Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University94210.18323/2782-4039-2024-2-68-8ArticlesСтатьиUnknownAcoustic properties of 15-5 PH maraging steel after energy depositionАкустические свойства мартенситно-стареющей стали XM-12 после энергетических воздействийhttps://orcid.org/0000-0003-3442-8163MuravievaOlga V.МуравьеваОльга Владимировна
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering), Professor, professor of Chair “Instruments and Methods of Measurements, Testing, Diagnostics”

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Приборы и методы измерений, контроля, диагностики»

olgak166@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8590-1382MuravievVitaly V.МуравьевВиталий Васильевич
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering), Professor, professor of Chair “Instruments and Methods of Measurements, Testing, Diagnostics”

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Приборы и методы измерений, контроля, диагностики»

vmuraviev@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5128-6465VolkovaLyudmila V.ВолковаЛюдмила Владимировна
Russian Federation

PhD (Engineering), Associate Professor, assistant professor of Chair “Instruments and Methods of Measurements, Testing, Diagnostics”

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Приборы и методы измерений, контроля, диагностики»

ludmila396@rambler.ruhttps://orcid.org/0009-0006-1813-2011VladykinAleksey L.ВладыкинАлексей Леонидович
Russian Federation

postgraduate student

аспирант

pmkk@istu.ruBelosludtsevKonstantin Yu.БелослудцевКонстантин Юрьевич
Russian Federation

graduate student

магистрант

kostya.belka99@yandex.ruKalashnikov Izhevsk State Technical University Udmurt Federal Research Center of the Ural branch of the RASИжевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения РАНKalashnikov Izhevsk State Technical University Udmurt Federal Research Center of the Ural branch of the RASИжевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова, Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения РАНKalashnikov Izhevsk State Technical UniversityИжевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова280620242871002806202428062024Copyright ©; 2024, Muravieva O.V., Muraviev V.V., Volkova L.V., Vladykin A.L., Belosludtsev K.Y.Copyright ©; 2024, Муравьева О.В., Муравьев В.В., Волкова Л.В., Владыкин А.Л., Белослудцев К.Ю.2024Muravieva O.V., Muraviev V.V., Volkova L.V., Vladykin A.L., Belosludtsev K.Y.Муравьева О.В., Муравьев В.В., Волкова Л.В., Владыкин А.Л., Белослудцев К.Ю.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/942

The study of the acoustic properties of maraging steels operated under various energy force and temperature actions is a critical task, since it is the method of acoustic structuroscopy that provides the most reliable connection with the structure, stress-strain state and mechanical properties of steels. The paper is devoted to research of the acoustic properties of the 15-5 PH maraging steel samples under various types of heat treatment under the conditions of mechanical tensile and cyclic loads. Samples of the 15-5 PH maraging steel were studied in three structural states: solid solution annealing and subsequent aging at 470 and 565 °C; during tensile tests; during cyclic tension-compression loading. The research used a unique scientific installation “Information-measuring complex for investigation of acoustic properties of materials and products”. It implements the acoustic mirror-shadow multiple reflections method using electromagnetic-acoustic and piezoelectric transducers based on polyvinylidene fluoride film to excite and receive waves and allows determining the velocity of wave propagation with an error of no more than 2 m/s. The acoustic (wave velocity, elastic moduli, electromagnetic-acoustical (EMA) transformation coefficients, acoustic anisotropy coefficients, acoustoelastic coupling coefficients) and electromagnetic (coercive force and electrical conductivity) characteristics of the samples were examined. The samples were studied in the initial state (before loading); stepwise in the process of tensile loads and subsequent unloading; after tensile tests; during cyclic tension-compression loading. It was revealed that the following acoustic parameters of 15-5 PH steel samples are the greatest structural sensitivity to mechanical tensile load and cyclic loading: transverse wave velocity, Poisson’s ratio, double EMA-transformation coefficient, and acoustic anisotropy coefficient.

