vsgiuВестник Сибирского государственного индустриального университетаBulletin of the Siberian State Industrial University2304 - 44972307-1710Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет"10.57070/2304-4497-2022-4(42)-40-46vsgiu-174Research ArticleРаздел 3. Металлургия и материаловедениеSection 3. Metallurgy and Materials ScienceСТРУКТУРНО-ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ И ПОВЕРХНОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛА СВАРНЫХ ШВОВ, ВЫПОЛНЕННЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯSTRUCTURAL-PHASE STATE AND METAL FRACTURE SURFACE OF WELDS MADE WITH THE USE OF NEW MATERIALS BASED ON TECHNOGENIC RAW MATERIALShttps://orcid.org/0000-0002-3394-7941КрюковРоман ЕвгеньевичKryukov,Roman

к.т.н., доцент, доцент кафедры металлургии черных металлов

Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Ferrous Metallurgy

rek_nzrmk@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5147-5343ГромовВиктор ЕвгеньевичGromovViktor

 д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля

Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof., Head of the Chair of Science named after V.M. Finkel’

gromov@physics.sibsiu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7305-6692МихноАлексей РомановичMikhno,Aleksei

аспирант института машиностроения и транспорта

Postgraduate student of the Institute of Mechanical Engineering and Transport

mikno-mm131@mail.ruЖуковАндрей ВладимировичZhukovAndrey

аспирант института машиностроения и транспорта

Postgraduate student of the Institute of Mechanical Engineering and Transport

svarka42@mail.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian Federation202204062025044046Copyright © Крюков Р.Е., Громов В.Е., Михно А.Р., Жуков А.В., 20252025Крюков Р.Е., Громов В.Е., Михно А.Р., Жуков А.В.Kryukov, R., Gromov V., Mikhno, A., Zhukov A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.sibsiu.ru/jour/article/view/174

Методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии исследованы структурно-фазовое состояние и поверхность разрушения металла сварных швов стали 09Г2С, выполненных с применением новых сварочных материалов на основе техногенного сырья металлургического производства (шлака производства силикомарганца и пыли электрофильтров алюминиевого производства). Изготовление сварных соединений выполнялось в лабораторных условиях с использованием сварочной проволоки марки Св-08ГА на оборудовании научно-производственного центра «Сварочные процессы и технологии» ФГБОУ ВО «СибГИУ». С использованием оборудования ФГБУН «Институт сильноточной электроники СО РАН» (г. Томск) выполнен количественный анализ параметров структуры и дислокационной субструктуры металла сварных швов. Оценены вклады скалярной и избыточной плотности дислокаций в прочность металла сварных швов. Установлено, что основной фазой металла исследуемых сварных швов (независимо от введения добавки) является твердый раствор на основе α-железа (феррит, ОЦК кристаллическая решетка, α-фаза). Кроме α-железа в металле сварного шва присутствуют частицы карбида железа (цементит) и (преимущественно в образце без добавки) силицида железа состава Fe3S. Анализируя электронно-микроскопические изображения структуры металла сварного шва, было замечено, что наиболее узкие контуры формируются у межфазных границ включение – матрица. Такими включениями, выявленными методами просвечивающей электронной микроскопии, могут являться частицы цементита, расположенные в объеме и на границах зерен феррита, и частицы силицида железа округлой (сферической) формы, расположенные в объеме зерен феррита. Выявлено, что включения второй фазы, присутствующие в металле сварного шва, являются концентраторами напряжений и могут быть центрами зарождения микротрещин при механическом воздействии на материал.

The structural-phase state and the metal fracture surface of 09G2S steel welds made using new welding materials based on technogenic raw materials of metallurgical production (silica manganese slag and aluminum electrofilter dust) were studied by scanning and transmission electron microscopy methods. The production of welded joints was carried out in laboratory conditions using welding wire of the Sv-08GA brand on the equipment of the scientific and production center "Welding Processes and Technologies" of SibSIU. Quantitative analysis of the parameters of the structure and dislocation substructure of the weld metal was performed, using the equipment of the Institute of High-current Electronics SB RAS (Tomsk). The contributions of scalar and excessive dislocation density to the strength of the weld metal are estimated. It is established that the main metal phase of the studied welds (regardless of the introduction of the additive) is a solid solution based on α-iron (ferrite, BCC crystal lattice, α-phase). In addition to α-iron, particles of iron carbide (cementite) and (mainly in the sample without additives) iron silicide of the composition Fe3S are present in the weld metal. Analyzing electron microscopic images of the structure of the weld metal, it was noticed that the narrowest contours are formed at the interfacial boundaries of the inclusion – matrix. Such inclusions detected by transmission electron microscopy methods may be cementite particles located in the volume and at the boundaries of ferrite grains, and iron silicide particles of rounded (spherical) shape located in the volume of ferrite grains. It is revealed that the inclusions of the second phase present in the weld metal are stress concentrators and can be centers of microcrack nucleation under mechanical action on the material.

