Оренбургский государственный университет

Управление структурой и свойствами сварных соединений среднеуглеродистых легированных сталей в процессе ротационной сварки трением

Проект № 21-79-00085

Руководитель — Степанчукова А.В.

Проект направлен на установление механизмов структурообразования при ротационной сварке трением (РСТ) среднеуглеродистых легированных сталей, применяемых для производства бурового инструмента и бурильных труб, и выявление факторов структуры, оказывающих влияние на их эксплуатационные свойства.

В ходе выполнения проекта произведена оценка влияния параметров РСТ на микроструктуру и механические свойства сварных соединений в сочетании сталей 32Г2 и 40ХН2МА и 32ХГМА и 40ХН2МА, предполагаемых к использованию для производства бурильных труб повышенной прочности. Методом математического планирования и статистической обработки четырехфакторного эксперимента для каждого сочетания сталей получены регрессионные зависимости механических свойств сварных соединений (временного сопротивления и относительного удлинения цельных образцов и временного сопротивления в сварном стыке на образцах с V-образным концентратором) от параметров ротационной сварки трением: давлении при разогреве, давлении проковки, частоты вращения при разогреве, длины оплавления; установлены параметры, оказывающие наибольшее влияние на механические свойства соединений; установлены совокупность оптимальных диапазонов параметров сварки, обеспечивающих наиболее высокую прочность сварных соединений в сочетании с высокой пластичностью. На основании подробных исследований микроструктуры сварных соединений с применением сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии установлено:

• механизм образования наиболее прочных соединений на границе раздела сталей определяется развитием процесса их совместной рекристаллизации с образованием общих зерен;
• формирование микроструктуры в зоне термомеханического влияния (ЗТМВ) происходит в результате последовательно протекающих процессов: разогрева сталей в приконтактных участках до температур образования аустенита, динамической рекристаллизации аустенита, сдвигового превращения с образованием мартенситных (в стали 40ХН2МА, 32ХГМА) и мартенсито-бейнитных (в сталях 32Г2) структур в участках, где температура превышала значения критических точек; микроструктура сталей в ЗТМВ имеет градиентный характер ввиду влияния термодеформационного цикла сварки и характеризуется совокупностью рекристаллизованных, полигонизованных и деформированных зерен, размер и соотношение которых зависят от параметров процесса;
• на основании исследований кристаллографической текстуры сварных соединений с помощью EBSD-метода анализа установлено, что в области сварного шва в обеих сталях наблюдается рассеянная текстура с хорошо выраженной компонентой, близкой к (110)[001] (ребровая текстура, текстура Госса). По мере удаления от линии контакта доля компонента ребровой текстуры уменьшается. В ЗТМВ она представляет собой сочетание компонентов: {110}<001>; {100}<110> и {110}<110>;
• механизм разрушения исследуемых сварных соединений при растяжении определяется степенью развития совместной рекристаллизации на границе раздела сталей и интенсивностью упрочнения в ЗТМВ: разрушение по основному металлу (вдали от ЗТМВ) имеет место при интенсивном развитии совместной рекристаллизации и формировании ультрамелкозернистой микроструктуры в периферийных областях ЗТМВ, в которой реализованы механизмы зернограничного, дислокационного и дисперсионного упрочнения, что подтверждено результатами EBSD-анализа и просвечивающей электронной микроскопии;
• испытаниями сварных соединений сталей 32Г2-40ХН2МА и 32ХГМА-40ХН2МА в условиях многоцикловой усталости установлено, что зарождение и развитие трещины усталости происходит в ЗТМВ сталей 32Г2 и 32ХГМА, при этом наибольшая циклическая долговечность обеспечивается в образцах, разрушающихся по зоне основного металла в условиях статического растяжения.

Полученные в ходе выполнения проекта результаты в виде оптимальных параметров РСТ для исследуемых сочетаний сталей приняты к внедрению в условиях предприятия АО «Завод бурового оборудования» (Оренбург) при производстве труб бурильных (технологических) для капитального ремонта нефтяных и газовых скважин групп прочности Л и М.

По результатам выполнения проекта опубликованы 2 статьи в журналах Metal Science and Heat Treatment и The International Journal of Advanced Manufacturing Technology (Q1), также сделаны доклады на международных конференциях.

Посмотреть отчет за 2021 год