Frontier Materials & Technologies. 2021; : 80-88
Влияние наноструктурирующей фрикционной обработки на микромеханические и коррозионные свойства стабильной аустенитной хромоникелевой стали
https://doi.org/10.18323/2782-4039-2021-4-80-88Аннотация
Фрикционная обработка является эффективным методом повышения прочности и износостойкости аустенитных хромоникелевых сталей. Ранее авторами было установлено, что высокий уровень механических свойств метастабильных аустенитных сталей достигается при интенсивном развитии деформационного γ→α′-превращения. Однако наличие мартенсита деформации в структуре аустенитной стали может отрицательно влиять на ее антикоррозионные свойства. Актуальным направлением исследований является поиск возможностей повысить прочностные характеристики стабильной аустенитной хромоникелевой стали с сохранением высокой стойкости к коррозионному разрушению. В настоящей работе для оценки механических характеристик стали 03Х16Н14М3Т в закаленном состоянии и после фрикционной обработки применяли метод измерения твердости по восстановленному отпечатку и метод инструментального микроиндентирования, позволяющий записывать диаграммы нагружения и разгружения индентора. Стойкость стали к коррозионному разрушению исследовали при испытаниях на общую коррозию. Проводили сравнение скорости коррозии аустенитной стали после шлифования, электрополирования и фрикционной обработки. С применением растровой электронной микроскопии и оптической профилометрии изучали поверхности стали, подвергнутые указанным обработкам, и определяли их шероховатость. Наноструктурирующая фрикционная обработка обеспечивает упрочнение поверхности стабильной аустенитной стали до 570 HV 0,025. Показана высокая эффективность применения фрикционной обработки для повышения характеристик прочности и сопротивления поверхностного слоя стали упругому и пластическому деформированию. Установлено, что аустенитная сталь характеризуется близкими величинами скорости коррозии km=(3,26–3,27)∙105 г/(см2∙ч) после электролитического полирования (структура крупнокристаллического аустенита) и после фрикционной обработки (субмикро/нанокристаллическая структура аустенита), в то время как механическое шлифование приводит к двукратному росту скорости коррозии стали 03Х16Н14М3Т вследствие возникновения на шлифованной поверхности микротрещин и вырывов металла. Обоснована определяющая роль качества формируемой различными обработками поверхности (шероховатость, наличие дефектов сплошности) в обеспечении коррозионной стойкости нержавеющей стали.
Список литературы
1. Borgioli F. From austenitic stainless steel to expanded austenite-S phase: formation, characteristics and properties of an elusive metastable phase // Metals. 2020. Vol. 10. № 2. Article number 187. DOI: 10.3390/met10020187.
2. Остапенко Г.И., Усманов И.Р. Исследование коррозии нержавеющей стали 10Х17Н13М2Т в хлорной кислоте // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2020. № 2. С. 51–60. DOI: 10.18323/2073-5073-2020-2-51-60.
3. Basak S., Sharma S.K., Mondal M., Sahu•K.K., Gollapudi S., Majumdar J.D., Hong S.-T. Electron beam surface treatment of 316L austenitic stainless steel: improvements in hardness, wear, and corrosion resistance // Metals and Materials International. 2020. Vol. 27. № 5. P. 953–961. DOI: 10.1007/s12540-020-00773-y.
4. Khaksaran A., Taghiabadi R., Jafarzadegan M. Tribological properties of surface friction hardened AISI 316L steel // Transactions of the Indian Institute of Metals. 2021. Vol. 74. № 8. P. 1979–1989. DOI: 10.1007/s12666-021-02306-6.
5. Наркевич Н.А., Шулепов И.А., Миронов И.П. Структура, механические и триботехнические свойства аустенитной азотистой стали после фрикционной обработки // Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118. № 4. С. 421–428. DOI: 10.7868/S0015323017020097.
6. Макаров А.В., Скорынина П.А., Юровских А.С., Осинцева А.Л. Влияние технологических условий наноструктурирующей фрикционной обработки на структурно-фазовое состояние и упрочнение метастабильной аустенитной стали // Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118. № 12. С. 1300–1311. DOI: 10.7868/S0015323017120087.
7. 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.
8. Makarov A.V., Skorynina P.A., Volkova E.G., Osintseva A.L. Effect of friction treatment on the structure, micromechanical and tribological properties of austenitic steel 03Kh16N14M3T // Metal Science and Heat Treatment. 2020. Vol. 61. № 11-12. P. 764–768. DOI: 10.1007/s11041-020-00497-1.
