Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University106010.18323/2782-4039-2025-2-72-6ArticlesСтатьиResearch ArticleInterrelation between the microstructure and impact toughness of the interface of welded joints of 32HGMA and 40HN2MA steels produced by rotary friction weldingВзаимосвязь микроструктуры и ударной вязкости зоны сопряжения сварных соединений сталей 32ХГМА и 40ХН2МА, полученных ротационной сваркой трениемhttps://orcid.org/0000-0002-4571-2410PriymakElena Yu.ПриймакЕлена Юрьевна
Russian Federation

PhD (Engineering), Associate Professor, Head of the Laboratory of Metal Science and Heat Treatment, Director of Research and Educational Center of New Materials and Advanced Technologies

кандидат технических наук, доцент, заведующий лабораторией металловедения и термической обработки, директор научно-образовательного центра новых материалов и перспективных технологий

e.prijmak@zbo.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3727-8738AtamashkinArtem S.АтамашкинАртём Сергеевич
Russian Federation

PhD (Engineering), senior researcher of Research and Educational Center of New Materials and Advanced Technologies

кандидат технических наук, старший научный сотрудник научно-образовательного центра новых материалов и перспективных технологий

atamashkin2017@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8918-3066YakovlevaIrina L.ЯковлеваИрина Леонидовна
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering), chief researcher of the Laboratory of Physical Metallurgy

доктор технических наук, главный научный сотрудник лаборатории физического металловедения

labmet@imp.uran.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2971-7908FotAndrey P.ФотАндрей Петрович
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering), Professor, Chief Scientific Secretary – Head of Department of Dissertation Councils

доктор технических наук, профессор, главный ученый секретарь – начальник отдела диссертационных советов

andreas.voht@mail.ruZBO Drill Industries, Inc.АО «Завод бурового оборудования»Orenburg State UniversityОренбургский государственный университетM.N. Mikheev Institute of Metal Physics of the Ural Branch of RASИнститут физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН300620252738530062025Copyright ©; 2025, Priymak E.Y., Atamashkin A.S., Yakovleva I.L., Fot A.P.Copyright ©; 2025, Приймак Е.Ю., Атамашкин А.С., Яковлева И.Л., Фот А.П.2025Priymak E.Y., Atamashkin A.S., Yakovleva I.L., Fot A.P.Приймак Е.Ю., Атамашкин А.С., Яковлева И.Л., Фот А.П.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/1060

This paper covers the assessment of the influence of the morphological features of the microstructure of medium-carbon alloyed steels, formed at different forces in the process of rotary friction welding (RFW), on the impact toughness of their interface. The paper presents the results of an experimental study of a joint produced by welding tubular billets of 32HGMA and 40HN2MA steels with an outer diameter of 73 mm and a wall thickness of 9 mm with a change in force at the stage of friction (heating) of the billets. The studies of the microstructure, microhardness and impact toughness on samples with a V-notch of welded joints were carried out in the initial state after welding and after tempering at a temperature of 550 °C. Macro- and microfractographic analysis of the destroyed samples was carried out. The study shows that the friction force affects the kinetics of phase transformations, phase composition and microstructure homogeneity in the steel junction zone. With a decrease in this parameter of rotational friction welding, the microstructure heterogeneity associated with the occurrence of upper bainite areas with uneven precipitation of large carbide particles increases, which has a negative effect on the viscosity of the steel interface both in the initial state and after tempering; the fracture mechanism is quasi-cleavage. At higher values of the friction force, the density of high-angle boundaries and the dispersion of the bainite microstructure increase, which ensures higher viscosity and energy capacity of destruction with the formation of a pitted microrelief. The obtained results open up space for regulating the visco-plastic properties of welded joints even at the welding stage without subsequent recrystallisation of the weld zone.

Настоящая работа посвящена оценке влияния морфологических особенностей микроструктуры среднеуглеродистых легированных сталей, сформированной при различном усилии в процессе ротационной сварки трением (РСТ), на ударную вязкость их зоны сопряжения. Приведены результаты экспериментального исследования соединения, полученного при сварке трубных заготовок из сталей 32ХГМА и 40ХН2МА с внешним диаметром 73 мм и толщиной стенки 9 мм при изменении силы на этапе трения (разогрева) заготовок. Исследования микроструктуры, микротвердости и ударной вязкости на образцах с V-образным надрезом сварных соединений были проведены в исходном состоянии после сварки и после отпуска при температуре 550 °С. Проведен макро- и микрофрактографический анализ разрушенных образцов. Показано, что сила при трении оказывает влияние на кинетику фазовых превращений, фазовый состав и однородность микроструктуры в зоне сопряжения сталей. С уменьшением данного параметра РСТ возрастает неоднородность микроструктуры, связанная с возникновением участков верхнего бейнита с неравномерными выделениями крупных карбидных частиц, что оказывает негативное влияние на вязкость зоны сопряжения сталей как в исходном состоянии, так и после отпуска; механизм разрушения – квазискол. При более высоких значениях силы при трении повышается плотность большеугловых границ и дисперсность микроструктуры бейнита, что обеспечивает более высокую вязкость и энергоемкость разрушения с формированием ямочного микрорельефа. Полученные результаты открывают возможности регулирования вязкопластических свойств сварных соединений уже на этапе сварки без последующей перекристаллизации зоны сварного шва.

