Austenitic stainless steels are demanded alloys in modern industry due to their physical and mechanical characteristics. Concurrently, they are not devoid of weaknesses - strength properties do not meet the performance requirements for their use in the manufacture of essential components. One of progressing way to solve this problem is ion-plasma saturation with interstitials (nitrogen and carbon) of materials surface. In this paper, authors investigated the influence of pre-deformation microstructure with different density of deformation-associated defects on phase and elemental composition of surface layers formed during ion-plasma treatment in stable austenitic stainless steel (316L-type). It was shown that thermal-mechanical treatment in two regimes facilities to the formation of grain-subgrain structure submicrometer scale in specimens, in which main differences lie in the density of deformation defects and fraction of low-angle boundaries. It has been shown that during ion-plasma treatment in the mixture of gases (Ar + N2 + C2H2) at 540 °С (12 hours) of stable austenitic stainless 316L-type steel independently of initial microstructure (deformation-induced grain-subgrain with high density of defects or annealed grain-subgrain) in specimens surface layers with the same phase compositions were formed - supersaturated with nitrogen and carbon austenite and ferrite (Fe-γN, C and Fe-αN, C), nitrides and carbonitrides Cr(N, C), Fe4(N, C). The high density of non-equilibrium crystal defects promoted to the intensive saturation of the surface layers with nitrogen and carbon in austenitic stainless steel. The developed defective grain-subgrain structure in specimens contributes accumulation of interstitials (nitrogen and carbon) during ion-plasma treatment in the surface layer (≈ 5 μm) and suppression of bulk diffusion of carbon compared to the annealed grain-subgrain structure. The experimental results provide support for significant role of deformation-assisted well-developed microstructure in accumulation and bulk diffusion of interstitials under ion-plasma treatment of austenitic stainless steel.
Аустенитные нержавеющие стали востребованы в промышленности благодаря их физико-механическим свойствам. Одновременно с этим они не лишены недостатков - прочностные свойства не удовлетворяют эксплуатационным требованиям для их использования в изготовлении деталей ответственного назначения. Одним из перспективных способов повышения прочностных свойств сталей является ионно-плазменная обработка. В работе исследовано влияние предварительно деформированной микроструктуры с разной плотностью деформационных дефектов на фазовый и элементный состав поверхностных слоев, формируемых при ионно-плазменной обработке в стабильной аустенитной нержавеющей стали 01Х17Н13М3 (типа 316L). Показано, что термомеханическая обработка по двум режимам способствует формированию зеренно-субзеренной структуры субмикронного масштаба в образцах, а основные различия образцов заключаются в плотности деформационных дефектов и доле малоугловых границ. Выявлено, что при ионно-плазменной обработке в смеси газов азота, аргона и ацетилена при температуре 540°С (12 ч.) в аустенитной стали независимо от типа исходной микроструктуры (индуцированной деформацией с высокой плотностью дефектов зеренно-субзеренной или отожженной зеренно-субзеренной) поверхностный слой образцов имел одинаковый фазовый состав - легированный азотом и углеродом аустенит и феррит (Fe-γN, C и Fe-αN, C), нитридные и карбонитридные частицы Cr (N, C), Fe4 (N, C). Высокая плотность неравновесных дефектов кристаллического строения способствует интенсивному насыщению поверхностных слоев азотом и углеродом в аустенитной нержавеющей стали. Развитая дефектная зеренно-субзеренная структура в образцах способствует аккумулированию в процессе ионно-плазменной обработки атомов внедрения (азота и углерода) в поверхностном слое (≈5 мкм) и подавляет объемную диффузию углерода по сравнению с отожжённой зеренно-субзеренной структурой. Экспериментальные результаты, полученные в работе, свидетельствуют о значительном вкладе развитой деформационно-индуцированной высокодефектной микроструктуры в накопление и объемную диффузию атомов внедрения (азота и углерода) при ионно-плазменной обработке стали.