Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University17310.18323/2782-4039-2021-4-39-47ArticlesСтатьиSpecific features of structural-phase transformations and hardening during shear deformation under pressure of high-nitrogen steel with austenitic-ferritic structure of metal matrixОсобенности структурно-фазовых превращений и упрочнения при деформации сдвигом под давлением высокоазотистой стали с аустенитно-ферритной структурой металлической матрицыhttps://orcid.org/0000-0002-2368-0913LuchkoSergey N.ЛучкоСергей Николаевич
Russian Federation

junior researcher of Laboratory of Mechanical Properties

младший научный сотрудник лаборатории механических свойств

serojaluchko@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-2228-0643MakarovAleksey V.МакаровАлексей Викторович
Russian Federation

Corresponding member of RAS, Doctor of Sciences (Engineering), Head of Department of Material Science and Laboratory of Mechanical Properties

член-корреспондент РАН, доктор технических наук, заведующий отделом материаловедения и лабораторией механических свойств

https://orcid.org/0000-0003-4958-3027VolkovaElena G.ВолковаЕлена Георгиевна
Russian Federation

PhD (Physics and Mathematics), senior researcher of Laboratory of Mechanical Properties

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории механических свойств

M.N. Mikheev Institute of Metal Physics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Yekaterinburg (Russia)Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук, Екатеринбург (Россия)30122021439473012202130122021https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/173

The increased anticorrosive, strength, tribological, and physical characteristics are the specific features of steels with high nitrogen content. Searching for the ways to strengthen high-nitrogen steels is a promising area of contemporary metal science. Heat treatment is one of the methods of hardening nitrogen steels as a result of precipitation hardening with nitride particles. The authors studied the influence of short-term high-temperature aging and large plastic deformations implemented by shear under the pressure of 8 GPa (SP method) on Bridgman anvils (three revolutions of anvils with the rotation velocity of 0.3 rev/min) at room temperature on the structural-phase transformations and micromechanical properties of the 08H22GA1.24 high-nitrogen steel with the mixed γ (austenite) + a (ferrite) metal matrix structure. The study identified that aging (0.5 h) at the temperature of 650 °С of steel quenched at the temperature from 1180 °С causes the formation of the mixed austenitic-ferritic structure of metal matrix in the ratio of 50 vol. % of g and 50 vol. % of α and the release of extended secondary Cr2N chromium nitrides, together with ferrite interlayers forming the areas with the pearlite-like structure. These areas cause the increased microhardness of steel with the austenitic-ferritic matrix structure (385±8 HV 0.025) compared to one of steel aged at the temperature of 550 °С (0.5 h) and having an austenitic matrix structure strengthened with secondary CrN nitrides (364±8 HV 0.025). The SP deformation of steel aged at the temperature of 650 °С (0.5 h) with the initial g+a+Cr2N structure leads to g→aʹ transformation and the formation of submicro- and nanocrystalline structures. It causes the effective strength improvement of steel (up to 900±29 HV 0.025) and the growth of resistance to elastoplastic deformation compared to aged at the temperature of 550 °C (0.5 h) condition.

Повышенные антикоррозионные, прочностные, трибологические и физические характеристики – особенности сталей с повышенным содержанием азота. Поиск путей упрочнения высокоазотистых сталей является перспективным направлением современного металловедения. Термические обработки – один из способов упрочнения азотистых сталей за счет дисперсионного твердения нитридными частицами. В работе исследовано влияние кратковременного высокотемпературного старения и больших пластических деформаций, реализуемых методом сдвига под давлением (СД) 8 ГПа на наковальнях Бриджмена (3 оборота наковален со скоростью вращения 0,3 об/мин) при комнатной температуре, на структурно-фазовые превращения и микромеханические свойства высокоазотистой стали 08Х22ГА1,24 со смешанной структурой металлической матрицы γ (аустенит) + a (феррит). Установлено, что старение (0,5 ч) при температуре 650 °С закаленной от 1180 °С стали приводит к формированию смешанной аустенитно-ферритной структуры металлической матрицы в пропорции 50 об. % g и 50 об. % α и выделению протяженных вторичных нитридов хрома Cr2N, образующих совместно с прослойками феррита участки с перлитоподобной структурой. Данные участки обуславливают повышенную микротвердость стали с аустенитно-ферритной структурой матрицы (385±8 HV 0,025) по сравнению с микротвердостью стали, состаренной при температуре 550 °С (0,5 ч) и имеющей аустенитную структуру матрицы, упрочненной вторичными нитридами CrN (364±8 HV 0,025). Деформация СД состаренной при 650 °С (0,5 ч) стали с исходной g+a+Cr2N структурой приводит к g→aʹ превращению и формированию сумбикро- и нанокристаллической структуры. Это вызывает эффективное повышение прочности стали (до 900±29 HV 0,025) и рост сопротивления упругопластическому деформированию по сравнению с состаренным при 550 °С (0,5 ч) состоянием.