9. Wang P.F., Han Z. Friction and wear behaviors of a gradient nano-grained AISI 316L stainless steel under dry and oil-lubricated conditions // Journal of Materials Science and Technology. 2018. Vol. 34. № 10. P. 1835–1842. DOI: 10.1016/j.jmst.2018.01.013.
10. Litovchenko I.Yu., Akkuzin S.A., Polekhina N.A., Tyumentsev A.N., Naiden E.P. The features of microstructure and mechanical properties of metastable austenitic steel subjected to low-temperature and subsequent warm deformation // Russian physics journal. 2016. Vol. 59. № 6. P. 782–787. DOI: 10.1007/s11182-016-0837-1.
11. Яровчук А.В., Доронина Т.А., Тиванова О.В. Влияние мартенсита деформации на стойкость к питтинговой коррозии нержавеющей стали 12Х18Н10Т // Ползуновский альманах. 2007. № 1-2. С. 190–196.
12. Chen X., Gussev M., Balonis M., Bauchy M., Sant G. Emergence of micro-galvanic corrosion in plastically deformed austenitic stainless steels // Materials and Design. 2021. Vol. 203. Article number 109614. DOI: 10.1016/j.matdes.2021.109614.
13. Lee H.S., Kim D.S., Jung J.S., Pyoun Y.S., Shin K. Influence of peening on corrosion properties of AISI 304 stainless steel // Corrosion science. 2009. Vol. 51. № 12. P. 2826–2830. DOI: 10.1016/j.corsci.2009.08.008.
14. Ahmed A.A., Mhaede M., Wollmann M., Wagner L. Effect of surface and bulk plastic deformations on the corrosion resistance and corrosion fatigue performance of AISI 316L // Surface and Coatings Technology. 2014. Vol. 259. P. 448–455. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2014.10.052.
15. Hao Y.W., Deng B., Zhong C., Jiang Y.M., Li J. Effect of surface mechanical attrition treatment on corrosion behavior of 316 stainless steel // Journal of Iron and Steel Research International. 2009. Vol. 16. № 2. P. 68–72. DOI: 10.1016/S1006-706X(09)60030-3.
16. Balusamy T., Kumar S., Narayanan T.S.N. Effect of surface nanocrystallization on the corrosion behaviour of AISI 409 stainless steel // Corrosion Science. 2010. Vol. 52. № 11. P. 3826–3834. DOI: 10.1016/j.corsci.2010.07.004.
17. Makarov A.V., Skorynina P.A., Yurovskikh A.S., Osintseva A.L. Effect of the technological conditions of frictional treatment on the structure, phase composition and hardening of metastable austenitic steel // AIP Conference Proceedings: Mechanics, resource and diagnostics of materials and structures (MRDMS-2016). 2016. Vol. 1785. Article number 040035. DOI: 10.1063/1.4967092.
18. Oliver W.C., Pharr J.M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments // Journal of Materials Research. 1992. Vol. 7. № 6. P. 1564–1583. DOI: 10.1557/JMR.1992.1564.
19. Петржик М.И., Левашов Е.А. Современные методы изучения функциональных поверхностей перспективных материалов в условиях механического контакта // Кристаллография. 2007. Т. 52. № 6. С. 1002–1010.
20. 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.
21. Коршунов Л.Г., Сагарадзе В.В., Черненко Н.Л. Структурно-фазовые превращения в стали Гадфильда при фрикционном нагружении в среде жидкого азота // Физика металлов и металловедение. 2016. Т. 117. № 8. С. 856–861. DOI: 10.7868/S0015323016080064.
22. Savrai R.A., Makarov A.V., Malygina I.Yu., Rogovaya S.A., Osintseva A.L. Improving the strength of the AISI 321 austenitic stainless steel by frictional treatment // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. 2017. № 5. P. 43–62. DOI: 10.17804/2410-9908.2017.5.043-062.
23. Юркова А.И., Мильман Ю.В., Бякова А.В. Структура и механические свойства железа после поверхностной интенсивной пластической деформации трением. II. Механические свойства нано- и субмикрокристаллического железа // Деформация и разрушение материалов. 2009. № 2. С. 2–9.
24. Villuendas A., Roca A., Jorba J. Change of Young’s modulus of cold-deformed aluminum AA 1050 and of AA 2024 (T65): a comparative study // Materials Science Forum. 2007. Vol. 539-543. № 1. P. 293–298. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.539-543.293.
25. 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.
26. Yin S., Li D.Y., Bouchard R. Effects of the strain rate of prior deformation on the wear-corrosion synergy of carbon steel // Wear. 2007. Vol. 263. P. 801–807. DOI: 10.1016/j.wear.2007.01.058.