сварной шовфлюсшлак силикомарганцаструктурафазовый составповерхность разрушенияweldfluxsilica manganese slagstructurephase compositionfracture surfaceReferencesKozyrev N.A., Mikhno A.R., Usoltsev A.A., Kryukov R.E., Umanskiy A.A. Use of silicomanganese slag and ladle electric steelmaking slag in manufacturing the welding fluxes for surfacing the mining equipment // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2018. Article 012032. https://doi.org/10.1088/1755-1315/206/1/012032Kozyrev N.A., Mikhno A.R., Usoltsev A.A, Kryukov R.E., Umanskiy A.A. Use of silicomanganese slag and ladle electric steelmaking slag in manufacturing the welding fluxes for surfacing the mining equipment. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2018, article 012032. https://doi.org/10.1088/1755-1315/206/1/ 012032Kozyrev N.A., Kryukov R.E., Nepomnyashchikh A.S., Usoltsev A.A., Popova M. V. Development of a new flux-cored wire based on the gas cleaning dust of the silicomanganese // Welding International. 2020. Vol. 34. No. 10-12. P. 455–459. https://doi.org/ 10.1080/09507116.2021.1964862Kozyrev N.A., Kryukov R.E., Nepomnyashchikh A.S., Usoltsev A.A., Popova M. V. Development of a new flux-cored wire based on the gas cleaning dust of the silicomanganese. Welding International. 2020, vol. 34, no. 10-12, pp. 455–459. https://doi.org/ 10.1080/09507116.2021.1964862Liu L., Zhang Z., Song G., Shen Y. Effect of cadmium chloride flux in active flux TIG welding of magnesium alloys // Materials Transactions. 2006. Vol. 47. No. 2. P. 446–449. https://doi.org/10.2320/matertrans.47.446Liu L., Zhang Z., Song G., Shen Y. Effect of cadmium chloride flux in active flux TIG welding of magnesium alloys. Materials Transactions. 2006, vol. 47, no. 2, pp. 446–449. https://doi.org/10.2320/matertrans.47.446Eremin E.N., Losev A.S. Wear resistance increase of pipeline valves by overlaying welding flux-cored wire // Procedia Engineering. 2015. Vol. 113. P. 435–440. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.07.324Eremin E.N., Losev A.S. Wear resistance increase of pipeline valves by overlaying welding flux-cored wire. Procedia Engineering. 2015, vol. 113, pp. 435–440. https://doi.org /10.1016/j.proeng.2015.07.324Kryukov R.E., Kozyrev N.A., Usoltsev A.A., Kozyreva O.E. New welding fluxes based on silicomanganese slag for deposition and welding of canopies and crib bed of mine support // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science: International Scientific and Research Conference on Knowledge-Based Technologies in Development and Utilization of Mineral Resources. 2017. Article 012019. https://doi.org/10.1088/1755-1315/84 /1/012019Kryukov R.E., Kozyrev N.A., Usoltsev A.A., Kozyreva O.E. New welding fluxes based on silicomanganese slag for deposi-tion and welding of canopies and crib bed of mine support. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science: International Scientific and Research Con-ference on Knowledge-Based Technologies in Development and Utilization of Mineral Resources. 2017, article 012019. https://doi.org/10.1088/1755-1315/84/1/ 012019Kryukov N.E., Koval'skii I.N., Kozyrev N.A., Igushev V.F., Kryukov R.E. Arc welding of vertical oil tanks working at low temperatures // Welding International. 2013. Vol. 27. No. 7. P. 534–536. https://doi.org/10.1080/09507116 .2012.715944Kryukov N.E., Koval'skii I.N., Kozyrev N.A., Igushev V.F., Kryukov R.E. Arc welding of vertical oil tanks working at low temperatures. Welding International. 2013, vol. 27, no. 7, pp. 534–536. https://doi.org/10.1080/ 09507116.2012.715944Gromov V.E., Yuriev A.B., Kryukov R.E., Kozyrev N.A., Ivanov Yu.F., Shliarova Yu.A., Semin A.P. Effect of carbon-fluorine additive to flux on the structure, defective substructure and fracture surface of electric arc surfacing of low-carbon wire // Journal of Materials Research and Technology. 2022. Vol. 18. P. 2104–2111. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.03.100Gromov V.E., Yuriev A.B., Kryukov R.E., Kozyrev N.A., Ivanov Yu.F., Shliarova Yu.A., Semin A.P. Effect of carbon-fluorine additive to flux on the structure, defective substructure and fracture surface of electric arc surfacing of low-carbon wire. Journal of Materials Research and Technology. 2022, vol. 18, pp. 2104–2111. https://doi.org/ 10.1016/j.jmrt.2022.03.100Эволюция структуры поверхностного слоя стали, подвергнутой электронно-ионно-плазменным методам обработки / Ю.А. Дени-сова, Ю.Ф. Иванов, О.В. Иванова, И.А. Иконникова, Н.Н. Коваль, О.В. Крысина, Е.А. Петрикова, А.Д. Тересов, В.В. Шугоров. Томск: Изд-во НТЛ, 2016. 303 с.Denisova Yu.A., Ivanov Yu.F., Ivanova O.V., Ikonnikova I.A., Koval' N.N., Krysina O.V., Petrikova E.A., Teresov A.D., Shugorov V.V., Koval' N.N., Ivanov Yu.F. Evolution of the struc-ture of the surface layer of steel subjected to elec-tron-ion-plasma processing methods. Tomsk: Publishing house of NTL, 2016. 303 p. (In Russ.).Osintsev K.A., Gromov V.E., Konovalov S.V., Ivanov Yu.F., Panchenko I.A., Chen X. Effect of pulsed-electron-beam irradiation on the surface structure of a non-equiatomic high-entropy alloy of the Al–Co–Cr–Fe–Ni system // Journal of Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2021. Vol. 15. No. 4. P. 846–850. https://doi.org/10. 1134/S1027451021040340Osintsev K.A., Gromov V.E., Konovalov S.V., Ivanov Yu.F., Panchenko I.A., Chen X. Effect of pulsed-electron-beam irradiation on the surface structure of a non-equiatomic high-entropy alloy of the Al–Co–Cr–Fe–Ni system. Journal of Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2021, vol. 15, no. 4, pp. 846–850. https://doi.org/10.1134/S1027451021040340Иванов Ю.Ф., Тересов А.Д., Петрикова Е.А., Иванова О.В., Романов Д.А. Разработка комплексной методики борирования нержавеющей стали концентрированными потоками энергии. В кн. Взаимодействие излучений с твердым телом. Материалы 13-й Международной конференции, Минск, 30 сентября – 03 октября 2019 г. Минск: Белорусский государственный университет, 2019. С. 251–254.Ivanov Yu.F., Teresov A.D., Petrikova E.A., Ivanova O.V., Romanov D.A. Development of a comprehensive technique for borating stainless steel with concentrated energy flows. In: «The interaction of radiation with a solid». Proceedings of the 13th International Conference, Minsk, September 30 – October 03, 2019. Minsk: Belarusian State University, 2019, pp. 251–254. (In Russ.).Шалаева Е.В. Просвечивающая элек-тронная микроскопия в исследовании фазовых превращений, упорядочения и разупорядочения в неорганических соединениях, сплавах, минералах // Минералы: строение, свойства, методы исследования. 2012. № 4. С. 65.Shalaeva E.V. Transmission electron microscopy in the study of phase transformations, ordering and disordering in inorganic compounds, alloys, minerals. Minerals: structure, properties, research methods. 2012, no. 4, pp. 65. (In Russ.).Rakhadilov B.K., Tabiyeva Y.Y., Uazyrkhanova G.K., Zhurerova L.G., Popova N.A. Effect of electrolyte - plasma surface hardening on structure wheel steel 2 // Bulletin of the Karaganda University. Physics Series. 2020. No. 2 (98). P. 68–74. https://doi.org/ 10.31489/2020Ph2/68-74Rakhadilov B.K., Tabiyeva Y.Y., Uazyrkhanova G.K., Zhurerova L.G., Popova N.A. Effect of elec-trolyte - plasma surface hardening on structure wheel steel 2. Bulletin of the Karaganda University. Physics Series. 