high-nitrogen austenitic steel08H22GA1.24precipitation hardeningshear under pressuredissolution of nitridesnanostructuringmicromechanical propertiesвысокоазотистая аустенитная сталь08Х22ГА1,24дисперсионное твердениесдвиг под давлениемрастворение нитридовнаноструктурированиемикромеханические свойстваThe work was carried out within the government assignment to the Institute of Metal Physics of the UB of RAS on the topic No. АААА-А18-118020190116-6. The electron microscope study and microindentation were performed on the equipment of the Collaborative Access Center “Testing Center of Nanotechnology and Advanced Materials” of the IMP UB RAS. The authors express deep gratitude to Professor Ts. Rashev for the provision with the material for the research, and A.L. Osintseva, PhD (Engineering) and A.V. Litvinov, PhD (Engineering) for participation in experiments. The paper was written on the reports of the participants of the X International School of Physical Materials Science (SPM-2021), Togliatti, September 13–17, 2021.Работа выполнена в рамках государственного задания ИФМ УрО РАН по теме № АААА-А18-118020190116-6. Электронно-микроскопические исследования и микроиндентирование выполнены в ЦКП «Испытательный центр нанотехнологий и перспективных материалов» ИФМ УрО РАН. Авторы выражают глубокую признательность профессору Ц. Рашеву за предоставления материала для исследования, а также к. т. н. А.Л. Осинцевой и к. т. н. А.В. Литвинову за участие в экспериментах. Статья подготовлена по материалам докладов участников X Международной школы «Физическое материаловедение» (ШФМ-2021), Тольятти, 13–17 сентября 2021 года.Rashev T.V., Eliseev A.V., Zhekova L.T., Bogev P.V. High-nitrogen steel. Steel in Translation, 2019, vol. 49, no. 7, pp. 433–439. DOI: 10.3103/S0967091219070106.Rashev T.V., Eliseev A.V., Zhekova L.T., Bogev P.V. High-nitrogen steel // Steel in Translation. 2019. Vol. 49. № 7. P. 433–439. DOI: 10.3103/S0967091219070106.Lang Y.-P., Qu H.-P., Chen H.-T., Weng Y.-Q. Research Progress and Development Tendency of Nitrogen-Alloyed Austenitic Stainless Steels. Journal of Iron and Steel Research International, 2015, vol. 22, no. 2, pp. 91–98. DOI: 10.1016/S1006-706X(15)60015-2.Lang Y.-P., Qu H.-P., Chen H.-T., Weng Y.-Q. Research Progress and Development Tendency of Nitrogen-Alloyed Austenitic Stainless Steels // Journal of Iron and Steel Research International. 2015. Vol. 22. № 2. P. 91–98. DOI: 10.1016/S1006-706X(15)60015-2.Zhang X.Y., Zhou Q., Wang K.H., Peng Y., Ding J.L., Kong J., Williams S. Study on microstructure and tensile properties of high nitrogen Cr-Mn steel processed by CMT wire and arc additive manufacturing. Materials & Design, 2019, vol. 166, article number 107611. DOI: 10.1016/j.matdes.2019.107611.Zhang X.Y., Zhou Q., Wang K.H., Peng Y., Ding J.L., Kong J., Williams S. Study on microstructure and tensile properties of high nitrogen Cr-Mn steel processed by CMT wire and arc additive manufacturing // Materials & Design. 2019. Vol. 166. Article number 107611. DOI: 10.1016/j.matdes.2019.107611.Berns H., Gavriljuk V., Riedner S. High interstitial stainless austenitic steels. Berlin, Springer-Verlag Publ., 2013. 170 p. DOI: 10.1007/978-3-642-33701-7.Berns H., Gavriljuk V., Riedner S. High interstitial stainless austenitic steels. Berlin: Springer-Verlag, 2013. 170 p. DOI: 10.1007/978-3-642-33701-7.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. Materials science and engineering A-structural materials properties microstructure and processing, 2021, vol. 826, article number 141951. DOI: 10.1016/j.msea.2021.141951.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 // Materials science and engineering A-structural materials properties microstructure and processing. 