Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University91110.18323/2782-4039-2024-1-67-9ArticlesСтатьиResearch ArticleDigital measurements of non-metallic inclusions in steelЦифровые измерения неметаллических включений в сталиhttps://orcid.org/0009-0007-3455-4457StukalovaNatalia A.СтукаловаНаталья Анатольевна
Russian Federation

postgraduate student

аспирант

stukalova-n@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0003-5380-5558KodirovDavronjon F.КодировДавронжон Фарходжон угли
Russian Federation

postgraduate student

аспирант

DFKodirov@yandex.ruAlekseevValeriy I.АлексеевВалерий Игоревич
Russian Federation

postgraduate student

аспирант

alval7@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9381-9223SokolovskayaElina A.СоколовскаяЭлина Александровна
Russian Federation

PhD (Engineering), Associate Professor, assistant professor of Chair of Metal Science and Physics of Strength

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры металловедения и физики прочности

Sokolovskaya@misis.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4201-4665RodionovaIrina G.РодионоваИрина Гавриловна
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering), Associate Professor, Deputy Director of the Scientific Center for Physical and Chemical Fundamentals and Technologies of Metallurgy

доктор технических наук, доцент, заместитель директора научного центра физико-химических основ и технологий металлургии

igrodi@mail.ruUniversity of Science and Technology MISISУниверситет науки и технологий МИСИСState Research Center FSUE I.P. Bardin Central Research Institute of Ferrous MetallurgyГНЦ ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина»2903202419510329032024Copyright ©; 2024, Stukalova N.A., Kodirov D.F., Alekseev V.I., Sokolovskaya E.A., Rodionova I.G.Copyright ©; 2024, Стукалова Н.А., Кодиров Д.Ф., Алексеев В.И., Соколовская Э.А., Родионова И.Г.2024Stukalova N.A., Kodirov D.F., Alekseev V.I., Sokolovskaya E.A., Rodionova I.G.Стукалова Н.А., Кодиров Д.Ф., Алексеев В.И., Соколовская Э.А., Родионова И.Г.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/911

The experience of many-year research has shown that optimizing the steel chemical composition and microstructural characteristics, as well as reducing its contamination with non-metallic inclusions (NMI), it is possible to significantly increase the corrosion resistance of oilfield pipeline steels and increase the time of their trouble-free operation. The influence of complex NMIs on the steel corrosion resistance is determined by both the chemical composition of NMIs and their quantitative ratios. Therefore, obtaining metal products of the required quality is possible only when using the “control by structure” principle. In the work, based on the analysis of brightness fields of images (on a sample scale) in 256 shades of gray, the authors proposed digital, metrologically supported procedures for measuring the NMI heterogeneity of low-carbon oilfield steels: eliminating the heterogeneity of field illumination, justifying the criteria for binarization and noise filtering. For low-carbon steels of various types of melting, the authors identified the key role of dispersed non-metallic inclusions ranging in size from 5–10 μm2 to 2 nm2 in the formation of the corrosion resistance of steels. This may explain why, in some cases, there is no interrelation between the corrosion rate and the fracture resistance of steels, the formation of which is determined by larger particles. When representing the NMI as a set of random points on the plane, the distribution of distances between the nearest ones is estimated based on Voronoi polyhedra statistics. The study shows that an increase in the kurtosis coefficient of distributions of polyhedra areas is accompanied by an increase in the corrosion rate of the steels under study. This indicates the negative impact of heterogeneity in the arrangement of dispersed NMIs on the corrosion resistance of steels.

