Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University8810.18323/2073-5073-2018-1-43-51Technical SciencesТехнические наукиTHE STUDY OF FRACTURE TOUGHNESS OF HEAT-AFFECTED ZONE OF WELDED JOINTS OF STEELS APPLIED FOR ARCTIC STRUCTURESИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ЗОНЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ СТАЛЕЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ АРКТИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙMarkadeevaA. Yu.МаркадееваА. Ю.
Russian Federation

postgraduate student, engineer

аспирант, инженер

npk3@crism.ruIlyinA. V.ИльинА. В.
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering), associate professor, Deputy Director

доктор технических наук, доцент, заместитель генерального директора

npk3@crism.ruGusevM. A.ГусевМ. А.
Russian Federation

principal engineer

ведущий инженер

npk3@crism.ruI.V. Gorynin Central Research Institute of Structural Materials Prometey of National Research Center Kurchatov InstituteЦентральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов Прометей имени И.В. Горынина, Национальный исследовательский центр Курчатовский институт30032018143511003202110032021https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/88

The tests to estimate the CTOD (crack tip opening displacement) fracture toughness parameter for the metal of heat-affected zone (HAZ) of welded joints at the minimum operating temperatures (−30...−50 °С) are the mandatory element of the Programs of tests conducted under the supervision of the Russian Maritime Register of Shipping (RМRS) to get the approval for the metallurgical production of heavy gauge rolled steel intended for manufacturing the Arctic shelf marine facilities and ice-going vessels. 

The paper studies fracture toughness of heat-affected zones of welded joints of high-resistance shipbuilding steels applied when producing arctic structures. Current experience of such testing revealed a number of both the procedural and criterial issues. In particular, it is practically impossible to carry out HAZ tests without partial penetration of the fatigue crack front to the weld with the low fracture toughness due to the curvature of weld joint fusion line. The statistically representative volume of data on the fracture toughness of welded joints of high-resistance shipbuilding steels was collected.

The authors carried out the metallographic analysis of samples, which detected the actual penetration of the initial fatigue crack tip to the welded joint zone. Based on the data obtained, the authors carried out the analysis of the significance of some factors influencing the result obtained and the predictability of actual fracture toughness of local embrittled zones.

The algorithm of indirect evaluation of “actual” fracture toughness of the coarse grain HAZ metal based on the testing results of specimens made of weld metal, base metal and the statistically representative number of specimens notched along the HAZ is proposed in this paper. It is determined that the “actual” fracture toughness of HAZ is sufficiently lower than the one obtained when testing according to the standard methods.

Испытания на определение параметра трещиностойкости CTOD (раскрытие вершины трещины) металла зоны термического влияния (ЗТВ) сварных соединений при минимальных температурах эксплуатации (−30...−50 °С) являются обязательным элементом Программ испытаний, проводимых под надзором Российского морского регистра судоходства (РМРС) для получения одобрения металлургического производства листового проката в больших толщинах, предназначенного для изготовления морской техники Арктического шельфа и судов ледового плавания.

В работе проведено исследование трещиностойкости зоны термического влияния сварных соединений высокопрочных судостроительных сталей, применяемых при производстве арктических конструкций. Накопленный опыт проведения данного вида испытаний выявил ряд проблем как методического, так и критериального характера.

В частности, из-за криволинейности линии сплавления сварного соединения практически невозможно проведение испытаний ЗТВ без частичного попадания фронта усталостной трещины в шов, обладающий низкой трещиностойкостью. Получен статистически представительный объем данных по трещиностойкости сварных соединений высокопрочных судостроительных сталей. Проведен металлографический анализ образцов с фиксацией фактического попадания вершины исходной усталостной трещины в зоны сварного соединения. На основе полученных данных проведен анализ значимости отдельных факторов, влияющих на получаемый результат, и возможности прогнозирования действительной трещиностойкости локальных охрупченных зон.

Предложен алгоритм получения косвенной оценки «действительной» трещиностойкости металла крупнозернистой зоны термического влияния на основе результатов испытаний образцов из металла шва, основного металла и статистически представительного количества образцов с разметкой надреза по ЗТВ. Выявлено, что «действительная» трещиностойкость ЗТВ оказывается существенно ниже получаемой при испытаниях по стандартным методикам.

