Микроструктура, свойства и механизмы упрочнения низкоуглеродистой стали, подвергнутой равноканальному угловому прессованию

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В работе методом равноканального углового прессования (РКУП) (8 проходов, 200 °С) сформировано ультрамелкозернистое (УМЗ) состояние в низкоуглеродистой стали, демонстрирующее высокие механические свойства (предел текучести 1021 МПа, предел прочности 1072 МПа, пластичность 10,7 %) наряду с удовлетворительной коррозионной стойкостью (0,345 мм/год). Для объяснения причин повышения прочностных и изменения коррозионных свойств проанализирована микроструктура УМЗ стали методами электронной микроскопии и рентгеновского рассеяния. В частности, методами электронной микроскопии установлено измельчение структуры подвергнутой РКУП стали, в результате которого формируются равноосные зерна со средним размером ~240 нм. Модифицированные рентгеновские методики Вильямсона – Холла и Уоррена – Авербаха применены для получения закономерностей изменения размера областей когерентного рассеяния, плотности ρ и доли fs дислокаций винтового типа, внешнего эффективного радиуса Re сечения дислокаций и ряда других параметров в низкоуглеродистой стали в зависимости от числа проходов (степени деформации) РКУП. Методами рентгенофазового анализа и малоуглового рентгеновского рассеяния найдены закономерности изменения массовой доли, размера и морфологии различных преципитатов от числа проходов РКУП. На основе полученных данных предложена модель трансформации микроструктуры стали при формировании в ней УМЗ состояния. Обсуждаются механизмы упрочнения крупнокристаллической и УМЗ стали. Обнаружено, что в исходном состоянии прочность стали в основном обеспечивается за счет зернограничного упрочнения и выпадения преципитатов Ме23С6 и Ме3С2 малого размера. Показано, что при формировании УМЗ структуры стали прочность возрастает в результате зернограничного упрочнения и роста плотности дислокаций. Вклад в упрочнение преципитатов в УМЗ состоянии понижается, и это обусловлено их ростом при обработке РКУП. Выявлено, что увеличение скорости коррозии УМЗ стали объясняется уменьшением размера ферритных зерен, повышением плотности зернограничных дислокаций и формированием ячеистой структуры.

Об авторах

Андрей Владимирович Малинин

ООО «РН-БашНИПИнефть»

Автор, ответственный за переписку.
Email: MalininAV@bnipi.rosneft.ru
ORCID iD: 0000-0003-1185-5648