rotary friction weldingmedium-carbon alloyed steelswelded joint interfacemartensitebainiteimpact toughnessротационная сварка трениемсреднеуглеродистые легированные стализона сопряжения сварных соединениймартенситбейнитударная вязкостьThe study was supported by the grant of the Russian Science Foundation No. 23-79-01311, https://rscf.ru/project/23-79-01311/. Electron microscope investigations using the electron backscatter diffraction method were carried out at the Center for Collective Use “Testing Center for Nanotechnologies of Advanced Materials” of the Institute of Metal Physics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences. Studies using the Tescan Mira 3 scanning electron microscope were carried out at the Center for Collective Use of the Center for Identification and Support of Gifted Children “Gagarin” (Orenburg Region).Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-79-01311, https://rscf.ru/project/23-79-01311/. Электронно-микроскопические исследования с применением метода дифракции обратно рассеянных электронов выполнены в ИФМ УрО РАН в Центре коллективного пользования «Испытательный центр нанотехнологий перспективных материалов». Исследования с использованием сканирующего электронного микроскопа Tescan Mira 3 проводились в Центре коллективного пользования Центра выявления и поддержки одаренных детей «Гагарин» (Оренбургская область).Ovchinnikov D.V., Sofrygina O.A., Zhukova S.Y., Pyshmintsev I.Y., Bityukov S.M. Influence of microalloying with boron on the structure and properties of high-strength oil pipe. Steel in Translation, 2011, vol. 41, no. 4, pp. 356–360. DOI: 10.3103/S0967091211040188.Ovchinnikov D.V., Sofrygina O.A., Zhukova S.Y., Pyshmintsev I.Y., Bityukov S.M. Influence of microalloying with boron on the structure and properties of high-strength oil pipe // Steel in Translation. 2011. Vol. 41. № 4. P. 356–360. DOI: 10.3103/S0967091211040188.Sofrygina O.A., Zhukova S.Y., Bityukov S.M., Pyshmintsev I.Y. Economical steels for the manufacture of high-strength oil pipe (according to the API Spec5CT standard). Steel in Translation, 2010, vol. 40, no. 7, pp. 616–621. DOI: 10.3103/S0967091210070041.Sofrygina O.A., Zhukova S.Y., Bityukov S.M., Pyshmintsev I.Y. Economical steels for the manufacture of high-strength oil pipe (according to the API Spec5CT standard) // Steel in Translation. 2010. Vol. 40. № 7. P. 616–621. DOI: 10.3103/S0967091210070041.Zaselskiy E.M., Tikhontseva N.T., Savchenko I.P., Sofrygina O.A. Development and implementation of materials in the production of high-strength drill pipes with special properties. Problemy chernoy metallurgii i materialovedeniya, 2021, no. 2, pp. 37–40. EDN: XBMMOL.Засельский Е.М., Тихонцева Н.Т., Савченко И.П., Софрыгина О.А. Разработка и освоение материалов в производстве высокопрочных бурильных труб со специальными свойствами // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2021. № 2. С. 37–40. EDN: XBMMOL.Still J.R. Welding of AISI 4130 and 4140 steels for drilling systems. Welding Journal, 1997, vol. 76, no. 6, pp. 37–42.Still J.R. Welding of AISI 4130 and 4140 steels for drilling systems // Welding Journal. 1997. Vol. 76. № 6. P. 37–42.Khadeer Sk.A., Babu P.R., Kumar B.R., Kumar A.S. Evaluation of friction welded dissimilar pipe joints between AISI 4140 and ASTM A 106 Grade B steels used in deep exploration drilling. Journal of Manufacturing Processes, 2020, vol. 56, part A, pp. 197–205. DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.04.078.Khadeer Sk.A., Babu P.R., Kumar B.R., Kumar A.S. Evaluation of friction welded dissimilar pipe joints between AISI 4140 and ASTM A 106 Grade B steels used in deep exploration drilling // Journal of Manufacturing Processes. 2020. Vol. 56. Part A. P. 197–205. DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.04.078.Maalekian M. Friction Welding-Critical Assessment of Literature. Science and Technology of Welding and Joining, 2007, no. 12, pp. 738–759. DOI: 10.1179/174329307X249333.Maalekian M. Friction Welding-Critical Assessment of Literature // Science and Technology of Welding and Joining. 