2021. Vol. 826. Article number 141951. DOI: 10.1016/j.msea.2021.141951.Hänninen H., Romu J., Ilola R., Tervo J., Laitinen A. Effects of processing and manufacturing of high nitrogen-containing stainless steels on their mechanical, corrosion and wear properties. Journal of Materials Processing Technology, 2001, vol. 117, no. 3, pp. 424–430. DOI: 10.1016/S0924-0136(01)00804-4.Hänninen H., Romu J., Ilola R., Tervo J., Laitinen A. Effects of processing and manufacturing of high nitrogen-containing stainless steels on their mechanical, corrosion and wear properties // Journal of Materials Processing Technology. 2001. Vol. 117. № 3. P. 424–430. DOI: 10.1016/S0924-0136(01)00804-4.Bannykh O.A. Economical stainless nitrogen steels: promising substitutes of light alloys. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov, 2005, no. 7, pp. 9–13.Банных О.А. Экономичные нержавеющие азотистые стали как перспективный заменитель легких сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. № 7. С. 9–13.Mushnikova S.Y., Kostin S.K., Sagaradze V.V., Kataeva N.V. Structure, properties, and resistance to stress-corrosion cracking of a nitrogen-containing austenitic steel strengthened by thermomechanical treatment. The Physics of Metals and Metallography, 2017, vol. 118, no. 11, pp. 1155–1166. DOI: 10.7868/S0015323017110092.Мушникова С.Ю., Костин С.К., Сагарадзе В.В., Катаева Н.В. Структура, свойства и сопротивление коррозионному растрескиванию азотсодержащей аустенитной стали, упрочненной термомеханической обработкой // Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118. № 11. С. 1223–1235. DOI: 10.7868/S0015323017110092.Speidel M.O. High Nitrogen Steel 88. The Institute of Metals. London, Brookfield Publ., 1989, pp. 92–96.Speidel M.O. High Nitrogen Steel 88 // The Institute of Metals. London: Brookfield, 1989. P. 92–96.Speidel M.O., Speidel H.J. Commercial low-nickel and high nitrogen steels. High Nitrogen Steels. Moscow, MISIS Publ., 2009, pp. 121–123.Speidel M.O., Speidel H.J. Commercial low-nickel and high nitrogen steels // High Nitrogen Steels. Moscow: MISIS, 2009. P. 121–123.Zhao H., Ren Y., Dong J., Yang K. The microstructure and tribological behavior of a pre-cold-deformed 0.90% nitrogen containing stainless steel. Materialwissenschaft und werkstofftechnik, 2018, vol. 49, no. 12, pp. 1439–1448. DOI: 10.1002/mawe.201700142.Zhao H., Ren Y., Dong J., Yang K. The microstructure and tribological behavior of a pre-cold-deformed 0.90% nitrogen containing stainless steel // Materialwissenschaft und werkstofftechnik. 2018. Vol. 49. № 12. P. 1439–1448. DOI: 10.1002/mawe.201700142.Bannykh I.O., Sevost’yanov M.A., Prutskov M.E. Effect of heat treatment on the mechanical properties and the structure of a high-nitrogen austenitic 02Kh20AG10N4MFB steel. Russian Metallurgy, 2016, no. 7, pp. 613–618. DOI: 10.1134/S0036029516070065.Bannykh I.O., Sevost’yanov M.A., Prutskov M.E. Effect of heat treatment on the mechanical properties and the structure of a high-nitrogen austenitic 02Kh20AG10N4MFB steel // Russian Metallurgy. 2016. № 7. P. 613–618. DOI: 10.1134/S0036029516070065.Unstinovshikov Y., Ruts A., Bannykh O., Blinov V. The microstructure of Fe-18%Cr alloys with high N contents. Acta Materialia, 1996, vol. 44, no. 3, pp. 1119–1125. DOI: 10.1016/1359-6454(95)00232-4.Unstinovshikov Y., Ruts A., Bannykh O., Blinov V. The microstructure of Fe-18%Cr alloys with high N contents // Acta Materialia. 1996. Vol. 44. № 3. P. 1119–1125. DOI: 10.1016/1359-6454(95)00232-4.Tumbusova I.A., Mayer G.G., Panchenko M.Yu., Moskvina V.A., Melnikov E.V., Astafurov S.V., Astafurova E.G. The influence of age hardening on microstructure, phase composition, and microhardness of high-nitrogen austenitic steel. Vektor nauki Tolyattinskogo gosudarstvennogo universiteta, 2020, no. 2, pp. 74–81. DOI: 10.18323/2073-5073-2020-2-74-81.Тумбусова И.А., Майер Г.Г., Панченко М.Ю., Москвина В.А., Мельников Е.