Fatigue strength of steel AISI 321 laser welded seams

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The main difficulties in austenitic steels welding are associated with the need to increase the resistance of the weld metal and heat affected zone to formation of hot cracks, which are usually divided into crystallization and subsolidus ones. Increased resistance of metal to formation of crystallization cracks is achieved by suppressing the columnar crystallization and structure refining by increasing the cooling rate, alloys purity, using the doping elements-modifiers or elements contributing to the formation of high-temperature second maximally plastic phases (e.g. δ-ferrite). These methods narrow the temperature range of brittleness and increase the plasticity reserve. To increase the resistance of austenitic steels to formation of subsolidus hot cracks during welding, the following methods are recommended: alloying with elements that contribute to creating a fragmented cast structure, increasing the purity of the base metal of interstitial impurities, reducing the time spent by the metal at a high diffusion mobility (increasing the cooling rate of the weld metal), restricting deformations by selecting a rational design of joints, etc. The methods listed above are realized in laser welding, which is characterized by high rates of heating and cooling, a little time of stay of the metal in the molten state. It reduces the diffusion interaction and contributes to formation of fine fragmented cast structure of the joint material. Intense convective stirring of the melt in the weld pool helps to remove non-metallic inclusions. A special role can be played by adding refractory nanopowders (NP) into the forming material the welds. Specially prepared well-wettable refractory nanopowder particles, being introduced into the melt, form a dispersed system in which the solid phase serves as the core of each suspension particle. As a result, each nanoparticle becomes a potential seed for the emergence of the new phase. Due to this, during cooling of the melt, a fine crystalline structure is formed in it, thereby increasing the mechanical characteristics of the solidified alloy. The paper addresses the problem of increasing the strength of the weld on the example of AISI 321 (12Kh18N10T) steel. One-piece welded joints are made by laser welding with the use of nanopowder additives. The values of fatigue strength of the welded joints of the steel under investigation produced with a CO 2 laser and additives of nanopowders TiN and Y 2O 3 clad with titanium and iron are determined. The role of the microstructure, grain size, the nature of distribution of microhardness in the formation of the fracture surface under chosen test conditions is studied. It is found out that the average value of tensile strength for the weld is 690 MPa, which exceeds its value for the steel itself (650 MPa). Even the presence of micropores in the material of the welds did not reduce the mechanical properties compared to the base ones. The relief of the sample fractures corresponds to the viscous failure. The additives of nanopowders increased durability of the material of the joints obtained 2.8 times at the maximum cycle stresses above 460 MPa. At that, the zones of complete fracture by the mechanism of viscous failure constituted 65% of the total area of samples fractures with nanopowders and 78% without them. At lower values of the maximum cycle stresses, share of the complete fracture zone was about 50% of the area of sample fractures.

About the authors

N. B Pugacheva

Institute of Engineering Science Ural Branch of Russian Academy of Sciences

Email: nat@imach.uran.ru
34, Komsomolskaya str., Yekaterinburg, 630049, Russian Federation

D. I Vichuzhanin

Institute of Engineering Science Ural Branch of Russian Academy of Sciences

Email: mmm@imach.uran.ru
34, Komsomolskaya str., Yekaterinburg, 630049, Russian Federation

E. B Trushina

Institute of Engineering Science Ural Branch of Russian Academy of Sciences

Email: trushina@imach.uran.ru
34, Komsomolskaya str., Yekaterinburg, 630049, Russian Federation

N. P Antenorova

Institute of Engineering Science Ural Branch of Russian Academy of Sciences

Email: n.antenorova@yandex.ru
34, Komsomolskaya str., Yekaterinburg, 630049, Russian Federation

N. S Michurov

Institute of Engineering Science Ural Branch of Russian Academy of Sciences

Email: n.michurov@gmail.com
34, Komsomolskaya str., Yekaterinburg, 630049, Russian Federation

A. M Orishich

Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS

Email: laser@itam.nsc.ru
4/1, Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation

A. N Cherepanov

Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS

Email: ancher@itam.nsc.ru
4/1, Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation

A. G Malikov

Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS

Email: malik@ngs.ru
4/1, Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation

References

  1. Шоршоров М.Х. Металловедение сварки стали и сплавов титана. - М.: Наука, 1965. - 336 с.
  2. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн. 5. Лазерная сварка металлов / под ред. А.Г. Григорьянца. - М.: Высшая школа, 1988. - 207 с.
  3. Прочность и структура неразъемных соединений титана и аустенитной стали, полученных лазерной сваркой с промежуточными слоями / Н.Б. Пугачева, С.В. Смирнов, Д.И. Вичужанин, Ю.В. Афонин, А.М. Оришич, С.М. Задворкин, Л.С. Горулева // Деформация и разрушение материалов. - 2012. - № 7. - С. 26-32.
  4. Структура сварных швов стали 12Х18Н10Т и титанового сплава ВТ1-0 с промежуточной медной пластиной после лазерного проплавления / Н.Б. Пугачева, Е.Б. Трушина, Е.И. Пугачева, А.М. Оришич, А.Н. Черепанов // Вопросы материаловедения. - 2013. - № 1 (73). - С. 166-174.
  5. Влияние лазерной обработки на микроструктуру конструкционной малоуглеродистой стали / Н.Б. Пугачева, Е.Б. Трушина, Н.П. Антенорова // Металлы. - 2014. - № 4. - С. 77-85.
  6. Laser welding of titanium and its alloys for medical applications: current knowledge and future direction / A. Buddery, M. Dargusch, D. StJohn, J. Drennan, S. Nabulsi // Materials Science Forum. - 2009. - Vol. 618-619. - P. 291-294. - doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/MSF.618-619.291' target='_blank'>www.scientific.net/MSF.618-619.291.
  7. Laser welding of Ti6Al4V titanium alloys / A. Akman, A. Demir, N. Canel, N. Sinmazcelic // Journal of Materials Processing Technology. - 2009. - Vol. 209, iss. 8. - P. 3705-3713. - doi: 10.1016/j.jmatprotec.2008.08.026.
  8. Laser welding of Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr / T. Shariff, X. Cao, R.R. Chromik, J.G. Baradari, P. Wanjara, J. Cuddy, A. Birur // Canadian Metallurgical Quarterly. - 2011. - Vol. 50, iss. 3. - P. 263-272. - doi: http://dx.doi.org/10.1179/1879139511Y.0000000009.
  9. Металлография сплавов железа / Н. Лямбер, Т. Греди, А. Хабракен, М. Дадьян, А. Гранжон; под ред. Н. Лямблера. - М.: Металлургия, 1985. - 248 с.
  10. Модифицирование сталей и сплавов дисперсными инокуляторами / В.П. Сабуров, Е.Н. Еремин, А.Н. Черепанов, Г.Н. Миннеханов. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002. - 212 с.
  11. Применение нанопорошков тугоплавких соединений при лазерной сварке и обработке металлов / А.Н. Черепанов, Ю.В. Афонин, А.Г. Маликов, А.М. Оришич // Тяжелое машиностроение. - 2008. - № 4. - С. 25-26.
  12. Полухин В.А., Белякова Р.М. Ватолин Н.А. Влияние технологических микропримесей на фрагментацию фаз при получении наносруктурированных материалов из сплавов на основе железа в режиме скоростного охлаждения // Физика и химия обработки материалов. - 2011. - № 3. - С. 63-67.
  13. Стали и сплавы. Марочник: справочник / сост.: В.Г. Сорокин, М.А. Гервасьев, В.С. Палеев, И.В. Гервасьева, С.Я. Палеева; под ред. В.Г. Сорокина, М.А. Гервасьева. - М.: Интермет инжиниринг, 2001. - 608 с.
  14. РД 50-672-88. Методические указания. Расчеты и испытания на прочность. Классификация видов изломов металлов. - Утверждены и введены в действие Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 29.07.88 № 2800. - М.: Госстандарт СССР, 1989. - 21 с.
  15. Фрактодиагностика разрушения металлических материалов и конструкций: учебное пособие для вузов / Г.В. Клевцов, Л.Р. Ботвина, Н.А. Клевцова, Л.В. Лимарь. - М.: МИСиС, 2007. - 264 с. - ISBN: 978-5-87623-176-5.
  16. Наномодифицирование сварных соединений при лазерной сварке металлов и сплавов / А.М. Оришич, А.Н. Черепанов, В.П. Шапеев, Н.Б. Пугачева. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2014. - 252 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).