений
KCV при таком нанесении надреза обусловлен
дополнительным влиянием формы шва на пока-
затели ударной вязкости. Влияние формы шва на
показатели вязкости металла ЗТВ является пред-
метом самостоятельных исследований и будет
рассмотрено нами в других публикациях. Здесь
только отметим, что для швов с условно хорошим
коэффициентом формы рекомендуемые ГОСТ
правила нанесения надреза в зоне термического
влияния существенно ограничивают долю участка
крупного зерна (локальной зоны хрупкости) в ис-
пытываемом сечении ударного образца.
Вместе с тем, несмотря на наблюдаемый раз-
брос результатов испытаний, данные табл. 2 по-
зволяют сделать однозначный вывод, что повыше-
ние в стали массовой доли ниобия более 0,05 %
приводит к снижению показателей ударной вяз-
кости металла ЗТВ, особенно при вырезке образ-
цов в зоне пересечения внутреннего и наружного
швов. Наиболее значительное снижение ударной
вязкости наблюдается при максимальном в иссле-
дованных пределах содержании в стали молиб-
дена, ниобия и марганца (труба А), когда в ме-
талле ЗКЗ формируется наименее благоприятная
микроструктура.
Рис. 2. Схема вырезки образцов и нанесения надреза при испытании на ударный изгиб металла шва (а) и зоны термического
влияния (б)
Рис. 3. Фрактограммы квазихрупких участков излома об-
разцов трубы А (а) и Б (б) с надрезом по линии сплавления,
разрушенных при температуре -40 оС (×2000, травление в
нитале)
213-4/2015
Исследования после травления поверхности
разрушения ударных образцов сварных соеди-
нений с надрезом по линии сплавления подтвер-
дили, что в металле швов труб А и Б с высоким
содержанием ниобия и молибдена на участках
квазихрупкого разрушения по границам фасеток
выявляются сегрегации углеродистых образова-
ний (на рис. 3 указаны светлыми стрелками). В
металле ЗТВ с ограниченным легированием нио-
бием (например, трубы Г и Д) такие образования
по границам фасеток отсутствуют.
Аналогичное влияние повышенное содержание
ниобия и молибдена оказывает на структурно-фа-
зовые характеристики металла шва. При дуговой
сварке труб большого диаметра для магистраль-
ных трубопроводов ниобий, как известно, пере-
ходит в металл шва, главным образом из трубной
стали. Доля молибдена в металле шва определя-
ется его содержанием в стали и сварочной про-
волоке и может, в определенных пределах, регу-
лироваться с помощью изменения его количества
в последней. Кроме того для повышения вязких
характеристик металл швов труб часто микроле-
гируют титаном и бором. Таким образом, металл
шва представляет собой достаточно сложнолеги-
рованную систему.
Установлено, что в связи с увеличением мас-
совой доли ниобия 0,039…0,047 % и молибдена
до 0,28…0,35 % из-за более высокого содержа-
ния этих элементов в стали при массовой доле
марганца 1,64…1,68 % в металле швов труб А и
Б формируется достаточно неоднородная струк-
тура с образованием составляющих различной
прочности и вязкости. Более высокое содержа-
ние в металле таких швов элементов, активно
снижающих температуру γ→α-превращения (Мо,
Mn, Nb), приводит к формированию помимо ос-
новной структуры игольчатого феррита (~75 %)
также участков верхнего бейнита (рис. 4, б; 5, а).
МАК-фаза часто представлена собственно мар-
тенситно-аустенитными комплексами с повы-
шенным содержанием углерода, а не продукта-
ми бейнито-мартенситного превращения (как при
меньшем легировании). Такая структурная со-
ставляющая хуже травится и при исследовании
на растровом микроскопе выглядит как гладкие,
бесструктурные светлые образования (на рис. 5, а,
б обозначены светлыми стрелками). Кроме того,
четко проявляется склонность к формированию
сегрегаций МАК-фазы на границах игольчатого и
зернограничного полигонального феррита (рис. 4,
в; 5, а). Из-за ограниченного легирования тита-
ном и бором, осуществляемого через сварочную
проволоку, образование зернограничного полиго-
нального феррита (ПФ) в металле швов труб А и
Б подавлено не полностью (рис. 4, а). И хотя доля
прослоек доэвтектоидного полигонального ферри-
та не столь значительна (не более 10 % даже на
периферийных участках шва), обогащение их гра-
ниц образованиями МАК-фазы (рис. 4, в), облада-
ющей существенно большей прочностью, явля-
ется отрицательным фактором, способствующим
зарождению разрушения. Максимальные сегрега-
ции углеродистых фаз и структурных составляю-
щих (МАК-фаза, карбиды) наблюдаются по гра-
ницам кристаллитов в металле внутреннего шва
на участках повторного нагрева (рис. 6, а, б). Вы-
явлена также развитая система полигонизацион-
ных границ, часто декорированных выделениями
МАК-фазы (рис. 4, б).
Указанные структурные особенности обуслав-
ливают более высокую склонность металла таких
швов к образованию трещин, что подтверждает-
ся наличием в одном из исследованных образ-
цов сварного соединения трубы А отдельных
относительно крупных трещин по ферритным
прослойкам, оконтуренным МАК-фазой, и сет-
ки микротрещин, локализующихся по вторичным
(полигонизационным) границам.
Микроструктура металла шва трубы В,
умеренно легированного Nb (0,022 %), Мо
(0,25 %) и Mn (около 1,46 %) более однород-
на и представлена, в основном, дисперсным
игольчатым ферритом (~90 %). Вытянутые зерна
игольчатого феррита размером 3…4×5…15 мкм
разориентированы на большой угол (рис. 4,
д). Благодаря оптимальному соотношению в
металле шва титана и бора (0,02 и 0,0030 %
соответственно) образование зернограничного
полигонального феррита практически подавлено
(только в корне шва фиксируется 1…3 % такой
структурной составляющей). Незначительная
структурная неоднородность проявляется по
границам кристаллитов в виде зерен игольчатого
феррита несколько большего размера (рис. 4, г, д).
Дисперсная МАК-фаза, в состав которой входят,
в основном, продукты бейнитного превращения,
распределена достаточно равномерно (рис. 4,
Т а б л и ц а 2 . Ударная вязкость металла исследован-
ных сварных соединений труб KCV–40, Дж/см2
Условный шифр
труб (категория,
толщина ОМ)
Надрез по центру
шва
Надрез по линии
сплавления
образцы
НШ
образцы
ПШ
образцы
НЗ
образцы
ПЗ
А (х80, 22 мм) 56...110
92
42...93
56
56...141
114
21...95
46
В (х80, 27,7 мм) 112...195
165
88...121
105
80...197
140
58...142
81
Г (х65, 36 мм) 185...197
192
152...177
160
290...320
300
100...287
198
Примечания. 1. В числителе указаны минимальные и мак-
симальные значения ударной вязкости, в знаменателе —
средние из 6-12 испытаний. 2. Схемы вырезки образцов и
нанесения надреза приведены на рис. 2.
22 3-4/2015
е). Скопления углеродистых фаз и структурных
составляющих по границам кристаллитов, в том
числе в зоне повторного нагрева внутреннего
шва, практически отсуствуют (рис. 6, в, г).
Полигонизационные границы в таком шве
развиты слабо (рис. 4, д).
характерной особенностью микроструктуры
металла шва трубы Г меньшей прочности (х65)
с минимальным содержанием в шве молибдена
(0,05 %) и ниобия (0,011 %) при массовой доле
Mn на уровне 1,70…1,72 %, Ті — 0,015…0,018
%, В — 0,0038…0,0040 % является тот факт, что,
несмотря на наличие, кроме игольчатого феррита
(около 80 %), достаточно широких прослоек зер-
нограничного полигонального феррита (6…12 %,
на периферийных участках — до 15 %) выделения
МАК-фазы на их границах, в том числе на участ-
ках повторного нагрева внутреннего шва, отсут-
ствуют (рис. 4, ж, к, л). Зерна игольчатого ферри-
та в большинстве своем близки к равноосным (с
коэффициентом формы χ = 1,1…1,5). Присутству-
ющие в небольшом количестве более вытянутые
(χ = 7–8) ферритные зерна разориентированы, по-
этому участки металла со сходной ориентацией
структуры крайне редки (рис. 5, в). Близкий ха-
рактер микроструктуры присущ и металлу шва
трубы Д из стали х80, в котором массовая доля
молибдена находится в пределах 0,010…0,13 %), а
ниобий содержится в количестве 0,021 %.