кандидат технических наук, заместитель генерального директора по исследованиям

Россия, 450006, Россия, г. Уфа, ул. Ленина, 86/1

Список литературы

  1. Zayed E.M., Shazly M., El-Sabbagh A., El-Mahallawy N.A. Deformation behavior and properties of severe plastic deformation techniques for bulk materials: A review // Heliyon. 2023. Vol. 9. № 6. Article number e16700. doi: 10.1016/j.heliyon.2023.e16700.
  2. Еникеев Н.А., Абрамова М.М., Смирнов И.В., Мавлютов А.М., Ким Ю.Г., Ли Х.С., Ким Х.С. Поведение стали с пластичностью, наведенной двойникованием, при многопроходном равноканальном угловом прессовании при повышенных температурах // Физическая мезомеханика. 2024. Т. 27. № 4. С. 85–99. doi: 10.55652/1683-805X_2024_27_4_85-99.
  3. Figueiredo R.B., Langdon T.G. Deformation mechanisms in ultrafine-grained metals with an emphasis on the Hall–Petch relationship and strain rate sensitivity // Journal of Materials Research and Technology. 2021. Vol. 14. P. 137–159. doi: 10.1016/j.jmrt.2021.06.016.
  4. Kasaeian-Naeini M., Sedighi M., Hashemi R. Severe plastic deformation (SPD) of biodegradable magnesium alloys and composites: A review of developments and prospects // Journal of Magnesium and Alloys. 2022. Vol. 10. № 4. P. 938–955. doi: 10.1016/j.jma.2021.11.006.
  5. Li Changsheng, Shao Zhibao, Li Kun, Peng Lianggui, Dong Jingbo. Mechanical properties and plastic deformation mechanisms of Fe–Cr–Ni–Mn–Mo–0.37/0.47 N low magnetic stainless-steel plates // Materials Chemistry and Physics. 2025. Vol. 344. Article number 131114. doi: 10.1016/j.matchemphys.2025.131114.
  6. Levitas V.I. Steady states in severe plastic deformations and microstructure at normal and high pressure // Journal of Materials Research and Technology. 2025. Vol. 36. P. 382–397. doi: 10.1016/j.jmrt.2025.03.060.
  7. Ranaware P.G. Effect of severe plastic deformation on aging kinetics of precipitation hardening 17–4 stainless steel // Materials Today: Proceedings. 2022. Vol. 62. Part 14. P. 7600–7604. doi: 10.1016/j.matpr.2022.04.783.
  8. Усманов Э.И., Резяпова Л.Р., Валиев Р.З. Высокопрочное состояние и механизмы упрочнения титана с ультрамелкозернистой структурой // Физическая мезомеханика. 2023. Т. 26. № 3. С. 5–17. doi: 10.55652/1683-805X_2023_26_3_5.
  9. Cho Yeonggeun, Cho Hyung-Jun, Noh Han-Seop, Kim Sung-Ho, Kim Sung-Joon. Strengthening mechanism and martensite transformation behavior in grain-refined low-Ni austenitic stainless steel // Materials Science and Engineering: A. 2024. Vol. 916. Article number 147368. doi: 10.1016/j.msea.2024.147368.
  10. Mohd Yusuf Sh., Chen Ying, Yang Shoufeng, Gao Nong. Microstructural evolution and strengthening of selective laser melted 316L stainless steel processed by high-pressure torsion // Materials Characterization. 2019. Vol. 159. Article number 110012. doi: 10.1016/j.matchar.2019.110012.
  11. Zrník J., Kraus L., Dobatkin S.V. Influence of Thermal Condition of ECAP on Microstructure Evolution in Low Carbon Steel // Materials Science Forum. 2007. Vol. 558-559. Part 1. P. 611–616. doi: 10.4028/0-87849-443-x.611.
  12. Zrnik J., Lapovok R., Raab G.I. Prior thermo-mechanical processing to modify structure and properties of severely deformed low carbon steel // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2014. Vol. 63. Article number 012066. doi: 10.1088/1757-899X/63/1/012066.
  13. Wang Jing Tao, Xu Cheng, Du Zhong Ze, Qu Guo Zhong, Langdon T.G. Microstructure and properties of a low-carbon steel processed by equal-channel angular pressing // Materials Science and Engineering: A. 2005. Vol. 410–411. P. 312–315 doi: 10.1016/j.msea.2005.08.111.
  14. Hajizadeh K., Kurzydlowski K.J. On the possibility of fabricating fully austenitic sub-micron grained AISI 304 stainless steel via equal channel angular pressing // Material Today Communications. 2023. Vol. 35. Article number 105641. doi: 10.1016/j.mtcomm.2023.105641.
  15. Wauthier-Monnin A., Chauveau T., Castelnau O., Réglé H., Bacroix B. The evolution with strain of the stored energy in different texture components of cold-rolled IF steel revealed by high resolution X-ray diffraction // Materials Characterization. 2015. Vol. 104. P. 31–41. doi: 10.1016/j.matchar.2015.04.005.
