Frontier Materials & Technologies. 2021; : 39-47
Особенности структурно-фазовых превращений и упрочнения при деформации сдвигом под давлением высокоазотистой стали с аустенитно-ферритной структурой металлической матрицы
https://doi.org/10.18323/2782-4039-2021-4-39-47Аннотация
Повышенные антикоррозионные, прочностные, трибологические и физические характеристики – особенности сталей с повышенным содержанием азота. Поиск путей упрочнения высокоазотистых сталей является перспективным направлением современного металловедения. Термические обработки – один из способов упрочнения азотистых сталей за счет дисперсионного твердения нитридными частицами. В работе исследовано влияние кратковременного высокотемпературного старения и больших пластических деформаций, реализуемых методом сдвига под давлением (СД) 8 ГПа на наковальнях Бриджмена (3 оборота наковален со скоростью вращения 0,3 об/мин) при комнатной температуре, на структурно-фазовые превращения и микромеханические свойства высокоазотистой стали 08Х22ГА1,24 со смешанной структурой металлической матрицы γ (аустенит) + a (феррит). Установлено, что старение (0,5 ч) при температуре 650 °С закаленной от 1180 °С стали приводит к формированию смешанной аустенитно-ферритной структуры металлической матрицы в пропорции 50 об. % g и 50 об. % α и выделению протяженных вторичных нитридов хрома Cr2N, образующих совместно с прослойками феррита участки с перлитоподобной структурой. Данные участки обуславливают повышенную микротвердость стали с аустенитно-ферритной структурой матрицы (385±8 HV 0,025) по сравнению с микротвердостью стали, состаренной при температуре 550 °С (0,5 ч) и имеющей аустенитную структуру матрицы, упрочненной вторичными нитридами CrN (364±8 HV 0,025). Деформация СД состаренной при 650 °С (0,5 ч) стали с исходной g+a+Cr2N структурой приводит к g→aʹ превращению и формированию сумбикро- и нанокристаллической структуры. Это вызывает эффективное повышение прочности стали (до 900±29 HV 0,025) и рост сопротивления упругопластическому деформированию по сравнению с состаренным при 550 °С (0,5 ч) состоянием.
Список литературы
1. Rashev T.V., Eliseev A.V., Zhekova L.T., Bogev P.V. High-nitrogen steel // Steel in Translation. 2019. Vol. 49. № 7. P. 433–439. DOI: 10.3103/S0967091219070106.
2. Lang Y.-P., Qu H.-P., Chen H.-T., Weng Y.-Q. Research Progress and Development Tendency of Nitrogen-Alloyed Austenitic Stainless Steels // Journal of Iron and Steel Research International. 2015. Vol. 22. № 2. P. 91–98. DOI: 10.1016/S1006-706X(15)60015-2.
3. Zhang X.Y., Zhou Q., Wang K.H., Peng Y., Ding J.L., Kong J., Williams S. Study on microstructure and tensile properties of high nitrogen Cr-Mn steel processed by CMT wire and arc additive manufacturing // Materials & Design. 2019. Vol. 166. Article number 107611. DOI: 10.1016/j.matdes.2019.107611.
4. Berns H., Gavriljuk V., Riedner S. High interstitial stainless austenitic steels. Berlin: Springer-Verlag, 2013. 170 p. DOI: 10.1007/978-3-642-33701-7.
5. Astafurov S., Astafurova E., Reunova K., Melnikov E., Panchenko M., Moskvina V., Maier G., Rubtsov V., Kolubaev E. Electron-beam additive manufacturing of high-nitrogen steel: Microstructure and tensile properties // Materials science and engineering A-structural materials properties microstructure and processing. 2021. Vol. 826. Article number 141951. DOI: 10.1016/j.msea.2021.141951.
6. Hänninen H., Romu J., Ilola R., Tervo J., Laitinen A. Effects of processing and manufacturing of high nitrogen-containing stainless steels on their mechanical, corrosion and wear properties // Journal of Materials Processing Technology. 2001. Vol. 117. № 3. P. 424–430. DOI: 10.1016/S0924-0136(01)00804-4.
7. Банных О.А. Экономичные нержавеющие азотистые стали как перспективный заменитель легких сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. № 7. С. 9–13.
