Влияние отрицательных температур на кристаллическую структуру, свойства и разрушение Cr–Mn–С–N-стали
- Авторы: Наркевич Н.А.1, Миронов Ю.П.1, Бадулин Н.В.2
-
Учреждения:
- Институт физики прочности и материаловедения СО РАН
- Национальный исследовательский Томский политехнический университет
- Выпуск: Том 125, № 9 (2024)
- Страницы: 1180-1188
- Раздел: СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
- URL: https://ogarev-online.ru/0015-3230/article/view/281264
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0015323024090124
- EDN: https://elibrary.ru/KEHJMB
- ID: 281264
Цитировать
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Аннотация
Методами рентгеноструктурного анализа и трансмиссионной электронной микроскопии исследована структура литейной аустенитной Cr–Mn–C–N-стали при низких климатических и криогенной температурах. Показано, что при охлаждении закаленной стали изменяются параметры кристаллической структуры. При охлаждении от 20°С до –90°С параметр решетки аустенита уменьшается, при этом концентрация дефектов упаковки (ДУ) не меняется. При более низких температурах параметр ГЦК-решетки стабилизируется при том, что концентрация ДУ резко возрастает. Обнаружены зависящие от температуры смещения атомов ГЦК-решетки из своих равновесных положений. В плотноупакованных плоскостях {111} смещения больше, чем в плоскостях {200} во всем температурном интервале. Изменения в параметрах кристаллической структуры отражают процесс релаксации внутренних напряжений. В температурном интервале от –105°С до 20°С сталь демонстрировала комплекс высоких прочностных свойств σ0.2 до 800 МПа σв до 1100 МПа при удовлетворительной пластичности 10% и вязком характере разрушения. При –196°С сталь разрушается хрупко.
Ключевые слова
Полный текст
Об авторах
Н. А. Наркевич
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН
Автор, ответственный за переписку.
Email: natnark@list.ru
Россия, Томск, 634055
Ю. П. Миронов
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН
Email: natnark@list.ru
Россия, Томск, 634055
Н. В. Бадулин
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Email: natnark@list.ru
Россия, Томск, 634050
Список литературы
- Berns H., Gavriljuk V., Riedner S., Tyshchenco A. High Strength Stainless Austenitic CrMnCN Steels – Part I: Alloy Design and Properties // Steel Res. Int. 2007. V. 78. P. 714–719.
- Lo K.H., Shek C.H., Lai J.K.L. Recent developments in stainless steels // Mater. Sci. Eng.: R. 2009. V. 65. P. 39–104.
- Simmons J.W. Overview: high-nitrogen alloying of stainless steels // Mater. Sci. Eng.: A. 1996. V. 207. P. 159–169.
- Банных И.О., Глезер А.М. Основные принципы легирования и обработки высокоазотистых аустенитных коррозионностойких сталей // Деформация и разрушение материалов. 2018. № 6. С. 2–6.
- Talha M., Behera C.K., Sinha O.P. Promising in vitro performances of nickel-free nitrogen containing stainless steels for orthopaedic applications // Bull. Mater. Sci. 2014. V. 37. P. 1321–1330.
- 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 // Mater. Sci. Eng.: A. 2021. V. 826. Р. 141951.
- Panin V.E., Narkevich N.A., Durakov V.G., Shulepov I.A. Control of the Structure and Wear Resistance of a Carbon-Nitrogen Austenitic Steel Coating Produced by Electron Beam Cladding // Phys. Mesomech. 2021. V. 24. P. 53–60.
- Shen H., Zou J., Li Y., Li D., Yu Y., Wang X. Effects of nitrogen on predominant sintering mechanism during the initial stage of high nitrogen nickel-free stainless steel powder // J. Alloys. Comp. 2023. V. 945. Р. 169230.
- Kostina M.V., Polomoshnov P. Yu., Blinov V.M., Muradyan S.O., Kostina V.S. Cold Resistance of New Casting Cr–Mn–Ni–Co Steel with 0.5% of N. Part One // Steel Transl. 2019. V. 49. P. 761–770.
- Kumar A., Sharma A., Goel S.K. Effect of heat treatment on microstructure, mechanical properties and erosion resistance of cast 23–8-N nitronic steel // Mater. Sci. Eng.: A. 2015. V. 637. P. 56–62.
- Kazakov A.A., Kolpishon E., Shakhmatov A., Badrak R. As-Cast Structure and Metallurgical Inheritance of High Nitrogen Austenitic Stainless Steel // Microsc. Microanal. 2015. V. 21. P. 1753–1754.
- Gürol U. Welding of High Manganese Austenitic Cast Steels Using Stainless Steel Covered Electrode // Int. J. Metalcast. 2023. V. 17. P. 1021–1033.
- Mittemeijer E.J., Scardi P. (Eds) Diffraction Analysis of the Microstructure of Materials. Berlin: Springer Verlag, 2004. P. 333–499.
- Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. М.: МИСиС, 2002. 357 с.
- Перевалова O.Б., Коновалова E.В., Конева Н.A., Козлов Э.В. Влияние атомного упорядочения на зернограничные ансамбли ГЦК-твердых растворов. Томск: НТЛ, 2014. 248 с.
- Qiao Y., Chen J., Zhou H., Wang Y., Song Q., Li H., Zheng Z. Effect of solution treatment on cavitation erosion behavior of high-nitrogen austenitic stainless steel // Wear. 2019. V. 424–425. P. 70–77.