Исследование акустических свойств мартенситно-стареющих сталей, эксплуатируемых в условиях различных энергетических силовых и температурных воздействий, является актуальной задачей, так как именно метод акустической структуроскопии обеспечивает наиболее достоверную связь со структурой, напряженно-деформированным состоянием и механическими свойствами сталей. Работа посвящена исследованию акустических свойств образцов мартенситно-стареющей стали XM-12 при различных термических обработках в условиях механических растягивающих и циклических нагрузок. Исследованы образцы мартенситно-стареющей стали XM-12 в трех структурных состояниях: после отжига на твердый раствор и последующего старения при 470 и 565 °С; при испытаниях на растяжение; в процессе циклической нагрузки растяжения-сжатия. В исследованиях использована уникальная научная установка «Информационно-измерительный комплекс для исследований акустических свойств материалов и изделий». Она реализует акустический зеркально-теневой метод на многократных отражениях с применением электромагнитно-акустического и пьезоэлектрического преобразователей на основе поливинилиденфторидной пленки для возбуждения и приема волн и позволяет определить скорости распространения волн с погрешностью не более 2 м/с. Исследованы акустические (скорость волн, упругие модули, коэффициенты электромагнитно-акустического (ЭМА) преобразования, коэффициенты акустической анизотропии, коэффициенты акустоупругой связи) и электромагнитные (коэрцитивная сила и электропроводность) характеристики образцов: в исходном состоянии (до нагружения); пошагово в процессе растягивающих нагрузок и последующего разгружения; после испытаний на растяжение; в процессе циклической нагрузки растяжения-сжатия. Выявлено, что наибольшей структурной чувствительностью к механической растягивающей нагрузке и циклическому нагружению являются следующие акустические параметры образцов стали XM-12: скорость поперечной волны, коэффициент Пуассона, коэффициент двойного ЭМА-преобразования и коэффициент акустической анизотропии.

