ВЛИЯНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ НА ФАЗОВЫЙ И ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ УПРОЧНЕННЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ АУСТЕНИТНОЙ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ, ФОРМИРУЕМЫХ ПРИ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКЕ

  • Валентина Александровна Москвина Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук
  • Елена Геннадьевна Астафурова Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук
  • Камиль Нуруллаевич Рамазанов Уфимский государственный авиационный технический университет
  • Галина Геннадьевна Майер Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук
  • Сергей Владимирович Астафуров Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук
  • Марина Юрьевна Панченко Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук
  • Евгений Васильевич Мельников Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук
  • Елена Андреевна Загибалова Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Ключевые слова: аустенитная нержавеющая сталь, прокатка, зеренно-субзеренная структура, дефекты кристаллического строения, дислокации, ионно-плазменная обработка, рентгеновская дифракция, электронная оже-спектроскопия, твердорастворное упрочнение, дисперсионное твердение

Аннотация

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.

Биографии авторов

Валентина Александровна Москвина, Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук

аспирант, младший научный сотрудник

Елена Геннадьевна Астафурова, Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук

доктор физико-математических наук, доцент, ведущий научный сотрудник

Камиль Нуруллаевич Рамазанов, Уфимский государственный авиационный технический университет

доктор технических наук, профессор

Галина Геннадьевна Майер, Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук

кандидат физико-математических наук, научный сотрудник

Сергей Владимирович Астафуров, Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Марина Юрьевна Панченко, Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук

аспирант, младший научный сотрудник

Евгений Васильевич Мельников, Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук

младший научный сотрудник

Елена Андреевна Загибалова, Национальный исследовательский Томский политехнический университет

студент

Литература

1. Lo K.H., Shek C.H., Lai J.K.L. Recent development in stainless steels // Materials Science and Engineering R: Reports. 2009. Vol. 65. № 4-6. P. 39–104.
2. Charles J. The new 200-series: an alternative answer to Ni surcharge? Risks or opportunities? // Revue de Metallurgie. 2007. Vol. 104. № 6. P. 308–317.
3. Menthe E., Rie K.-T. Further investigation of the structure and properties of austenitic stainless steel after plasma nitriding // Surface and Coatings Technology. 1999. Vol. 116-199. P. 199–204.
4. Christiansen T., Somers M.A.J. Low temperature gaseous nitriding and carburising of stainless steel // Surface Engineering. 2005. Vol. 21. № 5-6. P. 445–455.
5. Cavaliere E.P., Perrone A., Silvello A. Multi-objective optimization of steel nitriding // Engineering Science and Technology, an International Journal. 2016. Vol. 19. № 1. P. 292–312.
6. Williamson D.L., Ozturk O., Wei R., Wilbur P.J. Metastable phase formation and enhanced diffusion in f.c.c. alloys under high dose, high flux nitrogen implantation at high and low ion energies // Surface and Coatings Technology. 1994. Vol. 65. № 1-3. P. 15–23.
7. Li Y., Wang L., Xu J., Zhang D. Plasma nitriding of AISI 316L austenitic stainless steels at anodic potential // Surface and Coating Technology. 2012. Vol. 206. № 8-9. P. 2430–2437.
8. Borgioli F., Galvanetto E., Bacci T. Low temperature nitriding of AISI 300 and 200 series austenitic stainless steels // Vacuum. 2016. Vol. 127. P. 51–60.
9. De Sousa R.R.M., De Araújo F.O., Gontijo L.C., Da Costa J.A.P., Nascimento I.O., Alves Jr. C. Cathodic cage plasma nitriding of austenitic stainless steel (AISI 316): influence of the working pressure on the nitrided layers properties // Materials Research. 2014. Vol. 17. № 2. P. 427–433.
10. Manova D., Mändl S., Neumann H., Rauschenbach B. Influence of grain size on nitrogen diffusivity in austenitic stainless steel // Surface and Coating Technology. 2007. Vol. 201. № 15. P. 6686–6689.
11. Shakhova I., Dudko V., Belyakov A., Tsuzaki K., Kaibyshev R. Effect of large strain cold rolling and subsequent annealing on microstructure and mechanical properties of an austenitic stainless steel // Materials Science and Engineering A. 2012. Vol. 545. P. 176–186.
12. Astafurova E.G., Astafurov S.V., Ratochka I.V., Mishin I.P., Lykova O.N., Maier G.G., Melnikov E.V., Moskvina V.A. The influence of warm abc-pressing on the structure and mechanical properties of stable chromium-nickel-molybdenum steel // Russian Physics Journal. 2018. Vol. 61. № 6. P. 1062–1069.
13. Dobatkin S.V., Rybalchenko O.V., Raab G.I. Structure formation, phase transformations and properties in Cr–Ni austenitic steel after equal-channel angular pressing and heating // Materials Science and Engineering A. 2007. Vol. 463. P. 41–45.
14. Wang H., Shuro I., Umemoto M., Ho-Hung K., Todaka Y. Annealing behavior of nano-crystalline austenitic SUS316L produced by HPT // Materials Science and Engineering A. 2012. Vol. 556. P. 906–910.
15. Tong W.P., Liu C.Z., Wang W., Tao N.R., Wang Z.B., Zuo L., He J.C. Gaseous nitriding of iron with a nanostructured surface layer // Scripta Materialia. 2007. Vol. 57. № 6. P. 533–536.
16. Jayalakshmi M., Huilgol Pr., Bhat B.R., Bhat K.U. Microstructural characterization of low temperature plasma-nitrided 316L stainless steel surface with prior severe shot peening // Materials and Design. 2016. Vol. 108. P. 448–454.
17. Williams D.B., Carter C.B. Transmission Electron Microscopy. USA: Springer, 2009. 775 p.
18. Williamson G.K., Smallman R.E. Dislocation densities in some annealed and cold worked metals from measurements on the X ray Debye Scherrer spectrum // Philosophical Magazine. 1956. Vol. 1. № 1. P. 34–46.
19. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. М.: МИСИС, 2002. 431 c.
20. Moskvina V., Astafurova E., Maier G., Ramazanov K., Astafurov S., Melnikov E. Effect of grain refinement on the elemental composition and nanohardness of the surface layers in AISI 316L austenitic steel subjected to ion-plasma hardening // Defect and Diffusion Forum. 2018. Vol. 385. P. 267–272.
21. Jiao D., Luo C.P., Liu J. Isothermal transformation of high-nitrogen austenite // Scripta Materialia. 2007. Vol. 56. № 7. P. 613–616.
Опубликован
2019-09-30
Выпуск
Раздел
Технические науки

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)