  16. Hao Ting, Tang Haiyin, Luo Guangnan, Wang Xianping, Liu Changsong, Fang Qianfeng. Enhancement effect of inter-pass annealing during equal channel angular pressing on grain refinement and ductility of 9Cr1Mo steel // Materials Science and Engineering: A. 2016. Vol. 667. P. 454–458. doi: 10.1016/j.msea.2016.04.098.
  17. Das Bakshi S., Sinha D., Ghosh Chowdhury S. Anisotropic broadening of XRD peaks of α′-Fe: Williamson–Hall and Warren–Averbach analysis using full width at half maximum (FWHM) and integral breadth (IB) // Materials Characterization. 2018. Vol. 142. P. 144–153. doi: 10.1016/j.matchar.2018.05.018.
  18. Das S.R., Shyamal S., Shee S.K., Kömi J.I., Sahu P. X-ray line profile analysis of the deformation microstructure in a medium-grained Fe-Mn-Al-C austenitic steel // Materials Characterization. 2021. Vol. 172. Article number 110833. doi: 10.1016/j.matchar.2020.110833.
  19. Schafler E., Zehetbauer M.J., Ungár T. Measurement of screw and edge dislocation density by means of X-ray Bragg profile analysis // Materials Science and Engineering: A. 2001. Vol. 319-321. P. 220–223. doi: 10.1016/S0921-5093(01)00979-0.
  20. Sitdikov V.D., Murashkin M.Yu., Valiev R.Z. Full-scale use of X-ray scattering techniques to characterize aged Al-2wt.%Cu alloy // Journal of Alloys and Compounds. 2018. Vol. 735. P. 1792–1798. doi: 10.1016/j.jallcom.2017.11.282.
  21. Gubicza J., Ungár T. Characterization of defect structures in nanocrystalline materials by X-ray line profile analysis // Zeitschrift für Kristallographie - Crystalline Materials. 2007. Vol. 222. № 11. P. 567–579. doi: 10.1524/zkri.2007.222.11.567.
  22. Ungár T., Dragomir I., Révész Á., Borbély A. The contrast factors of dislocations in cubic crystals: the dislocation model of strain anisotropy in practice // Journal of Applied Crystallography. 1999. Vol. 32. P. 992–1002. doi: 10.1107/s0021889899009334.
  23. Park Soon-Dong, Kim Sung Youb, Kim Daeyong. Ab initio investigations of the interfacial bond of Fe(001)/Al(001) // Materials Today Communications. 2021. Vol. 26. Article number 102107. doi: 10.1016/j.mtcomm.2021.102107.
  24. Ren Yang, Zuo Xiaoding. Synchrotron X-Ray and Neutron Diffraction, Total Scattering, and Small-Angle Scattering Techniques for Rechargeable Battery Research // Small Methods. 2018. Vol. 2. № 8. Article number 1800064. doi: 10.1002/smtd.201800064.
  25. Huyan F., Larker R., Rubin P., Hedström P. Effect of Solute Silicon on the Lattice Parameter of Ferrite in Ductile Irons // ISIJ International. 2014. Vol. 54. № 1. P. 248–250. doi: 10.2355/isijinternational.54.248.
  26. Mughrabi H. Dislocation wall and cell structures and long-range internal stresses in deformed metal crystals // Acta Metallurgica. 1983. Vol. 31. № 9. P. 1367–1379. doi: 10.1016/0001-6160(83)90007-x.
  27. Zehetbauer M. Cold work hardening in stages IV and V of F.C.C. metals – II. Model fits and physical results // Acta Metallurgica et Materialia. 1993. Vol. 41. № 2. P. 589–599. doi: 10.1016/0956-7151(93)90089-b.
  28. Ungár T., Révész Á., Borbély A. Dislocations and Grain Size in Electrodeposited Nanocrystalline Ni Determined by the Modified Williamson–Hall and Warren–Averbach Procedures // Journal of Applied Crystallography. 1998. Vol. 31. P. 554–558. doi: 10.1107/S0021889897019559.
  29. Wu R., Zaiser M. Cell structure formation in a two-dimensional density-based dislocation dynamics model // Journal of Materials Science: Materials Theory. 2021. Vol. 5. Article number 3. doi: 10.1186/s41313-020-00025-x.
  30. Sauvage X., Enikeev N.A., Valiev R.Z., Nasedkina Y., Murashkin M.Yu. Atomic-scale analysis of the segregation and precipitation mechanisms in a severely deformed Al–Mg alloy // Acta Materialia. 2014. Vol. 72. P. 125–136. doi: 10.1016/j.actamat.2014.03.033.
  31. Islamgaliev R.K., Nikitina M.A., Ganeev A.V., Sitdikov V.D. Strengthening mechanisms in ultrafine-grained ferritic/martensitic steel produced by equal channel angular pressing // Materials Science and Engineering: A. 2019. Vol. 744. P. 163–170. doi: 10.1016/j.msea.2018.11.141.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Малинин А.В., 2025

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах