ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Развитие водородной энергетики предполагает уменьшение зависимости различных сфер человеческой деятельности от ископаемых энергоносителей и значительное сокращение выбросов углекислого газа в атмосферу. Исходя из этого, возрастают требования к качеству конструкционных материалов, которые имеют перспективу использования для хранения и транспортировки водорода, а также для создания инфраструктурных объектов водородной энергетики. Поэтому большое значение приобретают научные исследования, направленные на выявление влияния водорода на закономерности изменения микроструктуры и механического поведения конструкционных материалов при различных схемах нагружения. Цель работы – установить влияние химико-деформационной обработки, включающей прокатку, комбинированную с наводороживанием, на микроструктуру, фазовый состав и механические свойства образцов аустенитной нержавеющей стали 01Х17Н13М3. Методами исследования являются просвечивающая электронная микроскопия и дифракция обратнорассеянных электронов, рентгеноструктурный, рентгенофазовый и магнитофазовый анализ, микроиндентирование и одноосное статическое растяжение. Результаты и обсуждение. Экспериментально показано, что морфология дефектной структуры и фазовый состав стали 01Х17Н13М3, формируемые при прокатке со степенями осадки 25 и 50 %, существенным образом зависят от температуры деформации (при комнатной температуре или с охлаждением образцов до температуры кипения жидкого азота), а также насыщения образцов водородом (в течение 5 часов при плотности тока 200 мА/см²). Основными механизмами деформации стали при прокатке являются скольжение, двойникование и микролокализация пластического течения, которые обеспечивают формирование субмикрокристаллических структурных состояний в образцах. Кроме этого, в структуре прокатанных образцов происходит образование деформационных ε и α' мартенситных фаз. Независимо от режима химико-деформационной обработки, в стали формируется зеренно-субзеренная структура с высокой плотностью дефектов кристаллического строения, но морфология такой микроструктуры определяется режимом обработки. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что предварительное насыщение образцов водородом и понижение температуры деформации способствуют более активному развитию механического двойникования и реализации деформационных фазовых превращений при прокатке. Несмотря на обнаруженные эффекты по влиянию насыщения водородом на механизмы деформации и морфологию формируемой при прокатке дефектной микроструктуры, предварительное наводороживание слабо влияет на механические свойства стали при фиксированных степени и температуре деформации. Эти данные свидетельствуют о том, что независимо от морфологии дефектной зеренно-субзеренной структуры, измельчение зерна, накопление деформационных дефектов и рост внутренних напряжений приводят к увеличению прочностных характеристик стали.

1. "Hybrid hydrogen storage vessel", a novel high pressure hydrogen storage vessel combined with hydrogen storage material / N. Takeichi, H. Senoh, T. Yokota, H. Tsuruta, K. Hamada, H.T. Takeshita, H. Tanaka, T. Kiyobayashi, T. Takano, N. Kuriyama // International Journal of Hydrogen Energy. – 2003. – Vol. 28, iss. 10. – P. 1121–1129. – DOI: 10.1016/S0360-3199(02)00216-1.

2. Duschek D., Wellnitz J. High pressure hydrogen storage system based on new hybrid concept // Sustainable Automotive Technologies. – Cham, 2013. – P. 27–33. – DOI: 10.1007/978-3-319-01884-3_3.

3. Effects of hydrogen pressure and test frequency on fatigue crack growth properties of Ni-Cr-Mo steel candidate for a storage cylinder of a 70 MPa hydrogen filling station / A. Macadre, M. Artamonova, S. Matsuoka, J. Furtado // Engineering Fracture Mechanics. – 2011. – Vol. 78, iss. 18. – P. 3196–3211. – DOI: 10.1016/j.engfracmech.2011.09.007.

4. Hydrogen environment embrittlement of stable austenitic steels / T. Michler, C.S. Marchi, J. Naumann, S. Weber, M. Martin // International Journal of Hydrogen Energy. – 2012. – Vol. 37. – P. 16231–16246. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2012.08.071.

5. Perng T.P., Altstetter C.J. Comparison of hydrogen gas embrittlement of austenitic and ferritic stainless steels // Metallurgical Transactions A. – 1987. – Vol. 18. – P. 123–134. – DOI: 10.1007/BF02646229.

6. Effect of large strain cold rolling and subsequent annealing on microstructure and mechanical properties of an austenitic stainless steel / I. Shakhova, V. Dudko, A. Belyakov, K. Tsuzaki, R. Kaibyshev // Materials Science and Engineering: A. – 2012. – Vol. 545. – P. 176–186. – DOI: 10.1016/j.msea.2012.02.101.