Опыт многолетних исследований показал, что существенно повысить коррозионную стойкость сталей нефтепромысловых трубопроводов и увеличить сроки их безаварийной эксплуатации можно, оптимизируя химический состав и микроструктурные особенности стали, а также понижая ее загрязненность неметаллическими включениями (НВ). Влияние комплексных НВ на коррозионную стойкость стали обусловлено как химическим составом НВ, так и их количественных соотношением. Поэтому получение металлопродукции требуемого качества возможно только с применением принципа «управления по структуре». В работе на основе анализа полей яркости изображений (в масштабе образцов) в 256 оттенках серого предложены цифровые метрологически обеспеченные процедуры измерения неоднородности НВ низкоуглеродистых сталей нефтепромыслового назначения, такие как устранение неоднородности освещения поля зрения, обоснование критериев бинаризации и фильтрации шумов. Для низкоуглеродистых сталей различной выплавки выявлена ключевая роль дисперсных неметаллических включений размером от 5–10 мкм2 до 2 нм2 в формировании коррозионной стойкости сталей. Это может объяснить, почему в ряде случаев отсутствует взаимосвязь между скоростью коррозии и сопротивлением сталей разрушению, в формировании которого определяющее влияние оказывают частицы большего размера. В представлении НВ как множества случайных точек на плоскости распределение расстояний между ближайшими из них оценено на основе статистики полиэдров Вороного. Показано, что повышению коэффициента эксцесса распределений площадей полиэдров сопутствует увеличение скорости коррозии исследуемых сталей. Это указывает на отрицательное влияние неоднородности в размещении дисперсных НВ на коррозионную стойкость сталей.

digital measurements of structuresquality management by structurenon-metallic inclusions in steelcorrosion resistance of oilfield pipesцифровые измерения структуруправление качеством по структуренеметаллические включения в сталикоррозионная стойкость нефтепромысловых трубThe paper was written on the reports of the participants of the XI International School of Physical Materials Science (SPM-2023), Togliatti, September 11–15, 2023.Статья подготовлена по материалам докладов участников XI Международной школы «Физическое материаловедение» (ШФМ-2023), Тольятти, 11–15 сентября 2023 года.Shtremel M.A. The issues of metallurgical quality of steel (non-metallic inclusions). Metal Science and Heat Treatment, 1980, no. 8, pp. 2–6.Штремель М.А. Проблемы металлургического качества стали (неметаллические включения) // Металловедение и термическая обработка металлов. 1980. № 8. С. 2–6.Gulyaev A.P. Chistaya stal [Pure steel]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1975. 184 p.Гуляев А.П. Чистая сталь. М.: Металлургия, 1975. 184 с.Vinograd M.I. Vklyucheniya v stali i ee svoystva [Steel inclusions and its properties]. Moscow, Metallurgizdat Publ., 1963. 252 p.Виноград М.И. Включения в стали и ее свойства. М.: Металлургиздат, 1963. 252 с.Zerbst U., Madia M., Klinger C., Bettge D., Murakami Y. Defects as a root cause of fatigue failure of metallic components. II: Non-metallic inclusions. Engineering Failure Analysis, 2019, vol. 98, pp. 228–239. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2019.01.054.Zerbst U., Madia M., Klinger C., Bettge D., Murakami Y. Defects as a root cause of fatigue failure of metallic components. II: Non-metallic inclusions // Engineering Failure Analysis. 2019. Vol. 98. P. 228–239. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2019.01.054.Liu Hanze, Zhang Shikun, Zhang Jing, Ren Qiang, Zhang Lifeng, Ge Yanfeng. Properties of typical non-metallic inclusions in steel: First-principles calculations. Materials Today Communications, 2023, vol. 34, article number 105118. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2022.105118.Liu Hanze, Zhang Shikun, Zhang Jing, Ren Qiang, Zhang Lifeng, Ge Yanfeng. Properties of typical non-metallic inclusions in steel: First-principles calculations // Materials Today Communications. 2023. Vol. 34. Article number 105118. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2022.105118.Costa e Silva A. The effects of non-metallic inclusions on properties relevant to the performance of steel in structural and mechanical applications. Journal of Materials Research and Technology, 2019, vol. 8, no. 2, pp. 2408–2422. DOI: 10.1016/j.jmrt.2019.01.009.Costa e Silva A. The effects of non-metallic inclusions on properties relevant to the performance of steel in structural and mechanical applications // Journal of Materials Research and Technology. 2019. Vol. 8. № 2. P. 2408–2422. DOI: 10.1016/j.jmrt.2019.01.009.Vyboyshchik M.A., Ioffe A.V. Scientific basis of development and the methodology of creation of steels for the production of oilfield casing and tubular goods with the increased strength and corrosion resistance. Vektor nauki Tolyattinskogo gosudarstvennogo universiteta, 2019, no. 1, pp. 13–20. DOI: 10.18323/2073-5073-2019-1-13-20.Выбойщик М.А., Иоффе А.В. Научные основы разработки и методология создания сталей для производства нефтепромысловых труб повышенной прочности и коррозионной стойкости // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2019. № 1. С. 13–20. DOI: 10.18323/2073-5073-2019-1-13-20.Amezhnov A.V., Rodionova I.G. Influence of chemical and phase composition of non-metallic inclusions on corrosion resistance of carbon and low alloy steels in water mediums typical for oilfield pipelines operating conditions. Metallurgist, 2019, vol. 63, no. 7-8, pp. 717–726. EDN: KBDKLV.Амежнов А.В., Родионова И.Г. Влияние химического и фазового состава неметаллических включений на коррозионную стойкость углеродистых и низколегированных сталей в водных средах, характерных для условий эксплуатации нефтепромысловых трубопроводов // Металлург. 2019. № 7. С. 45–52. EDN: PEQWNK.Kazakov A.A., Murysev V.A., Kiselev D.V. Interpretation of nature of non-metallic inclusions in assessing the quality of metal products in the industrial conditions. Chernye metally, 2021, no. 9, pp. 47–54. DOI: 10.17580/chm.2021.09.08.Казаков А.А., Мурысев В.А., Киселев Д.В. Интерпретация природы неметаллических включений при оценке качества металлопродукции в условиях заводской практики // Черные металлы. 2021. № 9. С. 47–54. DOI: 10.17580/chm.2021.09.08.Passigatti S.T.P., de Oliveira M.S., de Oliveira J.R., de Souza R.M., Vieira E.A. On the comparative inclusion analysis in steels: Spark-DAT, ASCAT and optical microscopy. Journal of Materials Research and Technology, 2022, vol. 19, pp. 4745–4755. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.06.155.Passigatti S.T.P., de Oliveira M.S., de Oliveira J.R., de Souza R.M., Vieira E.A. On the comparative inclusion analysis in steels: Spark-DAT, ASCAT and optical microscopy // Journal of Materials Research and Technology. 2022. Vol. 19. P. 4745–4755. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.06.155.Barbosa C., de Campos J.B., do Nascimento J.L., Caminha I.M.V. Quantitative study on nonmetallic inclusion particles in steels by automatic image analysis with extreme values method. Journal of Iron and Steel Research International, 2009, vol. 16, pp. 18–21. DOI: 10.1016/S1006-706X(09)60054-6.Barbosa C., de Campos J.B., do Nascimento J.L., Caminha I.M.V. Quantitative study on nonmetallic inclusion particles in steels by automatic image analysis with extreme values method // Journal of Iron and Steel Research International. 2009. Vol. 16. P. 18–21. DOI: 10.1016/S1006-706X(09)60054-6.Kudrya A.V., Sokolovskaya E.A., Perezhogin V.Yu., Kodirov D.F. On taking into account the statistical nature of objects in structural analysis in metals science. Russian metallurgy (Metally), 2020, vol. 2020, no. 12, pp. 1435–1438. DOI: 10.1134/S0036029520120149.Кудря А.В., Соколовская Э.А., Пережогин В.Ю., Кодиров Д.Ф. Об учете статистической природы объектов при анализе структур в металловедении // Электрометаллургия. 2020. № 7. С. 22–27. EDN: DTRDTP.Kudrya A.V., Sokolovskaya E.A., Perezhogin V.Yu., Kha N.N. Some practical concerns related to computer procedures of processing images in material science. Vektor nauki Tolyattinskogo gosudarstvennogo universiteta, 2019, no. 4, pp. 35–44. DOI: 10.18323/2073-5073-2019-4-35-44.Кудря А.В., Соколовская Э.А., Пережогин В.Ю., Ха Н.Н. Некоторые практические соображения, связанные с компьютерными процедурами обработки изображений в материаловедении // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2019. № 4. С. 35–44. DOI: 10.18323/2073-5073-2019-4-35-44.Gonsales R.S., Vuds R.E. Tsifrovaya obrabotka izobrazheniy [Digital Image Processing]. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2012. 1104 p.Гонсалес Р.С., Вудс Р.Е. Цифровая обработка изображений. М.: Техносфера, 2012. 1104 с.Sokolovskaya E.A., Kudrya A.V., Perezhogin V.Yu., Tang V.P., Kodirov D.F.U., Sergeyev M.I. Possibilities of measurement digitalization in metal science for the introduction of quantitative measurement to the evaluation of structures and fractures. Metallurgist, 2022, vol. 66, no. 7, pp. 792–804. DOI: 10.1007/s11015-022-01390-3.Соколовская Э.А., Кудря А.В., Пережогин В.Ю., Танг В.Ф., Кодиров Д.Ф.У., Сергеев М.И. Возможности цифровизации измерений в металловедении для внесения в оценку структур и разрушения количественной меры // Металлург. 2022. № 7. C. 48–57. DOI: 10.52351/00260827_2022_07_48.Kazakov A.A., Kiselev D.V., Kazakova E.I. Quantitative methods for assessing the microstructure of steel and alloys for revising outdated GOST standards. Lite i metallurgiya, 2021, no. 2, pp. 42–48. DOI: 10.21122/1683-6065-2021-2-42-48.Казаков А.А., Киселев Д.В., Казакова Е.И. Количественные методы оценки микроструктуры стали и сплавов для пересмотра устаревших ГОСТ // Литье и металлургия. 2021. № 2. С. 42–48. DOI: 10.21122/1683-6065-2021-2-42-48.McHugh S.T. Understanding Photography. Master Your Digital Camera and Capture That Perfect. San Francisco, No Starch Press Publ., 2018. 240 p.McHugh S.T. Understanding Photography. Master Your Digital Camera and Capture That Perfect. San Francisco: No Starch Press, 2018. 240 p.Voronoi G.F. Nouvelles applications des paramètres continus à la théorie de formes quadratiques. Journal für die reine und angewandte Mathematik, 2009, vol. 1908, no. 134, pp. 198–287. DOI: 10.1515/crll.1908.134.198.Voronoi G.F. Nouvelles applications des paramètres continus à la théorie de formes quadratiques // Journal für die reine und angewandte Mathematik. 2009. Vol. 1908. № 134. P. 198–287. DOI: 10.1515/crll.1908.134.198.Jo Sung-Koo, Kim Seon-Hyo, Song Bo. Thermodynamics on the Formation of Spinel (MgO×Al2O3). Inclusion in Liquid Iron Containing Chromium. Metallurgical and Materials Transactions B, 2002, vol. 33, pp. 703–709. DOI: 10.1007/s11663-002-0023-4.Jo Sung-Koo, Kim Seon-Hyo, Song Bo. Thermodynamics on the Formation of Spinel (MgO×Al2O3). Inclusion in Liquid Iron Containing Chromium // Metallurgical and Materials Transactions B. 2002. Vol. 33. P. 703–709. DOI: 10.1007/s11663-002-0023-4.Osio A.S., Liu S., Olson D.L. The effect of solidification on the formation and growth of inclusions in low carbon steel welds. Material Science and Engineering A, 1996, vol. 221, no. 1-2, pp. 122–133. DOI: 10.1016/S0921-5093(96)10466-4.Osio A.S., Liu S., Olson D.L. The effect of solidification on the formation and growth of inclusions in low carbon steel welds // Material Science and Engineering A. 1996. Vol. 221. № 1-2. P. 122–133. DOI: 10.1016/S0921-5093(96)10466-4.