8. Мушникова С.Ю., Костин С.К., Сагарадзе В.В., Катаева Н.В. Структура, свойства и сопротивление коррозионному растрескиванию азотсодержащей аустенитной стали, упрочненной термомеханической обработкой // Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118. № 11. С. 1223–1235. DOI: 10.7868/S0015323017110092.
9. Speidel M.O. High Nitrogen Steel 88 // The Institute of Metals. London: Brookfield, 1989. P. 92–96.
10. Speidel M.O., Speidel H.J. Commercial low-nickel and high nitrogen steels // High Nitrogen Steels. Moscow: MISIS, 2009. P. 121–123.
11. Zhao H., Ren Y., Dong J., Yang K. The microstructure and tribological behavior of a pre-cold-deformed 0.90% nitrogen containing stainless steel // Materialwissenschaft und werkstofftechnik. 2018. Vol. 49. № 12. P. 1439–1448. DOI: 10.1002/mawe.201700142.
12. Bannykh I.O., Sevost’yanov M.A., Prutskov M.E. Effect of heat treatment on the mechanical properties and the structure of a high-nitrogen austenitic 02Kh20AG10N4MFB steel // Russian Metallurgy. 2016. № 7. P. 613–618. DOI: 10.1134/S0036029516070065.
13. Unstinovshikov Y., Ruts A., Bannykh O., Blinov V. The microstructure of Fe-18%Cr alloys with high N contents // Acta Materialia. 1996. Vol. 44. № 3. P. 1119–1125. DOI: 10.1016/1359-6454(95)00232-4.
14. Тумбусова И.А., Майер Г.Г., Панченко М.Ю., Москвина В.А., Мельников Е.В., Астафуров С.В., Астафурова Е.Г. Влияние старения на микроструктуру, фазовый состав и микротвердость высокоазотистой аустенитной стали // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2020. № 2. С. 74–81. DOI: 10.18323/2073-5073-2020-2-74-81.
15. Михно А.С., Панченко М.Ю., Майер Г.Г., Москвина В.А., Мельников Е.В. Астафуров С.В., Астафурова Е.Г. Влияние механизма дисперсионного твердения на закономерности пластической деформации и разрушения ванадийсодержащей высокоазотистой аустенитной стали // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2020. № 2. С. 42–50. DOI: 10.18323/2073-5073-2020-2-42-50.
16. Макаров А.В., Лучко С.Н., Шабашов В.А., Волкова Е.Г., Осинцева А.Л., Заматовский А.Е., Литвинов А.В., Сагарадзе В.В. Структурно-фазовые превращения и микромеханические свойства высокоазотистой аустенитной стали, деформированной сдвигом под давлением // Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118. № 1. С. 55–68.
17. Наркевич Н.А., Шулепов И.А., Миронов Ю.П. Структура, механические и триботехнические свойства аустенитной азотистой стали после фрикционной обработки // Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118. № 4. С. 421–428.
18. Lu K., Lu J. Nanostructured surface layer on metallic materials induced by surface mechanical attrition treatment // Materials science and engineering A-structural materials properties microstructure and processing. 2004. Vol. 375. № SI. P. 38–45. DOI: 10.1016/j.msea.2003.10.261.
19. Макаров А.В., Коршунов Л.Г. Металлофизические основы наноструктурирующей фрикционной обработки сталей // Физика металлов и металловедение. 2019. Т. 120. № 3. С. 327–336. DOI: 10.1134/S0015323018120124.
20. Korshunov L.G., Shabashov V.A., Chernenko N.L., Pilyugin V.P. Influence of the stressed state of the zone of friction contact on the formation of the structure of a surface layer and tribological properties of steels and alloys // Physics of Metals and Metallography. 2008. Vol. 105. № 1. P. 64–78. DOI: 10.1134/S0031918X08010079.
21. Шабашов В.А., Сагарадзе В.В., Макаров А.В. Модифицирование структуры высокоазотистых и высокоуглеродистых аустенитных сталей с использованием мегадеформации // Физика металлов и металловедение. 2018. Т. 119. № 11. С. 1147–1152. DOI: 10.1134/S0015323018110189.
22. Шабашов В.А., Макаров А.В., Козлов К.А., Сагарадзе В.В., Заматовский А.Е., Волкова Е.Г., Лучко С.Н. Деформационно-индуцированное растворение и выделение нитридов в аустените и феррите высокоазотистой нержавеющей стали // Физика металлов и металловедение. 2018. Т. 119. № 2. С. 193–204.