fracture toughnessarctic steelswelded jointsheat-affected zonecrack tip opening displacement (CTOD)Статья подготовлена по материалам докладов участников VIII Международной школы «Физическое материаловедение» с элементами научной школы для молодежи, Тольятти, 3–12 сентября 2017 г.Ilyin A.V., Leonov V.P., Filin V.Yu. Evaluation of CTOD fracture toughness parameter of welded joints of shipbuilding steel at low climatic temperatures. Nauchnotekhnicheskiy sbornik Rossiyskogo morskogo registra sudokhodstva, 2009, no. 32, pp. 120–146.Ильин А.В., Леонов В.П., Филин В.Ю. Определение параметра трещиностойкости CTOD для металла сварных соединений судокорпусных сталей при низких климатических температурах // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства. 2009. № 32. С. 120–146.Vinogradov O.P., Ilyin A.V., Filin V.Yu. Scientific and methodical problems of fracture toughness certification for the welded joint structurally heterogeneous metal. Voprosy materialovedeniya, 2004, no. 1, pp. 75–89.-Виноградов О.П., Ильин А.В., Филин В.Ю. Научно-методические вопросы аттестационных испытаний на трещиностойкость структурно-неоднородного металла сварных соединений // Вопросы материаловедения. 2004. № 1. С. 75–89.Evenko V.I., Bashaev V.K., Ilyin A.V., Leonov V.P., Filin V.Yu. Problems of certification and design condi-tions of requirements to welded joints of high-strength steel structures for work on a shelf of Arctic regions. Voprosy materialovedeniya, 2009, no. 3, pp. 242–262.Евенко В.И., Башаев В.К., Ильин А.В., Леонов В.П., Филин В.Ю. Проблемы аттестации и расчетного обоснования требований к сварным соединениям высокопрочных стальных конструкций для работы на шельфе Арктики // Вопросы материаловедения. 2009. № 3. С. 242–262.Minami F., Toyoda M., Thaulow C., Hauge M. Effect of strength mismatch on fracture mechanical behavior of HAZ-notched weld joint. Quarterly journal of Japan welding society, 1995, vol. 13, no. 4, pp. 508–517.Minami F., Toyoda M., Thaulow C., Hauge M. Effect of strength mis-match on fracture mechanical behavior of HAZ-notched weld joint // Quarterly journal of Japan welding society. 1995. Vol. 13. № 4. P. 508–517.Zerbst U., Ainsworth R.A., Beier H.Th., Pisarski H., Zhang Z.L., Nikbin K., Nitschke-Pagel T., Münstermann S., Kucharczyk P., Klingbeil D. Review on fracture and crack propagation in weldments – A fracture mechanics perspective. Engineering Fracture Mechanics, 2014, vol. 132, pp. 200–276.Zerbst U., Ainsworth R.A., Beier H.Th., Pisarski H., Zhang Z.L., Nikbin K., Nitschke-Pagel T., Münstermann S., Kucharczyk P., Klingbeil D. Review on fracture and crack propagation in weldments – A fracture mechanics perspective // Engineering Fracture Mechanics. 2014. Vol. 132. P. 200–276.Thaulow C., Paauw A.J., Guttormsen K. The heat af-fected zone toughness of low-carbon microalloyed steels. Welding journal, 1987, vol. 66, no. 9, pp. S266– S279.Thaulow C., Paauw A.J., Guttormsen K. The heat af-fected zone toughness of low-carbon microalloyed steels // Welding journal. 1987. Vol. 66. № 9. P. S266– S279.Fairchild D.P., Bangaru N.V., Koo J.Y., Harrison P.L., Ozekcin A. A study concerning intercritical HAZ micro-structure and toughness in HSLA steel. Welding journal, 1991, vol. 70, no. 12, pp. S321–S329.Fairchild D.P., Bangaru N.V., Koo J.Y., Harrison P.L., Ozekcin A. A study concerning intercritical HAZ micro-structure and toughness in HSLA steel // Welding journal. 1991. Vol. 70. № 12. P. S321–S329.Kruglova A.A., Khlusova E.I. Research of structure and properties of metal of zone of thermal influence of welded joints from 09Г2ФБ (Е36) steel grade, made with using of thermomechanical processing and quench-ing with tempering. Voprosy materialovedeniya, 2008, no. 3, pp. 5–11.Круглова А.А., Хлусова Е.И. Исследование структуры и свойств металла зоны термического влияния сварных соединений из стали марки 09Г2ФБ (E36), изготовленных с использованием термомеханической обработки и закалки с отпуском // Вопросы материаловедения. 2008. № 3. С. 5–11.Ardentov V.V., Malyshevsky V.A., Pravdina N.N. Mi-crostructure and properties of heat affect zone of highstrength structure steel. Fizika i khimiya obrabotki materialov, 1985, no. 5, pp. 119–125.Ардентов В.В., Малышевский В.А., Правдина Н.Н. Структура и свойства зоны термического влияния высокопрочной конструкционной стали // Физика и химия обработки материалов. 1985. № 5. С. 119–125.ND no. 2-020101-087. Rules for the Classification and Construction of Maritime Ships. Sankt Petersburg, Russian Maritime Register of Shipping, 2016. 234 p. (In Russian).НД № 2-020101-087. Правила классификации и постройки морских судов. СПб.: Российский морской регистр судоходства, 2016. 