Аннотация результатов, полученных в 2025 году
На втором этапе проекта в 2024-2025 гг. были уточнены значения остаточных напряжений в сварных соединениях сталей 32ХГМА-40ХН2МА, полученные по результатам исследований в предыдущем периоде, и установлено, что профили остаточных напряжений имеют симметричный характер относительно зоны сопряжения сталей. Полученные результаты в совокупности с результатами исследований усталостной прочности данного сочетания сталей были обобщены в статье ”Fatigue behavior of welded joints of high-strength drill pipes obtained by rotary friction welding”, представленной в журнал «Journal of Materials Engineering and Performance» (Q2). В соответствии с заявленным планом выполнены следующие исследования и получены результаты: 1. Произведена ротационная сварка трением образцов трубных заготовок из сталей 38Г2СФ (после нормализации) и 40ХН2МА (после закалки и отпуска) внешним диаметром 93 мм и толщиной стенки 10 мм по 4-м режимам при изменении силовых параметров сварки в диапазоне от 130 до 200 кН для силы при трении, от 310 до 390 кН для силы проковки при постоянных значениях частоты вращения при трении 450 об/мин. и осадки при трении 7 мм. Далее из трубных заготовок со сварным соединением с помощью электроэрозионного станка были изготовлены образцы для металлографических исследований, механических испытаний и определения остаточных напряжений. 2. Подробно исследована микроструктура сварных соединений с помощью световой микроскопии. В отличие от сочетания сталей 32ХГМА-40ХН2МА граница сопряжения между сталями 38Г2СФ и 40ХН2МА прослеживается более четко. С увеличением силы при нагреве и силы проковки происходит сокращение протяженности ЗТМВ и ЗТВ. После реализации режима с минимальными силовыми параметрами сварки микроструктура вблизи зоны соединения сталей отличается в меньшей степени. С увеличением силы при трении и силы проковки в стали 40ХН2МА вблизи зоны сопряжения преобладает мартенситная составляющая микроструктуры и значения микротвердости в ЗТМВ повышаются. 3. Характер распределения остаточных напряжений при различных значениях силы трения идентичен, как и в случае сталей 32ХГМА-40ХН2МА. Аналогично сила при трении влияет на величину остаточных напряжений в зоне сопряжения сварных швов. Наибольший пик остаточных напряжений наблюдается при малой силе при тренияи 130 кН и составляет +198 МПа. При силе при трении 200 кН пик остаточных напряжений достигает +40 МПа. Значения максимальных сжимающих напряжений в обеих сталях имеют близкие значения и находятся в диапазоне от -315 до -321 МПа независимо от силы трения. 4. Установлено, что сварные соединения имеют более высокие значения предела текучести и временного сопротивления по сравнению с базовой сталью 38Г2СФ при снижении относительного удлинения, рассчитанного относительно длины рабочей части стали 38Г2СФ. После реализации режима с максимальными силовыми параметрами предел текучести сварного соединения повышается до 25%. Разрушение сварных соединений при растяжении независимо от параметров сварки происходит в зоне основного металла стали 38Г2СФ. 6. Испытания на усталостную прочность проводились по аналогичной методике при амплитуде цикла напряжений σа ±490 МПа (3 шт) и σа ±500 МПа (3 шт). Согласно полученным результатам, наработка всех образцов при амплитуде напряжений 500 МПа находилась в диапазоне от 1 256 000 до 4 552 600, при амплитуде 490 МПа наработка до разрушения составила от 190 200 до 670 000. Параметры сварки существенного влияния на среднее количество циклов до разрушения не оказали. Характерным является место зарождения и развития усталостной трещины – во всех случаях в зоне базовой стали 38Г2СФ. Таким образом, важным является вывод, что структурные изменения и остаточные напряжения в зоне сварочного воздействия не спровоцировали разрушения в данной зоне. Наиболее слабым местом в образце со сварным соединением явилась зона базовой стали 38Г2СФ. 7. Проведена серия испытаний на усталость для сварного соединения и цельных образцов из исходной стали 38Г2СФ с построением кривых Вёлера. Установлено, что предел выносливости в обоих случаях заключен в диапазоне 475-480 МПа. При этом уровень циклической долговечности сварных образцов при различных значениях амплитуды цикла напряжений несколько выше, чем у цельных образцов из базового металла 38Г2СФ, что также наблюдалось для пары 32ХГМА-40ХН2МА. 8. Установлено влияние послесварочного отпуска при температуре 600 ºС (1 час) на изменение микроструктуры, механические свойства и остаточные напряжения в сварном соединении. В результате отпуска происходит релаксация напряжений, повышение относительного удлинения без потери механической прочности при растяжении и предела выносливости. 9. В результате нормализации сварного соединения при температуре 900 ºС предел текучести снизился порядка на 8,7 %, однако возросла пластичность и повысилось сопротивление усталостным нагрузкам. 10. С точки зрения получения оптимальных механических свойств сварных соединений из сталей 38Г2СФ и 40ХН2МА, а именно более высокого предела текучести и деформационной способности при растяжении, а также равнопрочности при усталостном нагружении по сравнению с наименее прочной базовой сталью 38Г2СФ оптимальными режимами сварки трубных заготовок внешним диаметров 93 мм и толщиной стенки 10 мм следует считать: сила при трении 200 кН, сила проковки 390 кН при частоте вращения при трении 600 об/мин и осадки при нагреве 7 мм с последующим отпуском при 600 ºС. 11. В результате проведенных исследований по итогам реализации проекта установлено, что усталостная прочность сварных соединений сталей 32ХГМА-40ХН2МА и 38Г2СФ-40ХН2МА независимо от исходного состояния сталей не является чувствительной к изменениям параметров сварки, а предел выносливости образцов сварных соединений равен пределу выносливости наименее прочных их сопрягаемых сталей как в исходном состоянии, так и после отпуска. В случае соединения сталей 32Г2-40ХН2МА усталостная прочность зависит от параметров сварки и уступает наименее прочной базовой стали 32Г2 до 15 % по пределу выносливости, что связано с процессами разупрочнения микроструктуры в периферийных участках ЗТМВ стали 32Г2; послесварочный отпуск в данном сочетании оказывает негативное влияние, интенсифицируя процессы разупрочнения микроструктуры в уязвимых областях стали 32Г2. 12. По результатам проведенных исследований по проекту опубликована 1 статья в журнале International Journal on Interactive Design and Manufacturing (Scopus, Q2), приняты к публикации 1 статья в журнал «Frontier Materials & Technologies» (Scopus, Q4), дата выхода 06.2025 г.), 1 статья в журнал «Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова» (RSCI, ядро РИНЦ), на рецензировании 1 статья в журнале «Journal of Materials Engineering and Performance» (Scopus, Q2); сделаны 2 устных доклада на профильных международных конференциях