Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University114310.18323/2782-4039-2025-4-74-3ArticlesСтатьиResearch ArticleDetermination of the phase composition of a carbon steel – austenitic stainless steel bimetallic joint based on magnetic propertiesОпределение фазового состава биметаллического соединения «углеродистая сталь – аустенитная нержавеющая сталь» по магнитным свойствамhttps://orcid.org/0009-0003-0858-5744LapinMatvey V.ЛапинМатвей Вячеславович
Russian Federation

research assistant

лаборант

lapin@imach.uran.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7073-6476MushnikovAleksandr N.МушниковАлександр Николаевич
Russian Federation

PhD (Engineering), Head of Laboratory

кандидат технических наук, заведующий лабораторией

mushnikov@imach.uran.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8301-5069PovolotskayaAnna M.ПоволоцкаяАнна Моисеевна
Russian Federation

PhD (Engineering), senior researcher

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

anna.povolotskaya.68@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4894-9445DavydovaNatalya A.ДавыдоваНаталья Андреевна
Russian Federation

PhD (Engineering), researcher

кандидат технических наук, научный сотрудник

davydova@imacuran.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8635-5213GorulevaLarisa S.ГорулеваЛариса Сергеевна
Russian Federation

lead engineer

ведущий инженер

sherlarisa@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7598-2980SobolevaNatalia N.СоболеваНаталья Николаевна
Russian Federation

PhD (Engineering), Head of sector

кандидат технических наук, заведующий сектором.

natashasoboleva@list.ruInstitute of Engineering Science of the Ural Branch of RASИнститут машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения РАНM.N. Mikheev Institute of Metal Physics of the Ural Branch of RASИнститут физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН29122025439492912202529122025Copyright ©; 2025, Lapin M.V., Mushnikov A.N., Povolotskaya A.M., Davydova N.A., Goruleva L.S., Soboleva N.N.Copyright ©; 2025, Лапин М.В., Мушников А.Н., Поволоцкая А.М., Давыдова Н.А., Горулева Л.С., Соболева Н.Н.2025Lapin M.V., Mushnikov A.N., Povolotskaya A.M., Davydova N.A., Goruleva L.S., Soboleva N.N.Лапин М.В., Мушников А.Н., Поволоцкая А.М., Давыдова Н.А., Горулева Л.С., Соболева Н.Н.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/1143

Modern industrial technologies place high demands on materials used in aggressive environments, high mechanical loads, and long-term service. One of the effective solutions to this problem is the creation of bimetallic joints that combine the advantages of dissimilar materials. In particular, the combination of carbon steels possessing high strength and availability with austenitic stainless steels characterized by high corrosion resistance and ductility allows producing composite materials with optimal performance characteristics. This paper examines a bimetallic material produced by arc surfacing of Er308LSi austenitic stainless steel wire on St3 carbon steel. The main objective was to determine the feasibility of using magnetic nondestructive testing methods to assess the phase composition of the bimetallic joint, including taking into account its possible changes after deformation. Metallographic and X-ray diffraction studies of the resulting material were conducted. Step-by-step plastic deformation tests were performed on samples cut from different parts of the resulting material. After each step of plastic deformation (in the unloaded state), magnetic hysteresis loops of the tested samples were measured. It was found that the use of existing approaches for estimating the martensite phase content based on magnetic properties is difficult. This is due to the complex structural and phase composition of the studied material manifested by the presence of a second peak of differential magnetic permeability for ferrite in St3 steel, the presence of ferrite in the upper deposited austenitic layers, and martensite in the first layer. The authors proposed a parameter based on the asymmetry of the difference in the field dependences of differential magnetic permeability. This parameter has a clear correlation with the magnitude of plastic deformation and, consequently, with the content of deformation martensite.