В табл. 2 приведены результаты испытаний об-
разцов сварных соединений труб с надрезом по
центру шва, вырезанных из наружного шва, вы-
Рис. 4. Микроструктура металла наружных швов с различным содержанием молибдена и ниобия (оптическая металлография):
а–в — труба А; г–е — труба В; ж–л — труба Г; 1 — мартенситно-аустенитный комплекс; 2 — МАК-фаза
233-4/2015
полненного последним (образцы НШ) и из зоны
пересечения наружного и внутреннего швов (об-
разцы ПШ). Схема вырезки образцов и нанесе-
ния надрезов приведена на рис. 2, а. Как видно из
табл. 2, уровень ударной вязкости металла швов
исследованных труб, в общем случае, достаточно
высок. Это обусловлено, в первую очередь, при-
менением современных сварочных материалов:
агломерированного алюминатного флюса неболь-
шой основности и сварочных проволок с Мо, Ni,
Тi, B. Оптимальное сочетание этих элементов обе-
спечивает преимущественное формирование в ме-
талле швов структуры игольчатого феррита с вы-
сокими вязкими характеристиками (табл. 2, трубы
В, Г). Вместе с тем, чрезмерное легирование шва
трубы А молибденом (0,35 %) и Nb (0,039 %), со-
провождающееся, как отмечалось, появлением в
структуре участков верхнего бейнита и сегрега-
ций углеродистых фаз по границам кристаллитов,
снижает показатели его ударной вязкости (табл. 2,
труба А, образцы НШ).
Еще большее снижение показателей вязко-
сти отмечается в случае, когда испытываемое се-
чение ударного образца трубы А с повышенным
Мо и Nb включает участок металла внутреннего
шва с неблагоприятной структурой, подвергший-
ся повторному нагреву при сварке наружного шва
(табл. 2, образец ПШ). Для швов с меньшей долей
молибдена и ниобия (табл. 2, трубы В и Г) сниже-
ние ударной вязкости при испытании таких образ-
цов проявляется в значительно меньшей мере.
Фрактографические исследования поверхно-
сти разрушения ударных образцов с надрезом по
оси шва показали, что металл шва при повышен-
ном содержании молибдена, ниобия и марганца
(труба А) даже при температуре минус 10 оС, в ос-
новном, разрушается по квазихрупкому механиз-
Рис. 5. Морфология и топография МАК-фазы в металле на-
ружных швов с различным содержанием молибдена и ниобия
(×3000, растровая микроскопия): а — труба А; б — В; в — Г;
1 — мартенситно-аустенитный комплекс (светлая стрелка);
2 — МАК-фаза (темная стрелка)
Рис. 6. характерная микроструктура металла внутреннего шва в зоне повторного нагрева сварного соединения труб из стали
с различным содержанием ниобия и молибдена: а, б — труба А; в, г — В
24 3-4/2015
му, при этом на небольших вязких участках по-
верхности разрушения наблюдаются удлиненные
гладкие (квазихрупкие) участки, соответствующие
прослойкам доэвтектоидного зернограничного по-
лигонального феррита с границами, обогащенны-
ми углеродистыми выделениями, отмеченными
ранее при рассмотрении результатов металлогра-
фических исследований. В случае ограниченно-
го легирования металла шва (трубы В, Г) доля
участков вязкого разрушения при минус 40 оС на-
ходится в пределах от 10 до 50 %. При этом вяз-
кие участки располагаются под надрезом ударных
образцов, а их протяженность составляет не ме-
нее 2 мм, что и предопределяет высокие значения
ударной вязкости.