15-5 PH maraging steelacoustic propertiesheat treatmentmechanical tensile loadcyclic loadingмартенситно-стареющая сталь XM-12акустические свойстватермическая обработкамеханическая растягивающая нагрузкациклическое нагружениеThe study was supported by the grant of the Russian Science Foundation (project No. 22-19-00252, https://rscf.ru/project/22-19-00252/) using the Unique Scientific Installation “Information-measuring complex for investigation of acoustic properties of materials and products” (registration number 586308). The paper was written on the reports of the participants of the XI International School of Physical Materials Science (SPM-2023), Togliatti, September 11–15, 2023.Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (грант № 22-19-00252, https://rscf.ru/project/22-19-00252/) с использованием УНУ «Информационно-измерительный комплекс для исследований акустических свойств материалов и изделий» (рег. номер 586308). Статья подготовлена по материалам докладов участников XI Международной школы «Физическое материаловедение» (ШФМ-2023), Тольятти, 11–15 сентября 2023 года.Eremin E.N., Losev A.S., Ponomarev I.A., Borodikhin S.A. Thermal treatment impact upon structure, properties and phase structure of steel 10G7M3S2AFTYU weld with powder wire. Science intensive technologies in mechanical engineering, 2020, no. 5, pp. 3–8. DOI: 10.30987/2223-4608-2020-5-3-8.Еремин Е.Н., Лосев А.С., Пономарев И.А., Бородихин С.А. Влияние режимов термической обработки на структуру, свойства и фазовый состав стали 10Г7М3С2АФТЮ, наплавленной порошковой проволокой // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2020. № 5. С. 3–8. DOI: 10.30987/2223-4608-2020-5-3-8.Gromov V.I., Yakusheva N.A., Polunov I.L. Evaluation of the effect of heat treatment on mechanical properties of maraging steels in the alloying system Fe–Ni–Mo–Ti–Al. Trudy VIAM (Proceedings of VIAM), 2017, no. 11, pp. 12–20. DOI: 10.18577/2307-6046-2017-0-11-2-2.Громов В.И., Якушева Н.А., Полунов И.Л. Оценка влияния режимов термической обработки на уровень механических свойств мартенситостареющих сталей системы легирования Fe–Ni–Mo–Ti–Al // Труды ВИАМ. 2017. № 11. С. 12–20. DOI: 10.18577/2307-6046-2017-0-11-2-2.Couturier L., De Geuser F., Deschamps A. Microstructural evolution during long time aging of 15–5PH stainless steel. Materialia, 2020, vol. 9, article number 100634. DOI: 10.1016/j.mtla.2020.100634.Couturier L., De Geuser F., Deschamps A. Microstructural evolution during long time aging of 15–5PH stainless steel // Materialia. 2020. Vol. 9. Article number 100634. DOI: 10.1016/j.mtla.2020.100634.Niu Jingpeng, Cui Bing, Jin Huijin, Yan Jialing, Meng Wei, Min Chunying, Xu Dong. Effect of Post-Weld Aging Temperature on Microstructure and Mechanical Properties of Weld Metal of 15-5 PH. Journal of Materials Engineering and Performance, 2020, vol. 29, pp. 7026–7033. DOI: 10.1007/s11665-020-05193-y.Niu Jingpeng, Cui Bing, Jin Huijin, Yan Jialing, Meng Wei, Min Chunying, Xu Dong. Effect of Post-Weld Aging Temperature on Microstructure and Mechanical Properties of Weld Metal of 15-5 PH // Journal of Materials Engineering and Performance. 2020. Vol. 29. P. 7026–7033. DOI: 10.1007/s11665-020-05193-y.Jin Chunhui, Zhou Honglin, Lai Yuan, Li Bei, Zhang Kewei, Chen Huiqin Zhao Jinhua. Microstructure and mechanical properties of 15-5 PH stainless steel under different aging temperature. Metallurgical Research and Technology, 2021, vol. 118, no. 6, article number 601. DOI: 10.1051/metal/2021078.Jin Chunhui, Zhou Honglin, Lai Yuan, Li Bei, Zhang Kewei, Chen Huiqin, Zhao Jinhua. Microstructure and mechanical properties of 15-5 PH stainless steel under different aging temperature // Metallurgical Research and Technology. 