Современные промышленные технологии предъявляют высокие требования к материалам, используемым в условиях агрессивных сред, повышенных механических нагрузок и длительной эксплуатации. Одним из эффективных решений данной задачи является создание биметаллических соединений, сочетающих преимущества разнородных материалов. В частности, комбинация углеродистых сталей, обладающих высокой прочностью и доступностью, с аустенитными нержавеющими сталями, характеризующимися высокой коррозионной стойкостью и пластичностью, позволяет получать композитные материалы с оптимальными эксплуатационными характеристиками. В работе рассмотрен биметаллический материал, полученный путем электродуговой наплавки аустенитной нержавеющей проволоки Er308LSi на углеродистую сталь Ст3. Основной задачей являлось определение возможности применения магнитных методов неразрушающего контроля для оценки фазового состава исследуемого биметалла, в том числе с учетом его возможного изменения после деформационного воздействия. Проведены металлографические и рентгеноструктурные исследования полученного материала. Выполнены испытания на ступенчатое пластическое деформирование образцов, вырезанных из разных частей полученного материала. После каждого шага пластической деформации (в разгруженном состоянии) измерены петли магнитного гистерезиса испытанных образцов. Установлено, что ввиду сложного структурно-фазового состава исследуемого материала, выражающегося в наличии второго пика дифференциальной магнитной проницаемости для феррита стали Ст3, присутствия феррита в верхних слоях аустенитной наплавки и мартенсита в первом слое, использование известных подходов для оценки содержания мартенситной фазы по магнитным свойствам затруднено. Предложен параметр, основанный на асимметрии разности полевых зависимостей дифференциальной магнитной проницаемости, имеющий однозначную взаимосвязь с величиной пластической деформации, а следовательно, и с содержанием мартенсита деформации.