В., Астафуров С.В., Астафурова Е.Г. Влияние старения на микроструктуру, фазовый состав и микротвердость высокоазотистой аустенитной стали // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2020. № 2. С. 74–81. DOI: 10.18323/2073-5073-2020-2-74-81.Mikhno A.S., Panchenko M.Yu., Mayer G.G., Moskvina V.A., Melnikov E.V. Astafurov S.V., Astafurova E.G. Effect of the precipitation hardening on regularities of plastic deformation and fracture mode of v-alloyed high nitrogen austenitic steel. Vektor nauki Tolyattinskogo gosudarstvennogo universiteta, 2020, no. 2, pp. 42–50. DOI: 10.18323/2073-5073-2020-2-42-50.Михно А.С., Панченко М.Ю., Майер Г.Г., Москвина В.А., Мельников Е.В. Астафуров С.В., Астафурова Е.Г. Влияние механизма дисперсионного твердения на закономерности пластической деформации и разрушения ванадийсодержащей высокоазотистой аустенитной стали // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2020. № 2. С. 42–50. DOI: 10.18323/2073-5073-2020-2-42-50.Makarov A.V., Luchko S.N., Shabashov V.A., Volkova E.G., Zamatovskii A.E., Litvinov A.V., Sagaradze V.V., Osintseva A.L. Structural and phase transformations and micromechanical properties of the high-nitrogen austenitic steel deformed by shear under pressure. The Physics of Metals and Metallography, 2017, vol. 118, no. 1, pp. 52–64.Макаров А.В., Лучко С.Н., Шабашов В.А., Волкова Е.Г., Осинцева А.Л., Заматовский А.Е., Литвинов А.В., Сагарадзе В.В. Структурно-фазовые превращения и микромеханические свойства высокоазотистой аустенитной стали, деформированной сдвигом под давлением // Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118. № 1. С. 55–68.Narkevich N.A., Mironov Y.P., Shulepov I.A. Structure, mechanical, and tribotechnical properties of an austenitic nitrogen steel after frictional treatment. The Physics of Metals and Metallography, 2017, vol. 118, no. 4, pp. 399–406.Наркевич Н.А., Шулепов И.А., Миронов Ю.П. Структура, механические и триботехнические свойства аустенитной азотистой стали после фрикционной обработки // Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118. № 4. С. 421–428.Lu K., Lu J. Nanostructured surface layer on metallic materials induced by surface mechanical attrition treatment. Materials science and engineering A-structural materials properties microstructure and processing, 2004, vol. 375, no. SI, pp. 38–45. DOI: 10.1016/j.msea.2003.10.261.Lu K., Lu J. Nanostructured surface layer on metallic materials induced by surface mechanical attrition treatment // Materials science and engineering A-structural materials properties microstructure and processing. 2004. Vol. 375. № SI. P. 38–45. DOI: 10.1016/j.msea.2003.10.261.Makarov A.V., Korshunov L.G. Metallophysical foundations of nanostructuring frictional treatment of steels. The Physics of Metals and Metallography, 2019, vol. 120, no. 3, pp. 303–311. DOI: 10.1134/S0015323018120124.Макаров А.В., Коршунов Л.Г. Металлофизические основы наноструктурирующей фрикционной обработки сталей // Физика металлов и металловедение. 2019. Т. 120. № 3. С. 327–336. DOI: 10.1134/S0015323018120124.Korshunov L.G., Shabashov V.A., Chernenko N.L., Pilyugin V.P. Influence of the stressed state of the zone of friction contact on the formation of the structure of a surface layer and tribological properties of steels and alloys. Physics of Metals and Metallography, 2008, vol. 105, no. 1, pp. 64–78. DOI: 10.1134/S0031918X08010079.Korshunov L.G., Shabashov V.A., Chernenko N.L., Pilyugin V.P. Influence of the stressed state of the zone of friction contact on the formation of the structure of a surface layer and tribological properties of steels and alloys // Physics of Metals and Metallography. 2008. Vol. 105. № 1. P. 64–78. DOI: 10.1134/S0031918X08010079.Shabashov V.A., Sagaradze V.V., Makarov A.V. Structure modification of high-nitrogen and high-carbon austenitic steels by megadeformation. The Physics of Metals and Metallography, 2018, vol. 119, no. 11, pp. 1087–1092. DOI: 10.1134/S0015323018110189.