Ударная вязкость низкоуглеродистых низколегированных сталей с ферритно-бейнитной микроструктурой по результатам множественных испытаний

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Для описания закономерностей изменения ударной вязкости и хладостойкости изучены две близкие по химическому составу низкоуглеродистые низколегированные малосернистые стали с ферритно-бейнитной микроструктурой. По результатам множественных испытаний на ударный изгиб в температурном интервале перехода от вязкого разрушения к хрупкому хладостойкость стали с пониженным содержанием серы и углерода (0.002% S и 0.106% C), которую оценивали по доле вязкой составляющей в изломах образцов, оказалась значительно выше хладостойкости стали с их повышенным содержанием (0.008% S и 0.120% C). Содержание бейнита в ферритно-бейнитной микроструктуре стали с повышенным содержанием S и С больше. Образование очагов скола в стали с повышенным содержанием S и С происходило преимущественно с участием MnS. Влияние неметаллических включений на зарождение скола в стали с пониженным содержанием S и С не выявлено. В небольшой части изломов образцов стали с пониженным содержанием S и С и почти во всех изломах образцов стали с повышенным содержанием S и С наблюдали расщепления. Установлено, что в отличие от сталей класса прочности X80 расщепления в термоулучшенных низкоуглеродистых низколегированных сталях с низким содержанием серы образуются по механизму зернограничного разрушения. Расщепления возникали в пределах бейнитных полос вдоль границ бейнитных пакетов при совпадении позиций максимальных нормальных напряжений и области осевой сегрегации. Очагами зернограничных расщеплений образцов стали с повышенным содержанием S и С, как правило, служили включения MnS, а в образцах стали с пониженным содержанием S и С влияние MnS на возникновение зернограничных расщеплений не обнаружено.

Full Text

Restricted Access

About the authors

М. М. Кантор

Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук

Author for correspondence.
Email: mkantor@imet.ac.ru
Russian Federation, 119334 Москва, Ленинский пр., 49