2007. № 12. P. 738–759. DOI: 10.1179/174329307X249333.Vill V.I. Svarka metallov treniem [Friction welding of metals]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1970. 176 p.Вилль В.И. Сварка металлов трением. М.: Машиностроение, 1970. 176 с.Li Wenya, Vairis A., Preuss M., Ma Tiejun. Linear and Rotary Friction Welding Review. International Materials Reviews, 2016, no. 61, pp. 71–100. DOI: 10.1080/09506608.2015.1109214.Li Wenya, Vairis A., Preuss M., Ma Tiejun. Linear and Rotary Friction Welding Review // International Materials Reviews. 2016. № 61. P. 71–100. DOI: 10.1080/09506608.2015.1109214.Banerjee A., Ntovas M., Da Silva L., Rahimi S., Wynne B. Inter relationship between microstructure evolution and mechanical properties in inertia friction welded 8630 low-alloy steel. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2021, vol. 21, article number 149. DOI: 10.1007/s43452-021-00300-9.Banerjee A., Ntovas M., Da Silva L., Rahimi S., Wynne B. Inter relationship between microstructure evolution and mechanical properties in inertia friction welded 8630 low-alloy steel // Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2021. Vol. 21. Article number 149. DOI: 10.1007/s43452-021-00300-9.Kumar A.S., Khadeer Sk.A., Rajinikanth V., Pahari S., Kumar B.R. Evaluation of bond interface characteristics of rotary friction welded carbon steel to low alloy steel pipe joints. Materials Science & Engineering A, 2021, vol. 824, article number 141844. DOI: 10.1016/j.msea.2021.141844.Kumar A.S., Khadeer Sk.A., Rajinikanth V., Pahari S., Kumar B.R. Evaluation of bond interface characteristics of rotary friction welded carbon steel to low alloy steel pipe joints // Materials Science & Engineering A. 2021. Vol. 824. Article number 141844. DOI: 10.1016/j.msea.2021.141844.Shete N., Deokar S.U. A Review Paper on Rotary Friction Welding. International Conference on Ideas, Impact and Innovation in Mechanical Engineering, 2017, vol. 5, no. 6, pp. 1557–1560.Shete N., Deokar S.U. A Review Paper on Rotary Friction Welding // International Conference on Ideas, Impact and Innovation in Mechanical Engineering. 2017. Vol. 5. № 6. P. 1557–1560.Cai Wayne, Daehn G., Vivek A., Li Jingjing, Khan H., Mishra R.S., Komarasamy M. A State of the Art Review on Solid-State Metal Joining. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2019, vol. 141, no. 3, article number 031012. DOI: 10.1115/1.4041182.Cai Wayne, Daehn G., Vivek A., Li Jingjing, Khan H., Mishra R.S., Komarasamy M. A State of the Art Review on Solid-State Metal Joining // Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2019. Vol. 141. № 3. Article number 031012. DOI: 10.1115/1.4041182.Emre H.E., Kaçar R. Effect of Post Weld Heat Treatment Process on Microstructure and Mechanical Properties of Friction Welded Dissimilar Drill Pipe. Materials Research, 2015, vol. 18, no. 3, pp. 503–508. DOI: 10.1590/1516-1439.308114.Emre H.E., Kaçar R. Effect of Post Weld Heat Treatment Process on Microstructure and Mechanical Properties of Friction Welded Dissimilar Drill Pipe // Materials Research. 2015. Vol. 18. № 3. P. 503–508. DOI: 10.1590/1516-1439.308114.Kaletin A.Y., Kaletina Y.V., Ryzhkov A.G. Enhancement of impact toughness of structural steels upon formation of carbide-free bainite. Physics of Metals and Metallography, 2015, vol. 116, no. 1, pp. 109–114. DOI: 10.1134/S0031918X15010068.Калетин А.Ю., Рыжков А.Г., Калетина Ю.В. Повышение ударной вязкости конструкционных сталей при образовании бескарбидного бейнита // Физика металлов и металловедение. 2015. Т. 116. № 1. С. 114–120. DOI: 10.7868/S0015323015010064.Maisuradze M.V., Kuklina A.A., Nazarova V.V., Ryzhkov M.A., Antakov E.V. Microstructure and mechanical property formation of heat treated low-carbon chromium-nickel-molybdenum steels. Metallurgist, 2024, vol. 68, no. 3, pp. 322–335. DOI: 10.1007/s11015-024-01732-3.