23. Макаров А.В., Лучко С.Н., Волкова Е.Г., Осинцева А.Л., Литвинов А.В. Структура, фазовый состав и микромеханические характеристики высокоазотистой аустенитной стали после высокотемпературного старения и деформации сдвигом под давлением // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2017. № 4. С. 59–66. DOI: 10.18323/2073-5073-2017-4-59-66.
24. Page T.F., Hainsworth S.V. Using nanoindentation techniques for the characterization of coated systems: a critique // Surface and Coatings Technology. 1993. Vol. 61. № 1-3. P. 201–208. DOI: 10.1016/0257-8972(93)90226-E.
25. Petrzhik M.I., Levashov E.A. Modern methods for investigating functional surfaces of advanced materials by mechanical contact testing // Crystallography Reports. 2007. Vol. 52. № 6. P. 966–974. DOI: 10.1134/S1063774507060065.
26. Фирстов С.А., Горбань В.Ф., Печковский Э.П. Установление предельных значений твердости, упругой деформации и соответствующего напряжения материалов методом автоматического индентирования // Материаловедение. 2008. № 8. 15–21.
27. Cheng Y.T., Cheng C.M. Relationships between hardness, elastic modulus and the work of indentation // Applied Physics Letters. 1998. Vol. 73. № 5. P. 614–616. DOI: 10.1063/1.121873.
28. Mayrhofer P.H., Mitterer C., Musil J. Structure-property relationships in single- and dual-phase nanocrystalline hard coatings // Surface and Coatings Technology. 2003. Vol. 174. P. 725–731. DOI: 10.1016/S0257-8972(03)00576-0.
Frontier Materials & Technologies. 2021; : 39-47
Specific features of structural-phase transformations and hardening during shear deformation under pressure of high-nitrogen steel with austenitic-ferritic structure of metal matrix
https://doi.org/10.18323/2782-4039-2021-4-39-47Abstract
The increased anticorrosive, strength, tribological, and physical characteristics are the specific features of steels with high nitrogen content. Searching for the ways to strengthen high-nitrogen steels is a promising area of contemporary metal science. Heat treatment is one of the methods of hardening nitrogen steels as a result of precipitation hardening with nitride particles. The authors studied the influence of short-term high-temperature aging and large plastic deformations implemented by shear under the pressure of 8 GPa (SP method) on Bridgman anvils (three revolutions of anvils with the rotation velocity of 0.3 rev/min) at room temperature on the structural-phase transformations and micromechanical properties of the 08H22GA1.24 high-nitrogen steel with the mixed γ (austenite) + a (ferrite) metal matrix structure. The study identified that aging (0.5 h) at the temperature of 650 °С of steel quenched at the temperature from 1180 °С causes the formation of the mixed austenitic-ferritic structure of metal matrix in the ratio of 50 vol. % of g and 50 vol. % of α and the release of extended secondary Cr2N chromium nitrides, together with ferrite interlayers forming the areas with the pearlite-like structure. These areas cause the increased microhardness of steel with the austenitic-ferritic matrix structure (385±8 HV 0.025) compared to one of steel aged at the temperature of 550 °С (0.5 h) and having an austenitic matrix structure strengthened with secondary CrN nitrides (364±8 HV 0.025). The SP deformation of steel aged at the temperature of 650 °С (0.5 h) with the initial g+a+Cr2N structure leads to g→aʹ transformation and the formation of submicro- and nanocrystalline structures. It causes the effective strength improvement of steel (up to 900±29 HV 0.025) and the growth of resistance to elastoplastic deformation compared to aged at the temperature of 550 °C (0.5 h) condition.
References
1. Rashev T.V., Eliseev A.V., Zhekova L.T., Bogev P.V. High-nitrogen steel // Steel in Translation. 2019. Vol. 49. № 7. P. 433–439. DOI: 10.3103/S0967091219070106.
2. Lang Y.-P., Qu H.-P., Chen H.-T., Weng Y.-Q. Research Progress and Development Tendency of Nitrogen-Alloyed Austenitic Stainless Steels // Journal of Iron and Steel Research International. 2015. Vol. 22. № 2. P. 91–98. DOI: 10.1016/S1006-706X(15)60015-2.