Таким образом, результаты проведенных ис-
следований подтвердили отрицательное влияние
на структурные характеристики металла шва и
зоны термического влияния сварных соединений
труб повышенного (в стали более 0,05 %; в шве
более 0,03 %) содержания ниобия, которое уси-
ливается в присутствии молибдена. Учитывая
склонность ниобия, подобно сере, к сегрегации,
дополнительное легирование молибденом, сни-
жающим температуру превращения, приводит к
образованию в металле сварных соединений не-
благоприятных структурных составляющих и фаз,
а также к их скоплениям по границам зерен. При
таком количестве ниобия и молибдена в металле
ЗКЗ формируются пакеты бейнитной структуры с
более грубой углеродистой фазой реечной морфо-
логии, а по границам бывших аустенитных зерен,
особенно в зонах повторного нагрева, выделяются
скопления МАК-фазы и карбидов.
В металле швов, содержащем массовую долю
Мо более 0,3 % и Nb более 0,03 % при марган-
це на уровне 1,6 % и выше, образуются участки
верхнего бейнита, увеличивается протяженность
полигонизационных границ и количество выделе-
ний МАК-фазы по границам зерен, а также повы-
шается доля мартенсита в составе этой структур-
ной составляющей. Такие структурные изменения
металла шва, как и в металле ЗТВ, в большей мере
проявляются в зонах повторного нагрева.
По этой причине для обеспечения высокой
ударной вязкости и трещиностойкости металла
сварных соединений при сварке труб из высоко-
прочной микролегированной стали необходи-
мо ограничивать содержание в стали ниобия (≤
0,05 %) и молибдена (≤ 0,20 %), а также использо-
вать сварочные материалы, обеспечивающие мас-
совую долю молибдена в шве не более 0,30 %.
1. Морозов Ю.Д., Эфрон Л.И. Стали для труб магистраль-
ных трубопроводов: состояние и тенденции развития //
Металлург. – 2006. – № 5. – С. 54–56.
2. Эфрон Л.И., Настич С.Ю. Состояние производства ли-
стового и рулонного проката для спиральношовных труб
категорий прочности до х100 // ОАО «Черметинформа-
ция». Бюллетень «Черная металлургия». – 2006. – № 11.
– С. 68–81.
3. Высокопрочные трубные стали нового поколения с фер-
ритно-бейнитной структурой / Ю.Д. Морозов, М.Ю. Ма-
тросов, С.Ю. Настич, А.Б. Арабей // Металлург. – 2008.
– № 8. – С. 39–42.
4. Strategies for third-generation advanced high-strength steel
development / E. De Moor, P.J. Gibbs, J.G. Speer et al. // Iron
and Steel Technology. – 2010. – № 11. – Р. 133–144.
5. Нamada М., Fukada Y., Komizo Y. Microstructure and pre-
cipitation behavior in heat affectd zone of C–Mn microal-
loyed steel containing Nb, V and Ti // ISIJ Int. – 1995. – 35,
№ 10. – P. 1196–1201.
6. Graf M., Niederhoff K. Toughness behavior of the heat-af-
fected zone (HAZ) in submerged-arc welded large-diameter
pipe (Pipeline technology conference, Oostende (Belgium),
15–18 Осt. 1990. – P. 131–139.
7. The effect of vanadium and niobium on the properties and
microstructure of the intercritically reheated coarse grained
heat affected zone in low carbon microalloyed steels / Y. Li,
D.N. Crowther, M.J.W. Green et al. // ISIJ International. –
2001. – 41, № 1. – P. 46–55.
8. Рыбаков А.А. Современное состояние производства труб
большого диаметра для магистральных трубопроводов //
Обеспечение эксплуатационной надежности систем тру-
бопроводного транспорта: Сб. докл. научн.-техн. семина-
ра, Киев, 10–11 июня 2009. – Киев: НТК «ИЭС им. Е.О.
Патона» НАНУ. – С.48–52.
Поступила в редакцию 14.12.2014
VII Международная конференция
«ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СВАРКЕ
И ОБРАБОТКЕ МАТЕРИАЛОВ»
14–18 сентября 2015 Одесса, отель «Курортный»
www.pwi-scientists.com/rus/ltwmp2015
E-mail: journal@paton.kiev.ua
тел./факс: (38044) 200-82-77
|