Майсурадзе М.В., Куклина А.А., Назарова В.В., Рыжков М.А., Антаков Е.В. Формирование микроструктуры и механических свойств при термической обработке низкоуглеродистых хромоникельмолибденовых сталей // Металлург. 2024. № 3. С. 21–30. DOI: 10.52351/00260827_2024_3_21.Panin V.E., Shulepov I.A., Derevyagina L.S., Panin S.V., Gordienko A.I., Vlasov I.V. Nanoscale mesoscopic structural states in low-alloy steels for martensitic phase formation and low-temperature toughness enhancement. Physical mesomechanics, 2020, vol. 23, no. 5, pp. 376–383. DOI: 10.1134/S1029959920050021.Панин В.Е., Шулепов И.А., Деревягина Л.С., Панин С.В., Гордиенко А.И., Власов И.В. Создание наномасштабных мезоскопических структурных состояний для образования мартенситных фаз в низколегированной стали с целью получения высокой низкотемпературной ударной вязкости // Физическая мезомеханика. 2019. Т. 22. № 6. С. 5–13. EDN: ZGEIOJ.Celik S., Ersozlu I. Investigation of the mechanical properties and microstructure of friction welded joints between AISI 4140 and AISI 1050 steels. Materials and Design, 2009, vol. 30, no. 4, pp. 970–976. DOI: 10.1016/j.matdes.2008.06.070.Celik S., Ersozlu I. Investigation of the mechanical properties and microstructure of friction welded joints between AISI 4140 and AISI 1050 steels // Materials and Design. 2009. Vol. 30. № 4. P. 970–976. DOI: 10.1016/j.matdes.2008.06.070.Nan Xujing, Xiong Jiangtao, Jin Feng, Li Xun, Liao Zhongxiang, Zhang Fusheng, Li Jinglong. Modeling of rotary friction welding process based on maximum entropy production principle. Journal of Manufacturing Processes, 2019, vol. 37, pp. 21–27. DOI: 10.1016/j.jmapro.2018.11.016.Nan Xujing, Xiong Jiangtao, Jin Feng, Li Xun, Liao Zhongxiang, Zhang Fusheng, Li Jinglong. Modeling of rotary friction welding process based on maximum entropy production principle // Journal of Manufacturing Processes. 2019. Vol. 37. P. 21–27. DOI: 10.1016/j.jmapro.2018.11.016.Geng Peihao, Qin Guoliang, Zhou Jun. Numerical and experimental investigation on friction welding of austenite stainless steel and middle carbon steel. Journal of Manufacturing Processes, 2019, vol. 47, pp. 83–97. DOI: 10.1016/j.jmapro.2019.09.016.Geng Peihao, Qin Guoliang, Zhou Jun. Numerical and experimental investigation on friction welding of austenite stainless steel and middle carbon steel // Journal of Manufacturing Processes. 2019. Vol. 47. P. 83–97. DOI: 10.1016/j.jmapro.2019.09.016.Kaletin A.Yu., Schastlivtsev V.M., Kareva N.T., Smirnov M.A. Embrittlement of structural steel with bainitic structure during tempering. Fizika metallov i metallovedenie, 1983, vol. 56, no. 2, pp. 366–371. EDN: TBDJOQ.Калетин А.Ю., Счастливцев В.М., Карева Н.Т., Смирнов М.А. Охрупчивание конструкционной стали с бейнитной структурой при отпуске // Физика металлов и металловедение. 1983. Т. 56. № 2. С. 366–371. EDN: TBDJOQ.Zikeev V.N., Chevskaya O.N., Mishet’yan A.R., Filippov V.G., Korostelev A.B. Effect of high strength structural steel structural state on fracture resistance. Metallurgist, 2021, vol. 65, no. 3-4, pp. 375–388. DOI: 10.1007/s11015-021-01167-0.Зикеев В.Н., Чевская О.Н., Мишетьян А.Р., Филиппов В.Г., Коростелев А.Б. Влияние структурного состояния конструкционных высокопрочных сталей на сопротивление разрушению // Металлург. 2021. № 4. С. 15–25. DOI: 10.52351/00260827_2021_04_15.Kaletin A.Yu., Kaletina Yu.V., Simonov Yu.N. Retained austenite and impact strength of structural steels with carbide-free bainite. Bulletin of PNRPU. Mechanical engineering, materials science, 2022, vol. 24, no. 4, pp. 49–55. EDN: UZSBWG.Калетин А.Ю., Калетина Ю.В., Симонов Ю.Н. Остаточный аустенит и ударная вязкость конструкционных сталей с бескарбидным бейнитом // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2022. Т. 24. № 4. С. 49–55. EDN: UZSBWG.