Frontier Materials & Technologies. 2021; : 80-88
Effect of nanostructuring frictional treatment on micromechanical and corrosion properties of stable austenitic chromium-nickel steel
https://doi.org/10.18323/2782-4039-2021-4-80-88Abstract
Friction treatment is an effective method to increase the strength and wear resistance of austenitic chromium-nickel steels. Previously, the authors identified that the high level of mechanical properties of metastable austenitic steels is achieved at the intensive development of deformation γ→α'-transformation. However, the presence of deformation martensite in the austenitic steel structure can negatively affect its anti-corrosion properties. The search for ways to improve the strength characteristics of stable austenitic chromium-nickel steel while maintaining high resistance to corrosion destruction is the up-to-date line of research. In this paper, to evaluate the mechanical properties of 03Cr16Ni14Mo3Ti steel in the hardened condition and after friction treatment, the authors applied the technique of measuring the hardness using the restored print and the method of instrumental micro-indentation, which allows recording the indenter loading and unloading diagrams. The corrosion failure resistance of steel was studied in general corrosion tests. The authors compared the corrosion rate of austenitic steel after grinding, electropolishing, and friction treatment; using scanning electron microscopy and optical profilometry, studied steel surfaces subjected to these treatments and determined their roughness. Nanostructuring friction treatment provides surface hardening of stable austenitic steel up to 570 HV 0.025. The study showed the high efficiency of friction treatment application to increase the strength characteristics and resistance of steel surface layer to elastic and plastic deformation. The authors identified that austenitic steel is characterized by similar corrosion rates km=(3.26-3.27)∙105 (g/cm2∙h) after electrolytic polishing (the structure of large-crystal austenite) and after frictional treatment (sub-micro/nanocrystalline austenite structure), while mechanical grinding leads to a twofold increase in the corrosion rate of 03Cr16Ni14Mo3Ti steel due to the occurrence of microcracks and metal breakouts on the polished surface. The research justified the determining role of the quality of the surface formed by various treatments (roughness, the presence of continuity defects) in ensuring the corrosion resistance of stainless steel.
References
1. Borgioli F. From austenitic stainless steel to expanded austenite-S phase: formation, characteristics and properties of an elusive metastable phase // Metals. 2020. Vol. 10. № 2. Article number 187. DOI: 10.3390/met10020187.
2. Ostapenko G.I., Usmanov I.R. Issledovanie korrozii nerzhaveyushchei stali 10Kh17N13M2T v khlornoi kislote // Vektor nauki Tol'yattinskogo gosudarstvennogo universiteta. 2020. № 2. S. 51–60. DOI: 10.18323/2073-5073-2020-2-51-60.
3. Basak S., Sharma S.K., Mondal M., Sahu•K.K., Gollapudi S., Majumdar J.D., Hong S.-T. Electron beam surface treatment of 316L austenitic stainless steel: improvements in hardness, wear, and corrosion resistance // Metals and Materials International. 2020. Vol. 27. № 5. P. 953–961. DOI: 10.1007/s12540-020-00773-y.
4. Khaksaran A., Taghiabadi R., Jafarzadegan M. Tribological properties of surface friction hardened AISI 316L steel // Transactions of the Indian Institute of Metals. 2021. Vol. 74. № 8. P. 1979–1989. DOI: 10.1007/s12666-021-02306-6.
5. Narkevich N.A., Shulepov I.A., Mironov I.P. Struktura, mekhanicheskie i tribotekhnicheskie svoistva austenitnoi azotistoi stali posle friktsionnoi obrabotki // Fizika metallov i metallovedenie. 2017. T. 118. № 4. S. 421–428. DOI: 10.7868/S0015323017020097.
6. Makarov A.V., Skorynina P.A., Yurovskikh A.S., Osintseva A.L. Vliyanie tekhnologicheskikh uslovii nanostrukturiruyushchei friktsionnoi obrabotki na strukturno-fazovoe sostoyanie i uprochnenie metastabil'noi austenitnoi stali // Fizika metallov i metallovedenie. 2017. T. 118. № 12. S. 1300–1311. DOI: 10.7868/S0015323017120087.
7. 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.
8. Makarov A.V., Skorynina P.A., Volkova E.G., Osintseva A.L. Effect of friction treatment on the structure, micromechanical and tribological properties of austenitic steel 03Kh16N14M3T // Metal Science and Heat Treatment. 2020. Vol. 61. № 11-12. P. 764–768. DOI: 10.1007/s11041-020-00497-1.
9. Wang P.F., Han Z. Friction and wear behaviors of a gradient nano-grained AISI 316L stainless steel under dry and oil-lubricated conditions // Journal of Materials Science and Technology. 2018. Vol. 34. № 10. P. 1835–1842. DOI: 10.1016/j.jmst.2018.01.013.