2020, no. 2 (98), pp. 68–74. https://doi.org/ 10.31489/2020Ph2/68-74Tabieva E., Zhurerova L.G., Baizhan D. Influence of electrolyte-plasma hardening technological parameters on the structure and properties of banding steel 2 // Key Engineering Materials. 2020. Vol. 839. P. 57–62.Tabieva E., Zhurerova L.G., Baizhan D. Influence of electrolyte-plasma hardening technological parameters on the structure and properties of banding steel 2. Key Engineering Materials. 2020, vol. 839, pp. 57–62.Ищенко А.А., Тарасов Ю.И., Рябов Е.А., Асеев С.А., Шефер Л. Сверхбыстрая просвечивающая электронная микроскопия // Тонкие химические технологии. 2017. № 12 (1). С. 5–25. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2017-12-1-5-25Ishchenko A.A., Tarasov Yu.I., Ryabov E.A., Aseev S.A., Shefer L. Ultrafast transmission electron microscopy. Fine chemical technologies. 2017, no. 12 (1), pp. 5–25. (In Russ.). https://doi.org/10.32362/2410-6593-2017-12-1-5-25Смирнов А.Н., Кречетов А.А., Глинка А.С. Структурно-фазовое состояние стали 35ХГС после механотермической обработки // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2010. № 6 (82). С. 47–51.Smirnov A.N., Krechetov A.A., Glinka A.S. Structural-phase state of 35KHGS steel after mechanothermal treatment. Bulletin of the Kuzbass State Technical University. 2010, no. 6 (82), pp. 47–51. (In Russ.).Пимонов М.В., Романов Д.А., Чен X.-Z. Структура поверхностного слоя стали 40Х после финишных этапов механической обработки резанием // Физика и химия обработки материалов. 2020. № 4. С. 17–30. https://doi.org/10.30791/0015-3214-2020-4-17-30Pimonov M.V., Romanov D.A., Chen X.-Z. The structure of the surface layer of 40X steel after the finishing stages of mechanical processing by cut-ting. Physics and chemistry of materials processing. 2020, no. 4, pp. 17–30. (In Russ.). https://doi.org/10.30791/0015-3214-2020-4-17-30Belonogov E.K., Kushev S.B., Soldatenko S.A., Turaeva T.L. Morphology and structure characteristics of nanoscale carbon materials containing graphene // Journal of Advanced Materials and Technologies. 2021. Vol. 6. No. 4. P. 247–255. https://doi.org/10.17277/ jamt.2021.04.pp.247-255Belonogov E.K., Kushev S.B., Soldatenko S.A., Turaeva T.L. Morphology and structure character-istics of nanoscale carbon materials containing gra-phene. Journal of Advanced Materials and Technologies. 2021, vol. 6, no. 4, pp. 247–255. https://doi.org/10.17277 /jamt.2021.04.pp.247-255Структурно-фазовые состояния и механизмы упрочнения деформированной стали / Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов, Н.А. Попова и др. Но-вокузнецк: ООО Полиграфист, 2016. 510 с.Ivanov Yu.F., Gromov V.E., Popova N.A. et al. Structural-phase states and mechanisms of hardening of deformed steel. Novokuznetsk: OOO Polygraphist, 2016, 510 p. (In Russ.).Конева Н.А., Киселева С.Ф., Попова Н.А. Эволюция структуры и внутренние поля напряжений. Saarbrucken: LAP Lambert Academic Publishing RU, 2017. 148 с.Koneva N.A., Kiseleva S.F., Popova N.A. Evolution of the structure and internal stress fields. Saarbrucken: LAP Lambert Academic Publishing RU, 2017, 148 p. (In Russ.).Абабков Н.В., Смирнов А.Н., Попова Н.А., Конева Н.А., Никоненко Е.Л. Исследование структуры и свойств металла разрушенного и не разрушенного паропроводов из стали 20 после одинакового срока эксплуатации // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2018. Т. 15. № 2. С. 176–181. https://doi.org/10.25712/ASTU. 1811-1416.2018.02.002Ababkov N.V., Smirnov A.N., Popova N.A., Koneva N.A., Nikonenko E.L. Investigation of the structure and properties of the metal of destroyed and undisturbed steam pipes made of steel 20 after the same service life. Fundamental problems of modern materials science. 2018, vol. 15, no. 2, pp. 176–181.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.