К. Г. Воркачев

Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук

Email: mkantor@imet.ac.ru
Russian Federation, 119334 Москва, Ленинский пр., 49

В. А. Боженов

Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук

Email: mkantor@imet.ac.ru
Russian Federation, 119334 Москва, Ленинский пр., 49

К. А. Солнцев

Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук

Email: mkantor@imet.ac.ru
Russian Federation, 119334 Москва, Ленинский пр., 49

References

  1. Gladman T. The Physical Metallurgy of Microalloyed Steels. the Institute of Materials. London: CRC Press, 1997. P. 615.
  2. Franqois D. Micromechanisms and the Charpy Transition Curve. From Charpy to Present Impact Testing / Eds. Franqois D., Pineau A. N.Y.: Elsiever, 2002. P. 21-32.
  3. Wang G.Z., Liu Y.G., Chen J.H. Investigation of Cleavage Fracture Initiation in Notched Specimens of a C-Mn Steel with Carbides and Inclusions // Mater. Sci. Eng. A. 2004. V. 369. P. 181-191. https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.11.003
  4. Ghosh A., Modak P., Dutta R., Chakrabarti D. Effect of MnS Inclusion and Crystallographic Texture on Anisotropy in Charpy Impact Toughness of Low Carbon Ferritic Steel // Mater. Sci. Eng. A. 2016. V. 654. P. 298–308. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.12.047
  5. Joo M.S., Suh D.-W., Bae J.H., Bhadeshia H.K.D.H. Role of Delamination and Crystallography on Anisotropy of Charpy Toughness in API-X80 Steel // Mater. Sci. Eng. A. 2012. V. 546. P. 314–322. https://doi.org/10.1016/j.msea.2012.03.079
  6. Mintz B., Maina E., Morrison W.B. Origin of Fissures on Fracture Surfaces of Impact Samples of HSLA Steels with Ferrite/Pearlite Microstructures // Mater. Sci. Technol. 2007. V. 23. № 3. P. 347-354. https://doi.org/10.1179/174328407x161222
  7. Mintz B., Maina E.M., Morrison W.B. Influence of Dislocation Hardening, Precipitation Hardening, Grain Elongation and Sulphides on Fissure Formation in HSLA Steels Having a Ferrite/Pearlite Microstructure // Mater. Sci. Technol. 2008. V. 24. № 2. P. 177–188. https://doi.org/10.1179/174367507x247377
  8. Mantyla M., Rossoll A., Nedbal I., Prioul C., Marini B. Fractographic Observations of Cleavage Fracture Initiation in a Bainitic A508 Steel // J. Nucl. Mater. 1999. V. 264. № 3. P. 257–262. https://doi.org/10.1016/s0022-3115(98)00496-6
  9. Gervasyev A., Pyshmintsev I., Petrov R., Huo C., Barbaro F. Splitting Susceptibility in Modern X80 Pipeline Steels // Mater. Sci. Eng. A. 2020. V. 772. 138746. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.P.138746
  10. Pyshmintsev I., Gervasyev A., Olalla V. C., Petrov R., Arabey A. Mechanical and Metallurgical Aspects of the Resistance to Ductile Fracture Propagation in the New Generation of Gas Pipelines. V. 3: Materials and Joining; Risk and Reliability. 2014. P. 1–11. https://doi.org/10.1115/ipc2014-33714
  11. Tankoua F., Crépin J., Thibaux P., Cooreman S., Gourgues-Lorenzon A.-F. Quantification and Microstructural Origin of the Anisotropic Nature of the Sensitivity to Brittle Cleavage Fracture Propagation for Hot-rolled Pipeline Steels // Int. J. Fract. 2018. V. 212. P. 143–166. https://doi.org/10.1007/s10704-018-0297-4
  12. Tankoua F., Cre´pin J., Thibaux P., Cooreman S., Gourgues-Lorenzon A.-F. Contribution of the Microtexture Evolution Induced by Plastic Deformation on the Resistance of a Hot-rolled Pipeline Steel to Flat Cleavage Fracture and to Brittle Delamination Cracking // Int. J. Fract. 2022. V. 233. P. 211–237. https://doi.org/10.1007/s10704-022-00621-7
  13. Bicego V., Rinaldi C. Fractographic Study of Toughness Variability in Transition Region. Defect Assessment in Components – Fundamentals and Applications / Eds. Blauel J.G., Schwalbe K.-H. London: Mechanical Engineering, 1991. P. 459–475.
  14. Kantor M.M., Bozhenov V.A. Scattering of Values of Impact Toughness of Low-alloy Steel in the Ductile-brittle Transition Temperature Region // Inorg. Mater. Appl. Res. 2014. V. 5. P. 293–302. https://doi.org/10.1134/S207511331404025X
  15. Kawata H., Umezawa O. Effect of Pearlite Volume Fraction on Two-step Ductile to Brittle Transition in Ferrite + Pearlite Structure Steel Sheets // ISIJ International. 2019. V. 59. № 7. P. 1344–1353. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2018-764
  16. Kantor M.M., Vorkachev K.G., Bozhenov V.A., Solntsev K.A. The Role of Splitting Phenomenon under Fracture of Low-Carbon Microalloyed X80 Pipeline Steels during Multiple Charpy Impact Tests // Appl. Mech. 2022. V. 3. P. 740–756. https://doi.org/10.3390/applmech3030044
  17. Graville B.A., Tyson W.R. Toughness Requirements for Welded Structures in the Arctic // Weld. Res. 1992. P. 437-442.
  18. Kantor M., Vorkachev K., Solntsev K. Microstructure-Impact Toughness Relationships in Quenched and Tempered Low Carbon Low Alloy Steels // Key Eng. Mater. 2021. V. 887. P. 216–221. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.887.216
  19. Gervasyev A., Petrov R., Pyshmintsev I., Struin A., Leis B. Mechanical Properties Anisotropy in X80 Line Pipes. V. 3: Operations, Monitoring and Maintenance; Materials and Joining. 2016. P. 1-7. https://doi.org/10.1115/ipc2016-64695
  20. Davis B.J. The Effect of Separations on the Assessment of Charpy Impact Tests. Ph.D. Thesis. Wollongong: Univ. of Wollongong, 2017.
  21. Zaefferer S., Romano P., Friedel F. EBSD as a Tool to Identify and Quantify Bainite and Ferrite in Low-alloyed Al-TRIP Steels // J. Microsc. 2008. V. 230. P. 499–508. https://doi.org/10.1111/j.1365-2818.2008.02010.x
  22. Zajac S., Shwinn V., Tacke K.H. Characterization and Quantification of Complex Bainitic Microstructures in High and Ultra-high Strength Linepipe Steels // Mater. Sci. Forum. 2005. V. 500–501. P. 387–394. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.500-501.387
  23. Kantor M.M., Sudin V.V., Solntsev K.A. Deformation Features of the Propagation of Cleavage Cracks in a Ferritic-Pearlite Microstructure in the Ductile to Brittle Transition Interval // Inorg. Mater. 2021. V.57. № 6. P. 641–653. https://doi.org/10.1134/S0020168521060042
  24. Heerens J., Read D.T., Cornec A., Schwalbe K.-H. Defect Assessment in Components – Fundamentals and Applications /Eds. Blauel J.G., Schwalbe K.-H. London: Mechanical Engineering, 1991. P. 659-678.
  25. Chen J.H., Cao R. Micromechanism of Cleavage Fracture of Metals. A Comprehensive Microphysical Model for Cleavage Cracking in Metals. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2015. P. 467.
  26. Bertolo V., Jiang Q., Scholl S., Petrov R., Hangen U., Walters C., Sietsma J., Popovich V. A Comprehensive Quantitative Characterization of the Multiphase Microstructure of a Thick-section High Strength Steel // J. Mater. Sci. 2022. V. 57. P. 7101–7126. https://doi.org/10.1007/s10853-022-07121-y
  27. Кудря А.В., Никулин С.А., Николаев Ю.А., Арсенкин А.М., Соколовская Э.А., Скородумов С.В., Чернобаева А.А., Кузько Е.И, Хорева Е.Г. Факторы неоднородности вязкости низколегированной стали 15Х2НМФА // Изв. вузов. Черная металлургия. 2009. № 9. C. 23–28.
  28. Штремель М.А. Разрушение. Книга 2. Разрушение структур. М.: Издательский Дом МИСиС, 2015. С. 258–259.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Microstructure of steel 1(a), 2(b) (RB – lath benite, PF – polygonal ferrite).