10. Litovchenko I.Yu., Akkuzin S.A., Polekhina N.A., Tyumentsev A.N., Naiden E.P. The features of microstructure and mechanical properties of metastable austenitic steel subjected to low-temperature and subsequent warm deformation // Russian physics journal. 2016. Vol. 59. № 6. P. 782–787. DOI: 10.1007/s11182-016-0837-1.
11. Yarovchuk A.V., Doronina T.A., Tivanova O.V. Vliyanie martensita deformatsii na stoikost' k pittingovoi korrozii nerzhaveyushchei stali 12Kh18N10T // Polzunovskii al'manakh. 2007. № 1-2. S. 190–196.
12. Chen X., Gussev M., Balonis M., Bauchy M., Sant G. Emergence of micro-galvanic corrosion in plastically deformed austenitic stainless steels // Materials and Design. 2021. Vol. 203. Article number 109614. DOI: 10.1016/j.matdes.2021.109614.
13. Lee H.S., Kim D.S., Jung J.S., Pyoun Y.S., Shin K. Influence of peening on corrosion properties of AISI 304 stainless steel // Corrosion science. 2009. Vol. 51. № 12. P. 2826–2830. DOI: 10.1016/j.corsci.2009.08.008.
14. Ahmed A.A., Mhaede M., Wollmann M., Wagner L. Effect of surface and bulk plastic deformations on the corrosion resistance and corrosion fatigue performance of AISI 316L // Surface and Coatings Technology. 2014. Vol. 259. P. 448–455. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2014.10.052.
15. Hao Y.W., Deng B., Zhong C., Jiang Y.M., Li J. Effect of surface mechanical attrition treatment on corrosion behavior of 316 stainless steel // Journal of Iron and Steel Research International. 2009. Vol. 16. № 2. P. 68–72. DOI: 10.1016/S1006-706X(09)60030-3.
16. Balusamy T., Kumar S., Narayanan T.S.N. Effect of surface nanocrystallization on the corrosion behaviour of AISI 409 stainless steel // Corrosion Science. 2010. Vol. 52. № 11. P. 3826–3834. DOI: 10.1016/j.corsci.2010.07.004.
17. Makarov A.V., Skorynina P.A., Yurovskikh A.S., Osintseva A.L. Effect of the technological conditions of frictional treatment on the structure, phase composition and hardening of metastable austenitic steel // AIP Conference Proceedings: Mechanics, resource and diagnostics of materials and structures (MRDMS-2016). 2016. Vol. 1785. Article number 040035. DOI: 10.1063/1.4967092.
18. Oliver W.C., Pharr J.M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments // Journal of Materials Research. 1992. Vol. 7. № 6. P. 1564–1583. DOI: 10.1557/JMR.1992.1564.
19. Petrzhik M.I., Levashov E.A. Sovremennye metody izucheniya funktsional'nykh poverkhnostei perspektivnykh materialov v usloviyakh mekhanicheskogo kontakta // Kristallografiya. 2007. T. 52. № 6. S. 1002–1010.
20. 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.
21. Korshunov L.G., Sagaradze V.V., Chernenko N.L. Strukturno-fazovye prevrashcheniya v stali Gadfil'da pri friktsionnom nagruzhenii v srede zhidkogo azota // Fizika metallov i metallovedenie. 2016. T. 117. № 8. S. 856–861. DOI: 10.7868/S0015323016080064.
22. Savrai R.A., Makarov A.V., Malygina I.Yu., Rogovaya S.A., Osintseva A.L. Improving the strength of the AISI 321 austenitic stainless steel by frictional treatment // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. 2017. № 5. P. 43–62. DOI: 10.17804/2410-9908.2017.5.043-062.
23. Yurkova A.I., Mil'man Yu.V., Byakova A.V. Struktura i mekhanicheskie svoistva zheleza posle poverkhnostnoi intensivnoi plasticheskoi deformatsii treniem. II. Mekhanicheskie svoistva nano- i submikrokristallicheskogo zheleza // Deformatsiya i razrushenie materialov. 2009. № 2. S. 2–9.
24. Villuendas A., Roca A., Jorba J. Change of Young’s modulus of cold-deformed aluminum AA 1050 and of AA 2024 (T65): a comparative study // Materials Science Forum. 2007. Vol. 539-543. № 1. P. 293–298. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.539-543.293.
25. 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.
26. Yin S., Li D.Y., Bouchard R. Effects of the strain rate of prior deformation on the wear-corrosion synergy of carbon steel // Wear. 2007. Vol. 263. P. 801–807. DOI: 10.1016/j.wear.2007.01.058.