- Tagiltseva D.N., Narkevich N.A., Moiseenko D.D., Shulepov I.A. Relaxation capacity and cracking resistance of nitrous coating produced by electron-beam facing of 0.6C-24Cr-0.7N-16Mn steel powder during wear by hard abrasive under heavy loads // J. Frict. Wear. 2014. V. 35. P. 104–110.
- Gottstein G. Physical Foundations of Material Science. Berlin: Springer, 2004. Р. 209–212.
- Dai Qi-X., Wang An-D., Cheng X.-N., Luo X.-M. Stacking fault energy of cryogenic austenitic steels // Chin. Phys. 2002. V. 11. № 6. P. 596–600.
- Gavriljuk V.G., Sozinov A.L., Foct J., Petrov Ju.N., Polushkin Yu.A. Effect of nitrogen on the temperature dependence of the yield strength of austenitic steels // Acta Mater. 1998. V. 46. № 4. P. 1157–1163.
- Lenel U.R., Knott B.R. Structure and properties of corrosion and wear resistant Cr–Mn–N steels // Metall. Trans. A. 1987. V. 18. P. 847–855.
- Altuntas G., Bostan B., Altuntas O. Evaluation of the effect of shallow cryogenic treatment on tribological properties and microstructure of high manganese steel // Inter. Metalcast. 2023. V. 18. P. 1523–1534.
- Сагарадзе В.В., Уваров А.И. Упрочнение и свойства аустенитных сталей. Екатеринбург: РИО УрО РАН, 2013. 720 с.
- Warnes A.A., King H.W. The low temperature magnetic properties of austenitic Fe-Cr-Ni alloys. The prediction of Neel temperatures and maximum susceptibilities // Cryogenics. 1976. V. 16. P. 659–667.
- Torres-Meji´a L.G., Paredes-Gil K., Parra Vargas C.A., Lentz J., Weber S., Mujica-Roncery L. Effect of Deformation on the Magnetic Properties of C + N Austenitic Steel // Metall. Mater. Trans. A. 2024. V. 55A. P. 150–160.
- International Centre for Diffraction Data (ICDD), USA. http://www.icdd.com/, 2020.
- Шабашов В.А., Ляшков К.А., Катаева Н.В., Коршунов Л.Г., Сагарадзе В.В., Заматовский А.Е. Инверсия перераспределения азота в аустенитной стали при сверхвысокой пластической деформации // ФММ. 2021. Т. 122. № 7. С. 705–712.
- Tanaka М., Onomoto Т., Tsuchiyama T., Higashida K. Brittle-to-ductile transition in nickel-free austenitic stainless steels with high nitrogen // ISIJ Int. 2012. V. 52. P. 915–921.
- Kim J-M., Kim S-J., Kang J-H. Effects of short-range ordering and stacking fault energy on tensile behavior of nitrogen-containing austenitic stainless steels // Mater. Sci. Eng.: A. 2022. V. 836. Р. 142730.
- Hwang B., Lee T.H., Park S.J., Oh C.S., Kim S.J. Ductile-to-Brittle Transition Behavior of High-Nitrogen 18Cr-10Mn-0.35N Austenitic Steels Containing Ni and Cu // Proceed. Mater. Sci. Forum. 2010. V. 654–656. Р. 158–161.
- Наркевич Н.А., Власов И.В., Гоморова Ю.Ф., Сыртанов М.С., Толмачев А.И., Волочаев М.Н. Характер разрушения нержавеющей Cr–Mn–N–стали с наноструктурированными поверхностными слоями при криогенной температуре // ЖТФ. 2024. Т. 94. № 1. С. 90–98.
Дополнительные файлы
Доп. файлы
Действие
1.
JATS XML
2.
Рис. 1. Структура литой Cr–Mn–C–N-стали после отжига и закалки.
Скачать (366KB)
3.
Рис. 2. Дифрактограммы Cr–Mn–C–N-стали, исследованной in situ при 20 и –190°С (а); температурные зависимости параметра решетки а и концентрации ДУ a (б); экстраполяционные зависимости параметров решетки аустенита сплошные линии (в). (Штриховые линии соединяют точки, соответствующие величинам параметра решетки для плоскостей (200) и (400)).
Скачать (351KB)
4.
Рис. 3. ТЭМ-изображение структуры после охлаждения до –196°С: ДУ (а) и соответствующая этому участку фольги электронограмма (б); сетка дислокаций (в) и соответствующая этому участку фольги электронограмма (г); карбиды Сr3C2 и ДУ (д): электронограмма (е) получена от участка, выделенного селекторной диафрагмой (обозначен кружком). Рефлексы аустенита принадлежат оси зоны z=[552]g и оси зоны z=[332]g, рефлексы карбида Сr3C2 принадлежат оси зоны z=[5 12 ]Cr3C2.
Скачать (398KB)
5.
Рис. 4. Температурные зависимости смещений атомов в ГЦК-решетке в плоскостях (111) и (222), а также (200) и (400).
Скачать (101KB)
6.
Рис. 5. Кривые σ–ε Cr–Mn–C–N-стали, испытанной на растяжение при разных температурах (а); температурные зависимости предела прочности σв и предела текучести σ0.2 (б) и относительной деформации ε (в).
Скачать (267KB)
7.
Рис. 6. Поверхности разрушения образцов после испытаний на растяжение при температурах 20°C (a), 90°C (б), 105°C (в) и 196°C (г).
Скачать (1MB)