2021. Vol. 118. № 6. Article number 601. DOI: 10.1051/metal/2021078.Valiorgue F., Zmelty V., Dumas M., Chomienne V., Verdu C., Lefebvre F., Rech J. Influence of residual stress profile and surface microstructure on fatigue life of a 15-5PH. Procedia Engineering, 2018, vol. 213, pp. 623–629. DOI: 10.1016/j.proeng.2018.02.058.Valiorgue F., Zmelty V., Dumas M., Chomienne V., Verdu C., Lefebvre F., Rech J. Influence of residual stress profile and surface microstructure on fatigue life of a 15-5PH // Procedia Engineering. 2018. Vol. 213. P. 623–629. DOI: 10.1016/j.proeng.2018.02.058.Zhou Tao, Faleskog J., Babu R.P., Odqvist J., Yu Hao, Hedström P. Exploring the relationship between the microstructure and strength of fresh and tempered martensite in a maraging stainless steel Fe–15Cr–5Ni. Materials Science and Engineering: A, 2019, vol. 745, pp. 420–428. DOI: 10.1016/j.msea.2018.12.126.Zhou Tao, Faleskog J., Babu R.P., Odqvist J., Yu Hao, Hedström P. Exploring the relationship between the microstructure and strength of fresh and tempered martensite in a maraging stainless steel Fe–15Cr–5Ni // Materials Science and Engineering: A. 2019. Vol. 745. P. 420–428. DOI: 10.1016/j.msea.2018.12.126.Avula I., Arohi A.Ch., Kumar Ch.S., Sen I. Microstructure, Corrosion and Mechanical Behavior of 15-5 PH Stainless Steel Processed by Direct Metal Laser Sintering. Journal of Materials Engineering and Performance, 2021, vol. 30, pp. 6924–6937. DOI: 10.1007/s11665-021-06069-5.Avula I., Arohi A.Ch., Kumar Ch.S., Sen I. Microstructure, Corrosion and Mechanical Behavior of 15-5 PH Stainless Steel Processed by Direct Metal Laser Sintering // Journal of Materials Engineering and Performance. 2021. Vol. 30. P. 6924–6937. DOI: 10.1007/s11665-021-06069-5.Nong X.D., Zhou X.L., Li J.H., Wang Y.D., Zhao Y.F., Brochu M. Selective laser melting and heat treatment of precipitation hardening stainless steel with a refined microstructure and excellent mechanical properties. Scripta Materialia, 2020, vol. 178, pp. 7–12. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2019.10.040.Nong X.D., Zhou X.L., Li J.H., Wang Y.D., Zhao Y.F., Brochu M. Selective laser melting and heat treatment of precipitation hardening stainless steel with a refined microstructure and excellent mechanical properties // Scripta Materialia. 2020. Vol. 178. P. 7–12. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2019.10.040.Sarkar S., Mukherjee S., Kumar Ch.S., Nath A.K. Effects of heat treatment on microstructure, mechanical and corrosion properties of 15-5 PH stainless steel parts built by selective laser melting process. Journal of Manufacturing Processes, 2020, vol. 150, pp. 279–294. DOI: 10.1016/j.jmapro.2019.12.048.Sarkar S., Mukherjee S., Kumar Ch.S., Nath A.K. Effects of heat treatment on microstructure, mechanical and corrosion properties of 15-5 PH stainless steel parts built by selective laser melting process // Journal of Manufacturing Processes. 2020. Vol. 150. P. 279–294. DOI: 10.1016/j.jmapro.2019.12.048.Sarkar S., Kumar Ch.S., Nath A.K. Effects of heat treatment and build orientations on the fatigue life of selective laser melted 15-5 PH stainless steel. Materials Science and Engineering: A, 2019, vol. 755, pp. 235–245. DOI: 10.1016/j.msea.2019.04.003.Sarkar S., Kumar Ch.S., Nath A.K. Effects of heat treatment and build orientations on the fatigue life of selective laser melted 15-5 PH stainless steel // Materials Science and Engineering: A. 2019. Vol. 755. P. 235–245. DOI: 10.1016/j.msea.2019.04.003.Gorkunov E.S., Povolotskaya A.M., Zadvorkin S.M., Putilova E.A., Mushnikov A.N., Bazulin E.G., Vopilkin A.K. Some features in the behavior of magnetic and acoustic characteristics of hot-rolled 08G2B steel under cyclic loading. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2019, vol. 55, no. 11, pp. 827–836. DOI: 10.1134/S0130308219110034.