3. Zhang X.Y., Zhou Q., Wang K.H., Peng Y., Ding J.L., Kong J., Williams S. Study on microstructure and tensile properties of high nitrogen Cr-Mn steel processed by CMT wire and arc additive manufacturing // Materials & Design. 2019. Vol. 166. Article number 107611. DOI: 10.1016/j.matdes.2019.107611.
4. Berns H., Gavriljuk V., Riedner S. High interstitial stainless austenitic steels. Berlin: Springer-Verlag, 2013. 170 p. DOI: 10.1007/978-3-642-33701-7.
5. Astafurov S., Astafurova E., Reunova K., Melnikov E., Panchenko M., Moskvina V., Maier G., Rubtsov V., Kolubaev E. Electron-beam additive manufacturing of high-nitrogen steel: Microstructure and tensile properties // Materials science and engineering A-structural materials properties microstructure and processing. 2021. Vol. 826. Article number 141951. DOI: 10.1016/j.msea.2021.141951.
6. Hänninen H., Romu J., Ilola R., Tervo J., Laitinen A. Effects of processing and manufacturing of high nitrogen-containing stainless steels on their mechanical, corrosion and wear properties // Journal of Materials Processing Technology. 2001. Vol. 117. № 3. P. 424–430. DOI: 10.1016/S0924-0136(01)00804-4.
7. Bannykh O.A. Ekonomichnye nerzhaveyushchie azotistye stali kak perspektivnyi zamenitel' legkikh splavov // Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 2005. № 7. S. 9–13.
8. Mushnikova S.Yu., Kostin S.K., Sagaradze V.V., Kataeva N.V. Struktura, svoistva i soprotivlenie korrozionnomu rastreskivaniyu azotsoderzhashchei austenitnoi stali, uprochnennoi termomekhanicheskoi obrabotkoi // Fizika metallov i metallovedenie. 2017. T. 118. № 11. S. 1223–1235. DOI: 10.7868/S0015323017110092.
9. Speidel M.O. High Nitrogen Steel 88 // The Institute of Metals. London: Brookfield, 1989. P. 92–96.
10. Speidel M.O., Speidel H.J. Commercial low-nickel and high nitrogen steels // High Nitrogen Steels. Moscow: MISIS, 2009. P. 121–123.
11. Zhao H., Ren Y., Dong J., Yang K. The microstructure and tribological behavior of a pre-cold-deformed 0.90% nitrogen containing stainless steel // Materialwissenschaft und werkstofftechnik. 2018. Vol. 49. № 12. P. 1439–1448. DOI: 10.1002/mawe.201700142.
12. Bannykh I.O., Sevost’yanov M.A., Prutskov M.E. Effect of heat treatment on the mechanical properties and the structure of a high-nitrogen austenitic 02Kh20AG10N4MFB steel // Russian Metallurgy. 2016. № 7. P. 613–618. DOI: 10.1134/S0036029516070065.
13. Unstinovshikov Y., Ruts A., Bannykh O., Blinov V. The microstructure of Fe-18%Cr alloys with high N contents // Acta Materialia. 1996. Vol. 44. № 3. P. 1119–1125. DOI: 10.1016/1359-6454(95)00232-4.
14. Tumbusova I.A., Maier G.G., Panchenko M.Yu., Moskvina V.A., Mel'nikov E.V., Astafurov S.V., Astafurova E.G. Vliyanie stareniya na mikrostrukturu, fazovyi sostav i mikrotverdost' vysokoazotistoi austenitnoi stali // Vektor nauki Tol'yattinskogo gosudarstvennogo universiteta. 2020. № 2. S. 74–81. DOI: 10.18323/2073-5073-2020-2-74-81.
15. Mikhno A.S., Panchenko M.Yu., Maier G.G., Moskvina V.A., Mel'nikov E.V. Astafurov S.V., Astafurova E.G. Vliyanie mekhanizma dispersionnogo tverdeniya na zakonomernosti plasticheskoi deformatsii i razrusheniya vanadiisoderzhashchei vysokoazotistoi austenitnoi stali // Vektor nauki Tol'yattinskogo gosudarstvennogo universiteta. 2020. № 2. S. 42–50. DOI: 10.18323/2073-5073-2020-2-42-50.