Шабашов В.А., Сагарадзе В.В., Макаров А.В. Модифицирование структуры высокоазотистых и высокоуглеродистых аустенитных сталей с использованием мегадеформации // Физика металлов и металловедение. 2018. Т. 119. № 11. С. 1147–1152. DOI: 10.1134/S0015323018110189.Shabashov V.A., Makarov A.V., Kozlov K.A., Sagaradze V.V., Zamatovskii A.E., Volkova E.G., Luchko S.N. Deformation-induced dissolution and precipitation of nitrides in austenite and ferrite of a high-nitrogen stainless steel. The Physics of Metals and Metallography, 2018, vol. 119, no. 2, pp. 180–190.Шабашов В.А., Макаров А.В., Козлов К.А., Сагарадзе В.В., Заматовский А.Е., Волкова Е.Г., Лучко С.Н. Деформационно-индуцированное растворение и выделение нитридов в аустените и феррите высокоазотистой нержавеющей стали // Физика металлов и металловедение. 2018. Т. 119. № 2. С. 193–204.Makarov A.V., Luchko S.N., Volkova E.G., Osintseva A.L., Litvinov A.V. The structure, phase composition and micromechanical characteristics of high-nitrogen austenitic steel after high-temperature ageing and deformation by shear under pressure. Vektor nauki Tolyattinskogo gosudarstvennogo universiteta, 2017, no. 4, pp. 59–66. DOI: 10.18323/2073-5073-2017-4-59-66.Макаров А.В., Лучко С.Н., Волкова Е.Г., Осинцева А.Л., Литвинов А.В. Структура, фазовый состав и микромеханические характеристики высокоазотистой аустенитной стали после высокотемпературного старения и деформации сдвигом под давлением // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2017. № 4. С. 59–66. DOI: 10.18323/2073-5073-2017-4-59-66.Page T.F., Hainsworth S.V. Using nanoindentation techniques for the characterization of coated systems: a critique. Surface and Coatings Technology, 1993, vol. 61, no. 1-3, pp. 201–208. DOI: 10.1016/0257-8972(93)90226-E.Page T.F., Hainsworth S.V. Using nanoindentation techniques for the characterization of coated systems: a critique // Surface and Coatings Technology. 1993. Vol. 61. № 1-3. P. 201–208. DOI: 10.1016/0257-8972(93)90226-E.Petrzhik M.I., Levashov E.A. Modern methods for investigating functional surfaces of advanced materials by mechanical contact testing. Crystallography Reports, 2007, vol. 52, no. 6, pp. 966–974. DOI: 10.1134/S1063774507060065.Petrzhik M.I., Levashov E.A. Modern methods for investigating functional surfaces of advanced materials by mechanical contact testing // Crystallography Reports. 2007. Vol. 52. № 6. P. 966–974. DOI: 10.1134/S1063774507060065.Firstov S.A., Gorban V.F., Pechkovskiy E.P. Measurement of ultimate values of hardness, elastic strain and stress of materials by an automatic indentation method. Materialovedenie, 2008, no. 8, pp. 15–21.Фирстов С.А., Горбань В.Ф., Печковский Э.П. Установление предельных значений твердости, упругой деформации и соответствующего напряжения материалов методом автоматического индентирования // Материаловедение. 2008. № 8. 15–21.Cheng Y.T., Cheng C.M. Relationships between hardness, elastic modulus and the work of indentation. Applied Physics Letters, 1998, vol. 73, no. 5, pp. 614–616. DOI: 10.1063/1.121873.Cheng Y.T., Cheng C.M. Relationships between hardness, elastic modulus and the work of indentation // Applied Physics Letters. 1998. Vol. 73. № 5. P. 614–616. DOI: 10.1063/1.121873.Mayrhofer P.H., Mitterer C., Musil J. Structure-property relationships in single- and dual-phase nanocrystalline hard coatings. Surface and Coatings Technology, 2003, vol. 174, pp. 725–731. DOI: 10.1016/S0257-8972(03)00576-0.Mayrhofer P.H., Mitterer C., Musil J. Structure-property relationships in single- and dual-phase nanocrystalline hard coatings // Surface and Coatings Technology. 2003. Vol. 174. P. 725–731. DOI: 10.1016/S0257-8972(03)00576-0.