arc surfacingbimetallic jointmagnetic testing methodsdifferential magnetic permeabilityэлектродуговая наплавкабиметаллическое соединениемагнитные методы контролядифференциальная магнитная проницаемостьThe work was carried out within the state assignment of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation for the Institute of Engineering Science of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences (Research and Development Work No. 124020600045-0) and for M.N. Mikheev Institute of Metal Physics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences. During the work, equipment of the Plastometria Collective Use Center of the Institute of Engineering Science of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences was used. The paper was written on the reports of the participants of the XII International School of Physical Materials Science (SPM-2025), Togliatti, September 15–19, 2025.Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России для ИМАШ УрО РАН (№ НИОКТР 124020600045-0) и для ИФМ УрО РАН. При выполнении работы было использовано оборудование ЦКП «Пластометрия» при ИМАШ УрО РАН. Статья подготовлена по материалам докладов участников XII Международной школы «Физическое материаловедение» (ШФМ-2025), Тольятти, 15–19 сентября 2025 года.Pereira A., Alonso A., Hernández P., Martínez J., Alvarez D., Wieczorowski M. Study and Characterisation of Bimetallic Structure (316LSI and S275JR) Made by Hybrid CMT WAAM Process. Materials, 2024, vol. 17, no. 22, article number 5422. DOI: 10.3390/ma17225422.Pereira A., Alonso A., Hernández P., Martínez J., Alvarez D., Wieczorowski M. Study and Characterisation of Bimetallic Structure (316LSI and S275JR) Made by Hybrid CMT WAAM Process // Materials. 2024. Vol. 17. № 22. Article number 5422. DOI: 10.3390/ma17225422.Wu Bintao, Qiu Zhijun, Pan Zengxi, Carpenter K.R., Wang Tong, Ding Donghong, Duin S.V., Li Huijun. Enhanced interface strength in steel-nickel bimetallic component fabricated using wire arc additive manufacturing with interweaving deposition strategy. Journal of Materials Science & Technology, 2020, vol. 52, pp. 226–234. DOI: 10.1016/j.jmst.2020.04.019.Wu Bintao, Qiu Zhijun, Pan Zengxi, Carpenter K.R., Wang Tong, Ding Donghong, Duin S.V., Li Huijun. Enhanced interface strength in steel-nickel bimetallic component fabricated using wire arc additive manufacturing with interweaving deposition strategy // Journal of Materials Science & Technology. 2020. Vol. 52. P. 226–234. DOI: 10.1016/j.jmst.2020.04.019.Raut L.P., Taiwade R.V. Microstructure and Mechanical Properties of Wire Arc Additively Manufactured Bimetallic Structure of Austenitic Stainless Steel and Low Carbon Steel. Journal of Materials Engineering and Performance, 2022, vol. 31, pp. 8531–8541. DOI: 10.1007/s11665-022-06856-8.Raut L.P., Taiwade R.V. Microstructure and Mechanical Properties of Wire Arc Additively Manufactured Bimetallic Structure of Austenitic Stainless Steel and Low Carbon Steel // Journal of Materials Engineering and Performance. 2022. Vol. 31. P. 8531–8541. DOI: 10.1007/s11665-022-06856-8.Ermakova A., Mehmanparast A., Ganguly S., Razavi N., Berto F. Fatigue crack growth behaviour of wire and arc additively manufactured ER70S-6 low carbon steel components. International Journal of Fracture, 2022, vol. 235, pp. 47–59. DOI: 10.1007/s10704-021-00545-8.Ermakova A., Mehmanparast A., Ganguly S., Razavi N., Berto F. Fatigue crack growth behaviour of wire and arc additively manufactured ER70S-6 low carbon steel components // International Journal of Fracture. 2022. Vol. 235. P. 47–59. DOI: 10.1007/s10704-021-00545-8.Lee Jeong-Hak, Lee Choon-Man, Kim Dong-Hyeon. Repair of damaged parts using wire arc additive manufacturing in machine tools. Journal of Materials Research and Technology, 2022, vol. 16, pp. 13–24. DOI: 10.1016/j.jmrt.2021.11.156.Lee Jeong-Hak, Lee Choon-Man, Kim Dong-Hyeon. Repair of damaged parts using wire arc additive manufacturing in machine tools // Journal of Materials Research and Technology. 2022. Vol. 16. P. 13–24. DOI: 10.1016/j.jmrt.2021.11.156.Ghafoori E., Dahaghin H., Diao Ch., Pichler N., Li Lingzhen, Ding Jialuo, Ganguly S., Williams S. Metal 3D-Printing for Repair of Steel. Eurosteel, 2023, vol. 6, no. 3-4, pp. 796–801. DOI: 10.1002/cepa.2285.Ghafoori E., Dahaghin H., Diao Ch., Pichler N., Li Lingzhen, Ding Jialuo, Ganguly S., Williams S. Metal 3D-Printing for Repair of Steel // Eurosteel. 