234 с.ND no. 2-020201-013. Rules for the Classification, Construction and Equipment of Mobile Offshore Drilling Units and Fixed Offshore Platforms. Sankt Peters-burg, Russian Maritime Register of Shipping, 2014. 491 p.НД № 2-020201-013. Правила классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок и морских стационарных платформ. Санкт-Петербург: Российский морской регистр судоходства, 2014. 491 с.BS EN ISO 15653:2010. Metallic materials. Method of test for the determination of quasistatic fracture tough-ness of welds.ISO 12135:2002. Metallic materials. Unified Method of Test for the Determination of Quasistatic Fracture Toughness.ASTM E2818-11. Standard Practice for Determination of Quasistatic Fracture Toughness of Welds.Machida S., Miyata T., Hagiwara Y., Yoshinari H., Suzuki Y. A statistical study of the effect of local brittle zone (LBZ) on the fracture toughness (CTOD) of weldments. Defect assessment in components – fundamentals and applications. London, Mechanical engineering publications, 1991, pp. 633–658.Machida S., Miyata T., Hagiwara Y., Yoshinari H., Suzuki Y. A statistical study of the effect of local brittle zone (LBZ) on the fracture toughness (CTOD) of weldments // Defect assessment in components – fundamentals and applications. London: Mechanical engineering publications, 1991. P. 633–658.Gao X., Zhang G., Srivatsan T.S. A probabilistic model for prediction of cleavage fracture in the ductile-to-brittle transition region and the effect of temperature on model parameters. Materials Science and Engineering A, 2016, vol. 415, no. 1-2, pp. 264–272.Gao X., Zhang G., Srivatsan T.S. A probabilistic model for prediction of cleavage fracture in the ductile-to-brittle transition region and the effect of temperature on model parameters // Materials Science and Engineering A. 2016. Vol. 415. № 1-2. P. 264–272.Hauge M., Thaulow C., Minami F., Toyoda M. Estima-tion lower bound CTOD fracture toughness of HAZ notched welds with mechanical mismatch. Structural Integrity – experiments, models, applications: proceed-ings of the 10th European Conference on Fracture. UK, EMAS, 1994, pp. 1037–1049.Hauge M., Thaulow C., Minami F., Toyoda M. Estimation lower bound CTOD fracture toughness of HAZ notched welds with mechanical mismatch // Structural Integrity – experiments, models, applications: proceedings of the 10th European Conference on Fracture. UK: EMAS, 1994. P. 1037–1049.Beremin F.M. A local criterion for cleavage fracture of a nuclear pressure vessel steel. Metallurgical transactions A, 1983, vol. 14, no. 11, pp. 2277–2287.Beremin F.M. A local criterion for cleavage fracture of a nuclear pressure vessel steel // Metallurgical transactions A. 1983. Vol. 14. № 11. P. 2277–2287.Østby E., Thaulow C., Akselsen O.M. Fracture tough-ness scatter and effect of constraint in weld thermal simulated HAZ microstructers at –60°C. Proceedings of the Twenty-first (2011) International offshore and polar engineering conference. Maui, 2011, vol. 4, pp. 443– 448.Østby E., Thaulow C., Akselsen O.M. Fracture tough-ness scatter and effect of constraint in weld thermal simulated HAZ microstructers at –60°C // Proceedings of the Twentyfirst (2011) International offshore and po-lar engineering conference. Vol. 4. Maui, 2011. P. 443– 448.Østby E., Thaulow C., Akselsen O.M., Kolstad G., Hauge M. Comparison of fracture toughness in real weld and thermally simulated CGHAZ of a 420 MPa rolled plate. Proceedings of the Twenty-second (2012) International offshore and polar engineering conference. Rhodes, 2012, pp. 315–322.Østby E., Thaulow C., Akselsen O.M., Kolstad G., Hauge M. Comparison of fracture toughness in real weld and thermally simulated CGHAZ of a 420 MPa rolled plate // Proceedings of the Twenty-second (2012) International offshore and polar engineering conference. Rhodes, 2012. P. 315–322.Nyhus B., Østby E., Thaulow C., Zhang Z., Olden V. SENT testing and the effect of geometri constraint in high strength steel. International symposium of high strength steel. Verdal, 2002, p. 23.Nyhus B., Østby E., Thaulow C., Zhang Z., Olden V. SENT testing and the effect of geometri constraint in high strength steel // International symposium of high strength steel. Verdal, 2002. P. 23.Ilyin A.V., Filin V.Yu., Artemyev D.M. Comparison of different methods to estimate the fracture toughness of metal welded structure operated in Arctic conditions.Ильин А.В., Филин В.Ю., Артемьев Д.М. Сопоставление различных методик оценки трещиностойкости металла сварных конструкций, работающих в арктических условиях // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства. 2015. № 40-41. С. 62–71.Nauchno-tekhnicheskiy sbornik Rossiyskogo morskogo registra sudokhodstva, 2015, no. 40-41, pp. 62–71.