7. Cold rolled texture and microstructure in types 304 and 316L austenitic stainless steels / D.N. Wasnik, I.K. Gopalakrishnan, J.V. Yakhmi, V. Kain, I. Samajdar // ISIJ International. – 2003. – Vol. 43, N 10. – P. 1581–1589. – DOI: 10.2355/isijinternational.43.1581.

8. Padilha A.F., Plaut R.L., Rios P.R. Annealing of cold-worked austenitic stainless steels // ISIJ International. – 2003. – Vol. 43, N 2. – P. 135–143. – DOI: 10.2355/isijinternational.43.135.

9. Ghosh S.K., Mallick P., Chattopadhyay P.P. Effect of cold deformation on phase evolution and mechanical properties in an austenitic stainless steel for structural and safety applications // Journal of Iron and Steel Research International. – 2012. – Vol. 19, N 4. – P. 63–68 – DOI: 10.1016/s1006-706x(12)60089-2.

10. Ren-bo S., Jian-ying X., Dong-po H. Characteristics of mechanical properties and microstructure for 316l austenitic stainless steel // Journal of Iron and Steel Research International. – 2011 – Vol. 18, N 11. – P. 53–59. – DOI: 10.1016/S1006-706X(11)60117-9.

11. Фазовый состав и дефектная субструктура аустенитной стали 02X17Т14М2 после деформации прокаткой при комнатной температуре / И.Ю. Литовченко, Н.В. Шевченко, А.Н. Тюменцев, Е.П. Найден // Физическая мезомеханика. – 2006. – Т. 9, спец. вып. 1. – С. 137–140. – DOI: 10.24411/1683-805X-2006-00050.

12. Литовченко И.Ю., Тюменцев А.Н., Найден Е.П. Особенности мартенситных превращений и эволюция дефектной микроструктуры в процессе прокатки метастабильной аустенитной стали при комнатной температуре // Физическая мезомеханика. – 2014. – Т. 17, № 1. – С. 31–42. – DOI: 10.24411/1683-805X-2014-00045.

13. Hadji M., Badji R. Microstructure and mechanical properties of austenitic stainless steels after cold rolling // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2002. – Vol. 11. – P. 145–151. – DOI: 10.1361/105994902770344204.

14. The influence of austenite stability on the hydrogen embrittlement and stress-corrosion cracking of stainless steel / D. Eliezer, D.G. Chakrapani, C.J. Altstetter, E.N. Pugh // Metallurgical Transactions A. – 1979. – Vol. 10. – P. 935–941. – DOI: 10.1007/BF02658313.

15. Singh S., Altstetter C. Effects of hydrogen concentration on slow crack growth in stainless steels // Metallurgical Transactions A. – 1982. – Vol. 13. – P. 1799–1808. – DOI: 10.1007/BF02647836.

16. Rozenak P., Bergman R. X-ray phase analysis of martensitic transformations in austenitic stainless steels electrochemically charged with hydrogen // Materials Science and Engineering A. – 2006. – Vol. 437. – P. 366–378. – DOI: 10.1016/j.msea.2006.07.140.

17. Yang Q., Luo J.L. Martensite transformation and surface cracking of hydrogen charged and outgassed type 304 stainless steel // Materials Science and Engineering: A. – 2000. – Vol. 288, iss. 1. – P. 75–83. – DOI: 10.1016/S0921-5093(00)00833-9.

18. Effects of high-pressure hydrogen charging on the structure of austenitic stainless steels / M. Hoelzel, S.A. Danilkin, H. Ehrenberg, D.M. Toebbens, T.J. Udovic, H. Fuessa, H. Wipf // Materials Science and Engineering: A. – 2004. – Vol. 384, iss. 1–2. – P. 255–261. – DOI: 10.1016/j.msea.2004.06.017.

19. Schramm R., Reed R. Stacking fault energies of seven commercial austenitic stainless steels // Metallurgical Transactions A. – 1975. – Vol. 6. – P. 1345–1351. – DOI: 10.1007/bf02641927.

20. Rhodes C., Thompson A. The composition dependence of stacking fault energy in austenitic stainless steels // Metallurgical Transactions A. – 1977. – Vol. 8. – P. 1901–1906. – DOI: 10.1007/BF02646563.

21. Piatti G., Schiller P. Thermal and mechanical properties of the Cr-Mn-(Ni-free) austenitic steels for fusion reactor applications // Journal of Nuclear Materials. – 1986. – Vol. 141–143. – P. 417–426. – DOI: 10.1016/S0022-3115(86)80076-9.

