Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University19110.18323/2073-5073-2017-4-59-66Technical SciencesТехнические наукиTHE STRUCTURE, PHASE COMPOSITION AND MICROMECHANICAL CHARACTERISTICS OF HIGH-NITROGEN AUSTENITIC STEEL AFTER HIGH-TEMPERATURE AGEING AND DEFORMATION BY SHEAR UNDER PRESSUREСТРУКТУРА, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫСОКОАЗОТИСТОЙ АУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ ПОСЛЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СТАРЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ СДВИГОМ ПОД ДАВЛЕНИЕМMakarovAleksey ViktorovichМакаровАлексей Викторович
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering), Head of Department of Materials Science and Laboratory of Mechanical Properties

доктор технических наук, заведующий отделом материаловедения и лабораторией механических свойств

av-mak@yandex.ruLuchkoSergey NikolaevichЛучкоСергей Николаевич
Russian Federation

postgraduate student

аспирант

serojaluchko@gmail.comVolkovaElena GeorgievnaВолковаЕлена Георгиевна
Russian Federation

PhD (Physics and Mathematics), senior researcher

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

volkova@imp.uran.ruOsintsevaAlevtina LeontievnaОсинцеваАлевтина Леонтьевна
Russian Federation

PhD (Engineering), senior researcher

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

lkm@imach.uran.ruLitvinovAnton ViktorovichЛитвиновАнтон Викторович
Russian Federation

PhD (Engineering), senior researcher

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

litvinov@imp.uran.ruM.N. Mikheev Institute of Metal Physics of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Yekaterinburg Institute of Engineering Science of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, YekaterinburgИнститут физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук, Екатеринбург Институт машиноведения Уральского отделения Российской академии наук, ЕкатеринбургM.N. Mikheev Institute of Metal Physics of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, YekaterinburgИнститут физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук, ЕкатеринбургInstitute of Engineering Science of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, YekaterinburgИнститут машиноведения Уральского отделения Российской академии наук, Екатеринбург291220174596604032022https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/191

The development of high-nitrogen sparingly alloyed steels is one of the advanced directions in creating high-strength, wear- and corrosion-resistant materials. Current paper studies the influence of large plastic deformations implemented by the method of shear under pressure (SP) at the room temperature on the structure evolution (using the methods of electron transmission microscopy and X-ray diffraction analysis) and the feasibilities of hardening 08Kh22GA1.24 high-nitrogen (1.24 wt. % N) austenitic steel with the initial α-BCC structure of metal matrix. Steel was produced using the method of nitrogen counterpressure casting and was hardened at the temperature of 1180 °С with the following high-temperature ageing at 650 °С for 2.5 hours forming the ferrite (α-BCC) structure with thin extended secondary Cr2N chromium nitrides. SP deformation of aged at 650 °С steel with the initial ferrite-nitride structure causes the subsolution of chromium nitrides and the formation of the most homogeneous and dispersed nano- and sub-microcrystalline α-phase structure compared with the γ+(15–20 vol. %)α structures formed by SP method in the aged at 550 °С and in the hardened steel with the initial austenitic matrix structure. Using the restituted-indentation method for microhardness measuring, it is determined that SP deformation of aged at 650 °С steel with the perlite-like ferrite-nitride structure leads to more effective hardening (up to 930 HV0.025) than of steel with the initial austenitic-nitride structure after quenching, quenching and ageing at 550 °С (hardness growth at SP deformation is up to 830 and 889 HV0.025 respectively). According to the microindentation data, after annealing at 650 °С and SP deformation, steel has the increased resistance to the elastic-plastic deformation upon the mechanical contact loading as well.

Разработка высокоазотистых экономнолегированных сталей является одним из перспективных направлений в создании высокопрочных, износо- и коррозионностойких материалов. В настоящей работе исследовано влияние больших пластических деформаций, реализуемых методом сдвига под давлением (СД) при комнатной температуре, на эволюцию структуры (методами электронной просвечивающей микроскопии и рентгеноструктурного анализа) и возможности упрочнения высокоазотистой (1,24 масс. % N) аустенитной стали 08Х22ГА1,24 с исходной α-ОЦК структурой металлической матрицы. Сталь была получена методом литья с противодавлением азота и подвергнута закалке от 1180 °С с последующим высокотемпературным старением при 650 °С продолжительностью 2,5 ч, формирующим ферритную (α-ОЦК) структуру с тонкими протяженными вторичными нитридами хрома Cr2N. Деформация СД состаренной при 650 °С стали с исходной феррито-нитридной структурой приводит к частичному растворению нитридов хрома и формированию наиболее однородной и диспергированной нано- и субмикрокристаллической структуры α-фазы по сравнению со структурами γ+(15–20 об. %)α, сформированными методом СД в состаренной при 550 °С и в закаленной стали с исходной аустенитной структурой матрицы. Измерениями микротвердости по методу восстановленного отпечатка установлено, что деформация СД состаренной при 650 °С стали с перлитоподобной феррито-нитридной структурой приводит к более эффективному упрочнению (до 930 HV0,025), чем у стали с исходной аустенитно-нитридной структурой после закалки, закалки и старения при 550 °С (рост твердости при СД соответственно до 830 и 890 HV0,025). По данным микроиндентирования сталь после отжига при 650 °С и СД обладает также повышенным сопротивлением упруго-пластическому деформированию при контактном механическом нагружении.

high-nitrogen austenitic steelshear under pressurenanostructuringnitrides dissolvingmicromechanical propertiesвысокоазотистая аустенитная стальсдвиг под давлениемнаноструктурированиерастворение нитридовмикромеханические свойстваРабота выполнена в рамках государственного задания ФАНО России по теме «Структура» № 01201463331 и Комплексной программы УрО РАН, проект № 15-15-2-16. Электронная просвечивающая микроскопия выполнена в Центре коллективного пользования «Электронная микроскопия» УрО РАН – отделе электронной микроскопии «Испытательного центра нанотехнологий и перспективных материалов» ИФМ УрО РАН. Статья подготовлена по материалам докладов участников VIII Международной школы «Физическое материаловедение» с элементами научной школы для молодежи, Тольятти, 3–12 сентября 2017 г.Rashev Ts. Vysokoazotistye stali. Metallurgiya pod davleniem [High-Nitrogen steels. Metallurgy under Pressure]. Sofiya, Bolgarskaya akademiya nauk Publ., 1995. 268 p.Рашев Ц. Высокоазотистые стали. Металлургия под давлением. София: Изд-во Болгарской академии наук, 1995. 268 с.Gavriljuk V.G., Berns H. High nitrogen steel: structure, properties, manufacture, applications. Springer, 1999. 378 p.Gavriljuk V.G., Berns H. High nitrogen steel: structure, properties, manufacture, applications. Berlin: Springer, 1999. 378 p.Bannykh O.A. Economical stainless nitrogen steels: promising substitutes of light alloys. Metal Science and Heat Treatment, 2005 vol. 47, no. 7-8, pp. 261–265.Банных О.А. Экономичные нержавеющие азотистые стали как перспективный заменитель легких сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. № 7. С. 9–13.Rashev T. High Nitrogen Steels and Metallurgy under Pressure. Transaction of the Indian Institute of Metals, 2002, vol. 55, no. 4, pp. 201–211.Rashev T. High Nitrogen Steels and Metallurgy under Pressure // Transaction of the Indian Institute of Metals. 2002. Vol. 55. № 4. P. 201–211.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.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.Makarov A.V., Korshunov L.G., Schastlivtsev V.M., Chernenko N.L., Filipov Yu.I. Structure and tribological and mechanical properties of high-chromium nitrogen-containing martensite-based steels. The Physics of Metals and Metallography, 2003, vol. 96, no. 3, pp. 339–350.Макаров А.В., Коршунов Л.Г., Счастливцев В.М., Черненко Н.Л., Филиппов Ю.И. Структура, трибологические и механические свойства азотсодержащих высокохромистых сталей с мартенситной основой // Физика металлов и металловедение. 2003. Т. 96. № 3. С. 101–112.Rawers J.C. Wear testing of high Fe-N-C steels. Wear, 2005, vol. 258, no. 1-4 (spec. iss.), pp. 32–39.Rawers J.C. Wear testing of high Fe-N-C steels // Wear. 2005. Vol. 258. № 1-4 (spec. iss.). P. 32–39.Savray R.A., Makarov A.V., Gorkunov E.S., Pecherkina N.L., Rogovaya S.A., Osintseva A.L., Kalinin G.Yu., Mushnikova S.Yu. Mechanical characteristics of nitrogen-containing austenitic 04KH20N6G11M2AFB steel under static tension at temperatures from −70 to +140 °С. Vektor nauki Tolyattinskogo gosudarstvennogo universiteta, 2015, no. 4, pp. 100–107.Саврай Р.А., Макаров А.В., Горкунов Э.С., Печеркина Н.Л., Роговая С.А., Осинцева А.Л., Калинин Г.Ю., Мушникова С.Ю. Механические характеристики азотистой аустенитной стали 04Х20Н6Г11М2АФБ при статическом растяжении в интервале температур от −70 до +140 °С // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2015. № 4. С. 100–107.Mitropol’skaya S.Yu., Vichuzhanin D.I., Berezovskaya V.V., Tueva E.A. Effect of elastoplastic deformation on the structure and magnetic properties of high-strength corrosion-resistant austenitic steel of type 03Kh20AG11N7M2. Metal Science and Heat Treatment, 2011, vol. 53, no. 1-2, pp. 65–69.Митропольская С.Ю., Вичужанин Д.И., Березовская В.В., Туева Е.А. Влияние упруго-пластического деформирования на структуру и магнитные свойства высокопрочной коррозионностойкой аустенитной стали типа 03Х20АГ11Н7М2 // Металловедение и термическая обработка металлов. 2011. № 2. С. 17–21.Gorkunov E.S., Zadvorkin S.M., Tueva E.A., Goruleva L.S., Podkopytova A.V. Effect of elastic-plastic deformation on the structure and magnetic properties 04KH20N6G11M2AFB steel. Deformatsiya i razrushenie materialov, 2011, no. 10, pp. 34–40.Горкунов Э.С., Задворкин С.М., Туева Е.А., Горулева Л.С., Подкорытова А.В. Влияние упругопластической деформации на структуру и магнитные свойства стали 04Х20Н6Г11М2АФБ // Деформация и разрушение материалов. 2011. № 10. С. 34–40.Kaputkina L.M., Prokoshkina V.G., Krysina N.N. Structure and strain-induced martensitic transformations of carbon-containing iron-based alloys. Russian Metallurgy (Metally), 2001, no. 6, pp. 628–632.Капуткина Л.М., Прокошкина В.Г., Крысина Н.Н. Структура и мартенситные превращения при деформации углерод- и азотсодержащих сплавов железа // Металлы. 2001. № 6. С. 80–84.Kostina M.V., Dymov A.V., Blinov V.M., Bannykh O.A. The effect of plastic strain on the structure and properties of high-nitrided alloys of the Fe-Cr system. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov, 2002, no. 1, pp. 8–13.Костина М.В., Дымов А.В., Блинов В.М., Банных О.А. Влияние пластической деформации на структуру и свойства высокоазотистых сплавов системы Fe-Cr // Металловедение и термическая обработка металлов. 2002. № 1. С. 8–13.Shabashov V.A., Korshunov L.G., Mukoseev A.G., Sagaradze V.V., Makarov A.V., Pilyugin V.P., Novikov S.I., Vildanova N.F. Deformation-induced phase transitions in a high-carbon steel. Materials Science and Engineering A, 2003, vol. 346, no. 1-2, pp. 196–207.Shabashov V.A., Korshunov L.G., Mukoseev A.G., Sagaradze V.V., Makarov A.V., Pilyugin V.P., Novikov S.I., Vildanova N.F. Deformation-induced phase transitions in a high-carbon steel // Materials Science and Engineering A. 2003. Vol. 346. № 1-2. P. 196–207.Sagaradze V.V., Shabashov V.A. Anomalous diffusion phase transformations in steels upon severe cold deformation. The Physics of Metals and Metallography, 2011, vol. 112, no. 2, pp. 146–164.Сагарадзе В.В., Шабашов В.А. Аномальные диффузионные фазовые превращения в сталях при интенсивной холодной деформации // Физика металлов и металловедение. 2011. Т. 112. № 2. С. 155–174.Shabashov V.A., Borisov S.V., Litvinov A.V., Zamatovsky A.E., Lyashkov K.A., Sagaradze V.V., Vildanova N.F. Mechanomaking of nanostructure in nitrided Fe-Cr alloys by cyclic “dissolution–precipitation” deformation-induced transformations. High Pressure Research, 2013, vol. 33, no. 4, pp. 795–812.Shabashov V.A., Borisov S.V., Litvinov A.V., Zamatovsky A.E., Lyashkov K.A., Sagaradze V.V., Vildanova N.F. Mechanomaking of nanostructure in nitrided Fe-Cr alloys by cyclic “dissolution–precipitation” deformation-induced transformations // High Pressure Research. 2013. Vol. 33. № 4. P. 795–812.Makarov A.V., Luchko S.N., Shabashov V.A., Volkova E.G., Osintseva A.L., Zamatovsky A.E., Litvinov A.V., Sagaradze V.V. 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.Gorkunov E.S., Makarov A.V., Zadvorkin S.M., Osintseva A.L., Mitropolskaya S.Yu., Burov S.V., Savray R.A., Rogovaya S.A., Rashev Ts., Zhekova L. Electromagnetic control of composition, hardness, and wear-resistance of high-nitrogen stainless steels. Defektoskopiya, 2012, no. 12, pp. 19–30.Горкунов Э.С., Макаров А.В., Задворкин С.М. Осинцева А.Л., Митропольская С.Ю., Буров С.В., Саврай Р.А., Роговая С.А., Рашев Ц., Жекова Л. Электромагнитный контроль фазового состава, твердости и износостойкости высокоазотистых нержавеющих сталей // Дефектоскопия. 2012. № 12. С. 19–30.Teplov V.A., Pilyugin V.P., Kuznetsov R.I., Tupitsa D.I., Shabashov V.A., Gundyrev V.M. The BCC-FCC transition induced by deformation under pressure of an iron-nickel alloy. The Physics of Metals and Metallography, 1987, vol. 64, no. 1, pp. 83–89.Теплов В.А., Пилюгин В.П., Кузнецов Р.И., Тупица Д.И., Шабашов В.А., Гундырев В.М. Фазовый ОЦК–ГЦК переход, вызываемый деформацией под давлением сплава железо–никель // Физика металлов и металловедение. 1987. Т. 64. № 1. С. 93–100.Shabashov V.A., Makarov A.V., Kozlov K.A., Sagaradze V.V., Zamatovsky A.E., Volkova E.G., Luchko S.N. Deformation-induced dissolution and precipitation of nitrides in austenite and ferrite of high nitrogen stainless steel. The Physics of Metals and Metallography, 2018, vol. 119, no. 2, pp. 196–20.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.Ehrhart P. Atomic Defects in Metals – Ir. Atomic defects in metals. Landolt-Börnstein–Group III Condensed Matter 25. Springer, 1991, pp. 242–250.Ehrhart P. Atomic Defects in Metals – Ir // Atomic defects in metals. Landolt-Börnstein–Group III Condensed Matter 25. Springer, 1991. P. 242–250.Berns H., Gavriljuk V., Reindner S. High interstitial stainless austenitic steels. Springer, 2013. 367 p.Berns H., Gavriljuk V., Reindner S. High interstitial stainless austenitic steels. Berlin: Springer, 2013. 367 p.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.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.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.Петржик М.И., Левашов Е.А. Современные методы изучения функциональных поверхностей перспективных материалов в условиях механического контакта // Кристаллография. 2007. Т. 52. № 6. С. 1002–1010.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. 614–618.Cheng Y.T., Cheng C.M. Relationships between hardness, elastic modulus and the work of indentation // Applied Physics Letters. 1998. Vol. 73. № 5. P. 614–618.Mayrhofer P.H., Mitterer C., Musil J. Structure-property relationships in single- and dual-phase nanocrystalline hard coatings. Surface and Coatings Technology, 2003, vol. 174-175, pp. 725–731.Mayrhofer P.H., Mitterer C., Musil J. Structure-property relationships in single- and dual-phase nanocrystalline hard coatings // Surface and Coatings Technology. 2003. Vol. 174-175. P. 725–731.