Горкунов Э.С., Поволоцкая А.М., Задворкин С.М., Путилова Е.А., Мушников А.Н., Базулин Е.Г., Вопилкин А.Х. Особенности поведения магнитных и акустических характеристик горячекатаной стали 08Г2Б при циклическом нагружении // Дефектоскопия. 2019. № 11. С. 21–31. DOI: 10.1134/S0130308219110034.Takeda S., Uchimoto T., Kita A., Matsumoto T., Sasaki T. Mechanism study of the residual stress evaluation of low-carbon steels using the eddy current magnetic signature method. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2021, vol. 538, article number 168268. DOI: 10.1016/j.jmmm.2021.168268.Takeda S., Uchimoto T., Kita A., Matsumoto T., Sasaki T. Mechanism study of the residual stress evaluation of low-carbon steels using the eddy current magnetic signature method // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2021. Vol. 538. Article number 168268. DOI: 10.1016/j.jmmm.2021.168268.Mishakin V.V., Gonchar A.V., Klyushnikov V.A., Kurashkin K.V. Study of the effect of plastic deformation on the crystallographic texture and acoustic characteristics of low-alloy steel. Problems of Strength and Plasticity / Problemy prochnosti i plastichnosti, 2021, vol. 83, no. 3, pp. 255–264. DOI: 10.32326/1814-9146-2021-83-3-255-264.Мишакин В.В., Гончар А.В., Клюшников В.А., Курашкин К.В. Исследование влияния пластического деформирования на кристаллографическую текстуру и ультразвуковые характеристики низколегированной стали // Проблемы прочности и пластичности. 2021. Т. 83. № 3. С. 255–264. DOI: 10.32326/1814-9146-2021-83-3-255-264.Gonchar A.V., Klyushnikov V.A., Mishakin V.V. The effect of plastic deformation and subsequent heat treatment on the acoustic and magnetic properties of 12Khl8N10T steel. Industrial laboratory. Diagnostics of materials, 2019, vol. 85, no. 2, pp. 23–28. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-2-23-28.Гончар А.В., Клюшников В.А., Мишакин В.В. Влияние пластического деформирования и последующей термообработки на акустические и электромагнитные свойства стали 12Х18Н10Т // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 2. С. 23–28. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-2-23-28.Mishakin V.V., Gonchar A.V., Kurashkin K.V., Klyushnikov V.A., Kachanov M. On low-cycle fatigue of austenitic steel. Part I: Changes of Poisson’s ratio and elastic anisotropy. International Journal of Engineering Science, 2021, vol. 168, article number 103567. DOI: 10.1016/j.ijengsci.2021.103567.Mishakin V.V., Gonchar A.V., Kurashkin K.V., Klyushnikov V.A., Kachanov M. On low-cycle fatigue of austenitic steel. Part I: Changes of Poisson’s ratio and elastic anisotropy // International Journal of Engineering Science. 2021. Vol. 168. Article number 103567. DOI: 10.1016/j.ijengsci.2021.103567.Uglov A.L., Khlybov A.A., Bychkov A.L., Kuvshinov M.O. About Non-Destructive Control of Residual Stresses in Axisymmetric Parts Made of Steel 03Ni17Co10W10MoTi. Vestnik IzhGTU imeni M.T. Kalashnikova, 2019, vol. 22, no. 4, pp. 3–9. DOI: 10.22213/2413-1172-2019-4-3-9.Углов А.Л., Хлыбов А.А., Бычков А.Л., Кувшинов М.О. О неразрушающем контроле остаточных напряжений в деталях осесимметричной формы из стали 03Н17К10В10МТ // Вестник ИжГТУ имени М.Т. Калашникова. 2019. Т. 22. № 4. С. 3–9. DOI: 10.22213/2413-1172-2019-4-3-9.Muravev V.V., Lenkov S.V., Tapkov K.A. In-production nondestructive testing of internal stresses in rails using acoustoelasticity method. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2019, vol. 55, no. 1, pp. 8–14. DOI: 10.1134/S01303082190100020.Муравьев В.В., Тапков К.А., Леньков С.В. Неразрушающий контроль внутренних напряжений в рельсах при изготовлении с использованием метода акустоупругости // Дефектоскопия. 