22. Stacking fault energy of cryogenic austenitic steels / D. Qi-Xun, W. Xiao-Nong, A.-D. Cheng, L. Xin-Min, L. Xin-Min // Chinese Physics. – 2002. – Vol. 11, N 6. – P. 596–600. – DOI: 10.1088/1009-1963/11/6/315.

23. Hydrogen-assisted quasi-cleavage fracture in a single crystalline type 316 austenitic stainless steel / M. Koyama, E. Akiyama, T. Sawaguchi, K. Ogawa, I.V. Kireeva, Yu.I. Chumlyakov, K. Tsuzaki // Corrosion Science. – 2013. – Vol. 75. – P. 345–353. – DOI: 10.1016/j.corsci.2013.06.018.

24. Structure, phase composition and mechanical properties of austenitic steel Fe–18Cr–9Ni–0.5Ti–0.08C subjected to chemical deformation processing / E. Melnikov, G. Maier, V. Moskvina, E. Astafurova // AIP Conference Proceedings. – 2016. – Vol. 1783. – P. 020151-1 – 020151-4. – DOI: 10.1063/1.4966444.

25. Influence of hydrogenation regime on structure, phase composition and mechanical properties of Fe18Cr9Ni0.5Ti0.08C steel in cold rolling / E. Melnikov, G. Maier, V. Moskvina, E. Astafurova // AIP Conference Proceedings. – 2017. – Vol. 1909. – P. 020136-1 – 020136-4. – DOI: 10.1063/1.5013817.

26. Креслин В.Ю., Найден Е.П. Автоматизированный комплекс для исследования характеристик магнитожестких материалов // Приборы и техника эксперимента. – 2002. – № 1. – С. 83–86.

27. Утевский Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. – М.: Металлургия, 1973. – 584 с.

28. Christian J.W., Mahajan S. Deformation twinning // Progress in Materials Science. – 1995. – Vol. 39, N 1–2. – P. 1–157. – DOI: 10.1016/0079-6425(94)00007-7.

29. Unusual strain-induced martensite and absence of conventional grain refinement in twinning induced plasticity high-entropy alloy processed by high-pressure torsion / P. Sathiyamoorthi, P. Asghari-Rad, G.M. Karthik, A. Zargaran, H.S. Kim // Materials Science and Engineering: A. – 2021. – Vol. 803. – P. 140570. – DOI: 10.1016/j.msea.2020.140570.

30. Microstructure and mechanical response of single-crystalline high-manganese austenitic steels under high-pressure torsion: the effect of stacking-fault energy / E.G. Astafurova, M.S. Tukeeva, G.G. Maier, E.V. Melnikov, H.J. Maier // Materials Science and Engineering: A. – 2014. – Vol. 604. – P. 166–175. – DOI: 10.1016/j.msea.2014.03.029.

31. Киреева И.В., Чумляков Ю.И., Лузгинова Н.В. Скольжение и двойникование в монокристаллах аустенитных нержавеющих сталей с азотом // Физика металлов и металловедение. – 2002. – Т. 94, № 5. – С. 92–104.

32. Двойникование в монокристаллах стали Гадфильда / Е.И. Литвинова, И.В. Киреева, Е.Г. Захарова, Н.В. Лузгинова, Ю.И. Чумляков, Х. Сехитоглу, И. Караман // Физическая мезомеханика. – 1999. – Т. 7 (1–2). – С. 115–121.

33. Механизмы деформации монокристаллов аустенитных нержавеющих сталей, легированных азотом / А.А. Шульмина, Н.В. Лузгинова, И.В. Киреева, Ю.И. Чумляков, В.Ф. Ульянычева // Физическая мезомеханика. – 2004. – Т. 7, спец. вып., ч. 1. – С. 253–265.

34. Astafurova E.G., Zakharova G.G., Maier H.J. Hydrogen-induced twinning in ‹001› Hadfield steel single crystals // Scripta Materialia. – 2010. – Vol. 63, iss. 12. – P. 1189–1192. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2010.08.029.

35. Effect of hydrogen charging on mechanical twinning, strain hardening, and fracture of ‹111› and ‹144› hadfield steel single crystals / E.G. Astafurova, G.G. Maier, E.V. Melnikov, V. Moskvina, V. Vojtsik, G. Zakharov, A. Smirnov, V. Bataev // Physical Mesomechanics. – 2018. – Vol. 21. – P. 263–273. – DOI: 10.1134/S1029959918030116.

36. Основы пластической деформации наноструктурных материалов / Э.В. Козлов, А.М. Глезер, Н.А. Конева, Н.А. Попова, И.А. Курзина; под ред. А.М. Глезера. – М.: Физматлит, 2016. – 304 с. – ISBN 978-5-9221-1689-3.