16. Makarov A.V., Luchko S.N., Shabashov V.A., Volkova E.G., Osintseva A.L., Zamatovskii A.E., Litvinov A.V., Sagaradze V.V. Strukturno-fazovye prevrashcheniya i mikromekhanicheskie svoistva vysokoazotistoi austenitnoi stali, deformirovannoi sdvigom pod davleniem // Fizika metallov i metallovedenie. 2017. T. 118. № 1. S. 55–68.
17. Narkevich N.A., Shulepov I.A., Mironov Yu.P. Struktura, mekhanicheskie i tribotekhnicheskie svoistva austenitnoi azotistoi stali posle friktsionnoi obrabotki // Fizika metallov i metallovedenie. 2017. T. 118. № 4. S. 421–428.
18. Lu K., Lu J. Nanostructured surface layer on metallic materials induced by surface mechanical attrition treatment // Materials science and engineering A-structural materials properties microstructure and processing. 2004. Vol. 375. № SI. P. 38–45. DOI: 10.1016/j.msea.2003.10.261.
19. Makarov A.V., Korshunov L.G. Metallofizicheskie osnovy nanostrukturiruyushchei friktsionnoi obrabotki stalei // Fizika metallov i metallovedenie. 2019. T. 120. № 3. S. 327–336. DOI: 10.1134/S0015323018120124.
20. Korshunov L.G., Shabashov V.A., Chernenko N.L., Pilyugin V.P. Influence of the stressed state of the zone of friction contact on the formation of the structure of a surface layer and tribological properties of steels and alloys // Physics of Metals and Metallography. 2008. Vol. 105. № 1. P. 64–78. DOI: 10.1134/S0031918X08010079.
21. Shabashov V.A., Sagaradze V.V., Makarov A.V. Modifitsirovanie struktury vysokoazotistykh i vysokouglerodistykh austenitnykh stalei s ispol'zovaniem megadeformatsii // Fizika metallov i metallovedenie. 2018. T. 119. № 11. S. 1147–1152. DOI: 10.1134/S0015323018110189.
22. Shabashov V.A., Makarov A.V., Kozlov K.A., Sagaradze V.V., Zamatovskii A.E., Volkova E.G., Luchko S.N. Deformatsionno-indutsirovannoe rastvorenie i vydelenie nitridov v austenite i ferrite vysokoazotistoi nerzhaveyushchei stali // Fizika metallov i metallovedenie. 2018. T. 119. № 2. S. 193–204.
23. Makarov A.V., Luchko S.N., Volkova E.G., Osintseva A.L., Litvinov A.V. Struktura, fazovyi sostav i mikromekhanicheskie kharakteristiki vysokoazotistoi austenitnoi stali posle vysokotemperaturnogo stareniya i deformatsii sdvigom pod davleniem // Vektor nauki Tol'yattinskogo gosudarstvennogo universiteta. 2017. № 4. S. 59–66. DOI: 10.18323/2073-5073-2017-4-59-66.
24. Page T.F., Hainsworth S.V. Using nanoindentation techniques for the characterization of coated systems: a critique // Surface and Coatings Technology. 1993. Vol. 61. № 1-3. P. 201–208. DOI: 10.1016/0257-8972(93)90226-E.
25. Petrzhik M.I., Levashov E.A. Modern methods for investigating functional surfaces of advanced materials by mechanical contact testing // Crystallography Reports. 2007. Vol. 52. № 6. P. 966–974. DOI: 10.1134/S1063774507060065.
26. Firstov S.A., Gorban' V.F., Pechkovskii E.P. Ustanovlenie predel'nykh znachenii tverdosti, uprugoi deformatsii i sootvetstvuyushchego napryazheniya materialov metodom avtomaticheskogo indentirovaniya // Materialovedenie. 2008. № 8. 15–21.
27. Cheng Y.T., Cheng C.M. Relationships between hardness, elastic modulus and the work of indentation // Applied Physics Letters. 1998. Vol. 73. № 5. P. 614–616. DOI: 10.1063/1.121873.
28. Mayrhofer P.H., Mitterer C., Musil J. Structure-property relationships in single- and dual-phase nanocrystalline hard coatings // Surface and Coatings Technology. 2003. Vol. 174. P. 725–731. DOI: 10.1016/S0257-8972(03)00576-0.