Download (294KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Typical fracture with splitting of steel 1 (ВС and ХС – viscous and brittle components).

Download (88KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Temperature dependences of impact toughness obtained from the results of multiple impact bending tests for steels 1 and 2.

Download (60KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Quantitative assessment of the ratio of the broadening ϕ of destroyed samples and the impact toughness KCU-⁸˚ for steels 1 and 2.

Download (62KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Quantitative assessment of fracture characteristics: ratio of ICE and KCU–80 (a), ratio of Lхс and KCU–80 (b).

Download (137KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Quantitative assessment of the characteristics of splitting in steel samples 1 and 2 (tsp = -80°C; P – splitting, BR – no splitting).

Download (467KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Localization of splits in the cross-section of a steel sample 2 destroyed by impact bending in the longitudinal-transverse plane.

Download (143KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Actual microstructure and microstructure of former austenite in steel 2.

Download (590KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Bainite band in the F-B microstructure in the axial segregation region of steel 1: SCR map + Kikuchi Band Slope quality map + grain boundary map; black – high-angle boundaries > 15°, fuchsia – low-angle boundaries 2°–15° (EBSD).

Download (594KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. SEM images of non-metallic inclusion contamination in the axial segregation area of ​​steel 1 (a), 2 (b).

Download (232KB)
Indexing metadata
12. Fig. 11. Microstructure of the plastic zone in the region of the cleavage tip of steel 1: SKS map + Kikuchi Band Slope quality maps + grain boundary map, in the upper right corner instead of the SKS map there is a map in Euler angles; black – high-angle boundaries > 15°, fuchsia – low-angle boundaries 2°-15° (EBSD).

Download (911KB)
Indexing metadata
13. Fig. 12. SEM images of cleavage foci during metal fracture of steel 1 (tисп = -80°C): a, b – two cleavage focal facets without non-metallic inclusions on different sides of the main cleavage on the same sample; c – cleavage focal facet with an oxide non-metallic inclusion; d – cleavage focal facet without a non-metallic inclusion, located near the cleavage tip.

Download (614KB)
Indexing metadata
14. Fig. 13. SEM images of cleavage foci during metal fracture of steel 2 (tsp = -80°C): a, b – cleavage focal facets of different nature in a sample with cleavage; c – cleavage focal facet without non-metallic inclusion; d – cleavage focal facet with MnS near the cleavage tip.

Download (530KB)
Indexing metadata
15. Fig. 14. Fractographic study of the nature of splitting formation in steel samples 1 (a, c), 2 (b, d), destroyed by impact bending at -80°C.

Download (638KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».