ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Низкий предел текучести аустенитных нержавеющих сталей является фактором, значительно ограничивающим их эксплуатационные возможности. В свою очередь, формирование гетерогенной структуры представляет собой перспективный метод достижения синергии механических свойств. При этом эффективным способом получения объемной гетерогенной структуры служит холодная радиальная ковка. Однако на данный момент природа эффекта улучшения механических свойств материала с гетерогенной структурой, сформированной в процессе холодной радиальной ковки, изучена слабо. Цель работы. Исследовать влияние гетерогенной структуры, полученной при деформационно-термической обработке, на механические свойства аустенитной нержавеющей стали 08Х17Н13М2Т. Методики исследования. Испытания на одноосное растяжение образцов, полученных холодной радиальной ковкой с последующей термообработкой при 600…700 °С, проводились с использованием испытательной машины Instron 5882 при комнатной температуре со скоростью деформации 1,15⋅10^–3 с^–1. Для измерения удлинения в процессе испытаний применялась система визуального контроля VIC-3D. Тонкая структура была исследована на перфорированных фольгах диаметром 3 мм с использованием электронного просвечивающего микроскопа JEOL JEM-2100 при ускоряющем напряжении 200 кВ. Результаты и обсуждение. Показано, что после деформационно-термической обработки в центре прутка получена двойниково-матричная структура аустенита, а на краю – ультрамелкозернистая с единичными рекристаллизованными зернами аустенита размером примерно 1 мкм. Установлено, что в центре прутка формируется двухкомпонентная аксиальная текстура аустенита <001>/<111>, которая трансформируется в текстуру сдвига B/B? по направлению к поверхности прутка. Определено, что формирование гетерогенной структуры приводило к дополнительному упрочнению за счет обратных напряжений. Обнаружено, что после термообработки при 700 °С образец с гетерогенной структурой обладал наибольшим пределом текучести, равным 1054 МПа, при относительном удлинении 16 %. Таким образом, деформационно-термическая обработка может быть перспективным методом получения крупногабаритных прутковых заготовок из аустенитной нержавеющей стали 08Х17Н13М2Т с высокими характеристиками механических свойств.

1. Lo K.H., Shek C.H., Lai J.K.L. Recent developments in stainless steels // Materials Science and Engineering: R: Reports. – 2009. – Vol. 65 (4–6). –P. 39–104. – DOI: 10.1016/j.mser.2009.03.001.

2. Kaladhar M., Venkata Subbaiah K., Srinivasa Rao C.H. Machining of austenitic stainless steels – a review // International Journal of Machining and Machinability of Materials. – 2012. – Vol. 12 (1–2). – P. 178–192. – DOI: 10.1504/IJMMM.2012.048564.

3. Some strengthening methods for austenitic stainless steels / L.P. Karjalainen, T. Taulavuori, M. Sellman, A. Kyröläinen // Steel Research International. – 2008. – Vol. 79 (6). – P. 404–412. – DOI: 10.1002/srin.200806146.

4. Huang J., Ye X., Xu Z. Effect of cold rolling on microstructure and mechanical properties of AISI 301LN metastable austenitic stainless steels // Journal of Iron and Steel Research International. – 2012. – Vol. 19 (10). – P. 59–63. – DOI: 10.1016/S1006-706X(12)60153-8.

5. Microstructures and mechanical properties of cold-rolled 21Cr lean duplex stainless steel with medium to high cold rolling reductions / Z. Liu, Y. Han, Z. Wu, J. Sun, G. Zu, W. Zhu, X. Ran // Materials Today Communications. – 2022. – Vol. 33. – P. 104860. – DOI: 10.1016/j.mtcomm.2022.104860.

6. Influence of DIMT on impact toughness: relationship between crack propagation and the α′-martensite morphology in austenitic steel / M. Huang, C. Wang, L. Wang, J. Wang, A. Mogucheva, W. Xu // Materials Science and Engineering: A. – 2022. – Vol. 844. – P. 143191. – DOI: 10.1016/j.msea.2022.143191.

7. Ozgowicz W., Kurc A. The effect of the cold rolling on the structure and mechanical properties in austenitic stainless steels type 18-8 // Archives of Materials Science and Engineering. – 2009. – Vol. 38 (1). – P. 26–33.

8. Correlation of austenite stability and ductile-to-brittle transition behavior of high-nitrogen 18Cr-10Mn austenitic steels / B. Hwang, T.H. Lee, S.J. Park, C.S. Oh, S.J. Kim // Materials Science and Engineering: A. – 2011. – Vol. 528 (24). – P. 7257–7266. – DOI: 10.1016/j.msea.2011.06.025.

9. Kelly P.M., Rose L.R.F. The martensitic transformation in ceramics – its role in transformation toughening // Progress in Materials Science. – 2002. – Vol. 47 (5). – P. 463–557. – DOI: 10.1016/S0079-6425(00)00005-0.

10. Excellent strength-toughness synergy in metastable austenitic stainless steel due to gradient structure formation / D.O. Panov, R.S. Chernichenko, S.V. Naumov, A.S. Pertcev, N.D. Stepanov, S.V. Zherebtsov, G.A. Salishchev // Materials Letters. – 2021. – Vol. 303. – P. 130585. – DOI: 10.1016/j.matlet.2021.130585.

11. Scale-up fabrication of gradient AGS in austenitic stainless steels achieves a simultaneous increase in strength and toughness / M. Huang, L. Wang, S. Yuan, J. Wang, C. Wang, A. Mogucheva, W. Xu // Materials Science and Engineering: A. – 2022. – Vol. 853. – P. 143763. – DOI: 10.1016/j.msea.2022.143763.

12. Study on microstructure evolution and nanoindentation characteristics of 316 L austenitic stainless steel with inverse gradient grain sizes fabricated via torsion and electro-magnetic induction heating / J. Zhang, W. Han, Z. Huang, J. Li, M. Zhang, L. Zhang // Materials Characterization. – 2021. – Vol. 181. – P. 111462. – DOI: 10.1016/j.matchar.2021.111462.

13. Wang H.T., Tao N.R., Lu K. Architectured surface layer with a gradient nanotwinned structure in a Fe-Mn austenitic steel // Scripta Materialia. – 2013. – Vol. 68 (1). – P. 22–27. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2012.05.041.

14. Low-cycle fatigue behavior of austenitic stainless steels with gradient structured surface layer / H.S. Ho, W.L. Zhou, Y. Li, K.K. Liu, E. Zhang // International Journal of Fatigue. – 2020. – Vol. 134. – P. 105481. – DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2020.105481.

15. Excellent strength-ductility combination of interstitial non-equiatomic middle-entropy alloy subjected to cold rotary swaging and post-deformation annealing / D.O. Panov, E.A. Kudryavtsev, R.S. Chernichenko, S.V. Naumov, D.N. Klimenko, N.D. Stepanov, S.V. Zherebtsov, G.A. Salishchev, V.V. Sanin, A.S. Pertsev // Materials Science and Engineering: A. – 2024. – Vol. 898. – P. 146121. – DOI: 10.1016/j.msea.2024.146121.

16. Wu X., Zhu Y. Heterogeneous materials: a new class of materials with unprecedented mechanical properties // Materials Research Letters. – 2017. – Vol. 5 (8). – P. 527–532. – DOI: 10.1080/21663831.2017.1343208.

17. Heterogeneous lamella structure unites ultrafine-grain strength with coarse-grain ductility / X. Wu, M. Yang, F. Yuan, G. Wu, Y. Wei, X. Huang, Y. Zhu // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. – 2015. – Vol. 112 (47). – P. 14501–14505. – DOI: 10.1073/pnas.1517193112.

18. Gradient twinned 304 stainless steels for high strength and high ductility / A. Chen, J. Liu, H. Wang, J. Lu, Y.M. Wang // Materials Science and Engineering: A. – 2016. – Vol. 667. – P. 179–188. – DOI: 10.1016/j.msea.2016.04.070.

19. Microstructure and mechanical properties of austenitic stainless steel AISI-321 after radial shear rolling / A. Nayzabekov, S. Lezhnev, O. Maksimkin, K. Tsai, E. Panin, A. Arbuz // Journal of Chemical Technology and Metallurgy. – 2018. – Vol. 53 (3). – P. 606–611.

20. Gradient microstructure and texture formation in a metastable austenitic stainless steel during cold rotary swaging / D. Panov, E. Kudryavtsev, S. Naumov, D. Klimenko, R. Chernichenko, V. Mirontsov, N. Stepanov, S. Zherebtsov, G. Salishchev, A. Pertcev // Materials. – 2023. – Vol. 16 (4). – P. 1–16. – DOI: 10.3390/ma16041706.