2019. № 1. С. 10–16. DOI: 10.1134/S01303082190100020.Khlybov A.A., Kabaldin Yu.G., Ryabov D.A., Anosov M.S., Shagatin D.A. Study of the damage to 12Cr18Ni10Ti steel samples under low cycle fatigue using methods of nondestructive control. Industrial laboratory. Diagnostics of materials, 2021, vol. 87, no. 5, pp. 61–67. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-5-61-67.Хлыбов А.А., Кабалдин Ю.Г., Рябов Д.А., Аносов М.С., Шагатин Д.А. Исследование поврежденности образцов из стали 12Х18Н10Т при малоцикловой усталости методами неразрушающего контроля // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2021. Т. 87. № 5. С. 61–67. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-5-61-67.Muraveva O.V., Muravev V.V., Basharova A.F., Sintsov M.A., Bogdan O.P. Thermal treatment effect and structural state of rod-shaped assortment 40Kh steel on the speed of ultrasound waves and poisson coefficient. Steel in Translation, 2020, vol. 50, no. 8, pp. 579–584. EDN: MKTWDN.Муравьева О.В., Муравьев В.В., Башарова А.Ф., Синцов М.А., Богдан О.П. Влияние термической обработки и структурного состояния стали 40Х пруткового сортамента на скорость ультразвуковых волн и коэффициент Пуассона // Сталь. 2020. № 8. С. 63–68. EDN: MKTWDN.Muravev V.V., Muraveva O.V., Vagapov T.R., Makarova V.E., Stepanova E.A. Acoustic and electromagnetic properties of civilian gun blanks. Intelligent Systems in Manufacturing, 2023, vol. 21, no. 1, pp. 59–70. EDN: KBBVGW.Муравьев В.В., Муравьева О.В., Вагапов Т.Р., Макарова В.Е., Степанова Е.А. Акустические и электромагнитные свойства заготовок стволов гражданских ружей // Интеллектуальные системы в производстве. 2023. Т. 21. № 1. С. 59–70. EDN: KBBVGW.Muravev V.V., Budrin A.Yu., Sintsov M.A. Influence of high-cycle fatigue on the speed of shear and Rayleigh waves in steel bars of different heat treatment. Intelligent Systems in Manufacturing, 2020, vol. 18, no. 4, pp. 4–10. DOI: 10.22213/2410-9304-2020-4-10.Муравьев В.В., Будрин А.Ю., Синцов М.А. Влияние циклически изменяющихся нагрузок на скорости сдвиговых и рэлеевских волн в стальных прутках разной термической обработки // Интеллектуальные системы в производстве. 2020. Т. 18. № 4. С. 4–10. DOI: 10.22213/2410-9304-2020-4-10.Muravev V.V., Budrin A.Yu., Sintsov M.A. Structuroscopy of heat-treated steel bars by the speed of propagation of Rayleigh waves. Intelligent Systems in Manufacturing, 2020, vol. 18, no. 2, pp. 37–43. DOI: 10.22213/2410-9304-2020-2-37-43.Муравьев В.В., Будрин А.Ю., Синцов М.А. Структуроскопия термически обработанных стальных прутков по скорости распространения рэлеевских волн // Интеллектуальные системы в производстве. 2020. Т. 18. № 2. С. 37–43. DOI: 10.22213/2410-9304-2020-2-37-43.Muraveva O.V., Brester A.F., Muravev V.V. Сomparative sensitivity of informative parameters of electromagnetic-acoustic mirror-shadow multiple reflections method during bar stock testing. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2022, vol. 58, no. 8, pp. 689–704. EDN: BQEKGO.Муравьева О.В., Брестер А.Ф., Муравьев В.В. Сравнительная чувствительность информативных параметров электромагнитно-акустического зеркально-теневого метода на многократных отражениях при контроле пруткового проката // Дефектоскопия. 2022. № 8. С. 36–51. EDN: BQEKGO.Kazantseva N.V., Merkushev A.G., Shishkin D.A., Ezhov I.V., Davidov D.I., Rigmant M.B., Terentev P.B., Egorova L.Yu. Magnetic Properties and Structure of Products from 1.4540 Stainless Steel Manufactured by 3D Printing. Physics of Metals and Metallography, 2019, vol. 120, pp. 1270–1275. DOI: 10.1134/S0031918X19130118.Kazantseva N.V., Merkushev A.G., Shishkin D.A., Ezhov I.V., Davidov D.I., Rigmant M.B., Terentev P.B., Egorova L.Yu. Magnetic Properties and Structure of Products from 1.4540 Stainless Steel Manufactured by 3D Printing // Physics of Metals and Metallography. 2019. Vol. 120. P. 1270–1275. DOI: 10.1134/S0031918X19130118.