2023. Vol. 6. № 3-4. P. 796–801. DOI: 10.1002/cepa.2285.Tanwar R.S., Jhavar S. Investigation of microstructure and mechanical properties of austenitic steel bimetallic structures fabricated using wire arc direct energy deposition for remanufacturing applications. Journal of Advanced Joining Processes, 2025, vol. 11, article number 100287. DOI: 10.1016/j.jajp.2025.100287.Tanwar R.S., Jhavar S. Investigation of microstructure and mechanical properties of austenitic steel bimetallic structures fabricated using wire arc direct energy deposition for remanufacturing applications // Journal of Advanced Joining Processes. 2025. Vol. 11. Article number 100287. DOI: 10.1016/j.jajp.2025.100287.Gürol U., Turgut B., Kumek H., Dilibal S., Koçak M. Fabrication and Characterization of Wire Arc Additively Manufactured Ferritic-Austenitic Bimetallic Structure. Metals and Materials International, 2024, vol. 30, pp. 1342–1355. DOI: 10.1007/s12540-023-01568-7.Gürol U., Turgut B., Kumek H., Dilibal S., Koçak M. Fabrication and Characterization of Wire Arc Additively Manufactured Ferritic-Austenitic Bimetallic Structure // Metals and Materials International. 2024. Vol. 30. P. 1342–1355. DOI: 10.1007/s12540-023-01568-7.Korkh M.K., Rigmant M.B., Sazhina E.Y., Kochnev A.V. Measuring Ferromagnetic Phase Content Based on Magnetic Properties in Two-Phase Chromium–Nickel Steels. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2019, vol. 55, pp. 837–850. DOI: 10.1134/S1061830919110056.Korkh M.K., Rigmant M.B., Sazhina E.Y., Kochnev A.V. Measuring Ferromagnetic Phase Content Based on Magnetic Properties in Two-Phase Chromium–Nickel Steels // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2019. Vol. 55. P. 837–850. DOI: 10.1134/S1061830919110056.Goruleva L.S., Zadvorkin S.M., Mushnikov A.N. Effect of Plastic Deformation on the Phase Composition and Electromagnetic Characteristics of the 321H Austenitic Steel 08Kh18N10T. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2022, no. 6, pp. 95–106. DOI: 10.17804/2410-9908.2022.6.095-106.Горулева Л.С., Задворкин С.М., Мушников А.Н. Влияние пластической деформации на фазовый состав и электромагнитные характеристики аустенитной стали марки 321Н (08Х18Н10T) // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. 2022. № 6. С. 95–106. DOI: 10.17804/2410-9908.2022.6.095-106.Malygina K.D., Mushnikov A.N., Povolotskaya A.M., Goruleva L.S. Effect of biaxial tension on the magnetic and electromagnetic characteristics of the metastable austenitic steel. The Russian Journal of Nondestructive Testing, 2025, no. 6, pp. 75–80. EDN: NKWQJB.Малыгина К.Д., Мушников А.Н., Поволоцкая А.М., Горулева Л.С. Влияние двухосного растяжения на магнитные и электромагнитные характеристики метастабильной аустенитной стали // Дефектоскопия. 2025. № 6. С. 75–80. EDN: NKWQJB.Rigmant M.B., Nichipuruk A.P., Korkh M.K. The possibility of separate measurements of the amounts of ferrite and deformation martensite in three-phase austenitic-class steels using the magnetic method. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2012, vol. 48, no. 9, pp. 511–521. DOI: 10.1134/S1061830912090069.Rigmant M.B., Nichipuruk A.P., Korkh M.K. The possibility of separate measurements of the amounts of ferrite and deformation martensite in three-phase austenitic-class steels using the magnetic method // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2012. Vol. 48. № 9. P. 511–521. DOI: 10.1134/S1061830912090069.Shlyakhova G.V., Orlova D.V., Nemlienko T.S., Sorokov N.N. Structure and properties of a bimetallic compound of carbon and austenitic stainless steel produced by electric arc surfacing. Scientific theoretical and engineering journal, 2024, no. 3, pp. 466–477. DOI: 10.34680/2076-8052.2024.3(137).466-477.Шляхова Г.В., Орлова Д.В., Немлиенко Т.С., Сороков Н.Н. Структура и свойства биметаллического соединения углеродистая сталь – аустенитная нержавеющая сталь, полученного электродуговой наплавкой // Вестник Новгородского государственного университета. 2024. № 3. P. 466–477. DOI: 10.34680/2076-8052.2024.3(137).466-477.Korkh M.K., Rigmant M.B., Davydov D.I., Shishkin D.A., Nichipuruk A.P., Korkh Yu.V. Determination of the phase composition of three-phase chromium–nickel steels from their magnetic properties. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2015, vol. 51, no. 12, pp. 727–737. DOI: 10.1134/S1061830915120049.Korkh M.K., Rigmant M.B., Davydov D.I., Shishkin D.A., Nichipuruk A.P., Korkh Yu.V. Determination of the phase composition of three-phase chromium–nickel steels from their magnetic properties // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2015. Vol. 51. № 12. P. 727–737. DOI: 10.1134/S1061830915120049.Smirnov A.N., Popova N.A., Ababkov N.V., Nikonenko E.L., Knyazkov V.L., Levashova E.E. Influence of cladding with flux-cored wire on the structural-phase state of steel 20. Basic Problems of Material Science (BPMS), 2024, vol. 21, no. 3, pp. 345–356. DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2024.03.009.Смирнов А.Н., Попова Н.А., Абабков Н.В., Никоненко Е.Л., Князьков В.Л., Левашова Е.Е. Влияние наплавки порошковой проволокой на структурно-фазовое состояние стали 20 // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2024. Т. 21. № 3. С. 345–356. DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2024.03.009.Schaeffler A.L. Constitution diagram for stainless steel weld metal. Metal Progress, 1949, vol. 56, no. 5, pp. 680–686.Schaeffler A.L. Constitution diagram for stainless steel weld metal // Metal Progress. 1949. Vol. 56. № 5. P. 680–686.Tian Ye, Gorbatov O.I., Borgenstam A., Ruban A.V., Hedström P. Deformation microstructure and deformation-induced martensite in austenitic Fe-Cr-Ni alloys depending on stacking fault energy. Metallurgical and Materials Transactions A, 2017, vol. 48A, pp. 1–7. DOI: 10.1007/s11661-016-3839-2.Tian Ye, Gorbatov O.I., Borgenstam A., Ruban A.V., Hedström P. Deformation microstructure and deformation-induced martensite in austenitic Fe-Cr-Ni alloys depending on stacking fault energy // Metallurgical and Materials Transactions A. 2017. Vol. 48A. P. 1–7. DOI: 10.1007/s11661-016-3839-2.Kuleev V.G., Tsar’kova T.P., Sazhina E.Y., Doroshek A.S. On the influence of plastic deformations of low-carbon ferromagnetic steels on the changes in the shapes of their hysteresis loops and the field dependences of the differential permeability. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2015, vol. 51, no. 12, pp. 738–749. DOI: 10.1134/S1061830915120062.Кулеев В.Г., Царькова Т.П., Сажина Е.Ю., Дорошек А.С. О влиянии пластической деформации малоуглеродистых ферромагнитных сталей на изменение формы их петель гистерезиса и зависимостей дифференциальной проницаемости от поля // Дефектоскопия. 2015. № 12. С. 32–45. EDN: VXLBTT.Gorkunov E.S., Povolotskaya A.M., Zadvorkin S.M., Putilova E.A., Mushnikov A.N. The Effect of Cyclic Preloading on the Magnetic Behavior of the Hot-Rolled 08G2B Steel Under Elastic Uniaxial Tension. Research in Nondestructive Evaluation, 2021, vol. 32, no. 6, pp. 276–294. DOI: 10.1080/09349847.2021.2002487.Gorkunov E.S., Povolotskaya A.M., Zadvorkin S.M., Putilova E.A., Mushnikov A.N. The Effect of Cyclic Preloading on the Magnetic Behavior of the Hot-Rolled 08G2B Steel Under Elastic Uniaxial Tension // Research in Nondestructive Evaluation. 2021. Vol. 32. № 6. P. 276–294. DOI: 10.1080/09349847.2021.2002487.Kuleev V.G., Stashkov A.N., Tsar’kova T.P., Nichipuruk A.P. Experimental determination of critical fields of 90-degree domain wall displacement in plastically deformed low-carbon steels. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2018, vol. 54, no. 10, pp. 711–716. DOI: 10.1134/S1061830918100078.Кулеев В.Г., Сташков А.Н., Царькова Т.П., Ничипурук А.П. Экспериментальное нахождение критических полей смещения 90-градусных доменных границ в пластически деформированных малоуглеродистых сталях // Дефектоскопия. 2018. № 10. С. 37–41. EDN: AXGBEQ.Stashkov A.N., Schapova E.A., Afanasiev S.V., Stashkova L.A., Nichipuruk A.P. Estimation of residual stresses in plastically deformed eutectoid steel with different perlite morphology via magnetic parameters. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2022, vol. 546, article number 168850. DOI: 10.1016/j.jmmm.2021.168850.Stashkov A.N., Schapova E.A., Afanasiev S.V., Stashkova L.A., Nichipuruk A.P. Estimation of residual stresses in plastically deformed eutectoid steel with different perlite morphology via magnetic parameters // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2022. Vol. 546. Article number 168850. DOI: 10.1016/j.jmmm.2021.168850.