21. Effect of cold swaging on the bulk gradient structure formation and mechanical properties of a 316-type austenitic stainless steel / D. Panov, R. Chernichenko, E. Kudryavtsev, D. Klimenko, S. Naumov, A. Pertcev // Materials. – 2022. – Vol. 15 (7). – P. 2468. – DOI: 10.3390/ma15072468.

22. Evolution of the structure, texture, and mechanical properties of austenitic stainless steel during annealing after cold radial forging / R.S. Chernichenko, D.O. Panov, S.V. Naumov, E.A. Kudryavtsev, V.V. Mirontsov, G.A. Salishchev, A.S. Pertsev // Physics of Metals and Metallography. – 2023. – Vol. 124 (6). – P. 607–615. – DOI: 10.1134/S0031918X23600537.

23. Back stress strengthening and strain hardening in gradient structure / M. Yang, Y. Pan, F. Yuan, Y. Zhu, X. Wu // Materials Research Letters. – 2016. – Vol. 4 (3). – P. 145–151. – DOI: 10.1080/21663831.2016.1153004.

24. Beyerlein I.J., Tóth L.S. Texture evolution in equal-channel angular extrusion // Progress in Materials Science. – 2009. – Vol. 54 (4). – P. 427–510. – DOI: 10.1016/j.pmatsci.2009.01.001.

25. Suwas S., Ray R.K. Crystallographic texture of materials. – London: Springer, 2014. – 265 p. – ISBN 978-1-4471-6313-8. – DOI: 10.1007/978-1-4471-6314-5.

26. Fonda R.W., Knipling K.E. Texture development in friction stir welds // Science and Technology of Welding & Joining. – 2011. – Vol. 16 (4). – P. 288–294. – DOI: 10.1179/1362171811Y.0000000010.

27. Shear localization and recrystallization in high-strain, high-strain-rate deformation of tantalum / V.F. Nesterenko, M.A. Meyers, J.C. LaSalvia, M.P. Bondar, Y.J. Chen, Y.L. Lukyanov // Materials Science and Engineering: A. – 1997. – Vol. 229 (1–2). – P. 23–41. – DOI: 10.1016/s0921-5093(96)10847-9.

28. Microstructure, strain hardening behavior, segregation and corrosion resistance of an electron beam welded thick high-Mn TWIP steel plate / Y. Chen, G.M. Liu, H.Y. Li, X.M. Zhang, H. Ding // Journal of Materials Research and Technology. – 2023. – Vol. 25. – P. 1105–1114. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.06.010.

29. Hall E.O. The deformation and ageing of mild steel: II Characteristics of the Lüders deformation // Proceedings of the Physical Society. Section B. – 1951. – Vol. 64 (9). – P. 742–747. – DOI: 10.1088/0370-1301/64/9/302.

30. Petch N.J. The ductile-brittle transition in the fracture of α-iron: I // Philosophical Magazine. – 1958. – Vol. 3 (34). – P. 1089–1097. – DOI: 10.1080/14786435808237038.

31. Grain boundary segregation induced strengthening of an ultrafine-grained austenitic stainless steel / M.M. Abramova, N.A. Enikeev, R.Z. Valiev, A. Etienne, B. Radiguet, Y. Ivanisenko, X. Sauvage // Materials Letters. – 2014. – Vol. 136. – P. 349–352. – DOI: 10.1016/j.matlet.2014.07.188.

32. Humphreys F.J., Hatherly M. Recrystallization and related annealing phenomena. – Elsevier, 2012. – 520 p. – ISBN 0080418848.

33. Extraordinary strain hardening by gradient structure / X. Wu, P. Jiang, L. Chen, F. Yuan, Y.T. Zhu // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. – 2014. – Vol. 111 (20). – P. 7197–7201. – DOI: 10.1073/pnas.1324069111.

34. Mechanism-based strain gradient plasticity – I. Theory / H. Gao, Y. Huang, W.D. Nix, J.W. Hutchinson // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. – 1999. – Vol. 47 (6). – P. 1239–1263. – DOI: 10.1016/S0022-5096(98)00103-3.

35. Wilson D.V., Bate P.S. Influences of cell walls and grain boundaries on transient responses of an if steel to changes in strain path // Acta Metallurgica et Materialia. – 1994. – Vol. 42 (4). – P. 1099–1111. – DOI: 10.1016/0956-7151(94)90127-9.