Исследование прочностных и пластических характеристик композиционных слоев в аустенитной нержавеющей стали, подвергнутой ионно-плазменной обработке, методом наноиндентирования

  • Загибалова Елена Андреевна Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск (Россия); Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск (Россия) https://orcid.org/0000-0002-2079-7198
  • Москвина Валентина Александровна Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск (Россия) https://orcid.org/0000-0002-6128-484X
  • Астафуров Сергей Владимирович Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск (Россия) https://orcid.org/0000-0003-3532-3777
  • Майер Галина Геннадьевна Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск (Россия) https://orcid.org/0000-0003-3043-9754
  • Мельников Евгений Васильевич Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск (Россия) https://orcid.org/0000-0001-8238-6055
  • Панченко Марина Юрьевна Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск (Россия) http://orcid.org/0000-0003-0236-2227
  • Рамазанов Камиль Нуруллаевич Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа (Россия) https://orcid.org/0000-0002-7962-5964
  • Астафурова Елена Геннадьевна Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск (Россия) https://orcid.org/0000-0002-1995-4205
Ключевые слова: аустенитная сталь, ионно-плазменная обработка, наноиндентирование, метод Оливера – Фарра, пластические характеристики, нанотвердость, сталь 01Х17Н13М3

Аннотация

Одна из основных проблем аустенитных нержавеющих сталей – низкие прочностные свойства и износостойкость – может быть частично или полностью устранена путем модификации поверхности изделий и создания упрочненных поверхностных слоев. Доступным и эффективным методом поверхностного упрочнения сложных деталей конструкций является ионно-плазменное насыщение сплавов атомами внедрения, которое проводится в смеси газов различного состава. При этом механические и пластические свойства обработанных материалов определяются комплексом свойств базового сплава и упрочненной поверхности, и определить их влияние на механические и пластические свойства каждого из составляющих композиционного материала не всегда возможно. Метод наноиндентирования позволяет установить локальные механические и пластические характеристики отдельных областей упрочненных материалов (базового сплава и поверхности) путем приложения нагрузки на локальные участки микроскопического объема. В данной работе с использованием метода наноиндентирования были установлены механические и пластические характеристики упрочненных слоев, полученных при ионно-плазменной обработке образцов аустенитной нержавеющей стали 01Х17Н13М3 с зеренно-субзеренной и крупнозернистой структурой. Ионно-плазменная обработка стальных образцов способствовала поверхностному упрочнению и образованию композиционного поверхностного слоя толщиной ≈20–25 мкм. Высокие показатели значения нанотвердости в композиционном слое обусловлены комплексным упрочнением образцов: твердорастворным упрочнением аустенита азотом и углеродом, дисперсионным твердением и образованием нитридов и карбонитридов различного состава, а также малой долей феррита. Экспериментально показано, что прочностные свойства и пластические характеристики такого слоя существенным образом зависят от исходной микроструктуры базового материала – формирование высокодефектной зеренно-субзеренной структуры способствует образованию более прочного поверхностного слоя по сравнению с крупнозернистыми образцами.

Биографии авторов

Загибалова Елена Андреевна, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск (Россия); Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск (Россия)

студент, инженер

Москвина Валентина Александровна, Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск (Россия)

аспирант, младший научный сотрудник

Астафуров Сергей Владимирович, Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск (Россия)

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Майер Галина Геннадьевна, Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск (Россия)

кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник

Мельников Евгений Васильевич, Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск (Россия)

младший научный сотрудник

Панченко Марина Юрьевна, Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск (Россия)

аспирант, младший научный сотрудник

Рамазанов Камиль Нуруллаевич, Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа (Россия)

доктор технических наук, профессор

Астафурова Елена Геннадьевна, Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск (Россия)

доктор физико-математических наук, доцент, ведущий научный сотрудник

Литература

Lo K.H., Shek C.H., Lai J. K.L. Recent developments in stainless steels // Materials Science and Engineering R: Reports. 2009. Vol. 65. № 4-6. P. 39–104.

Gardner L. Stability and design of stainless steel structures – Review and outlook // Thin-Walled Structures. 2019. Vol. 141. P. 208–216.

Cao Y., Ni S., Liao X., Song M., Zhu Y. Structural evolutions of metallic materials processed by severe plastic deformation // Materials Science and Engineering R: Reports. 2018. Vol. 133. P. 1–59.

Belyakov A., Miura H., Sakai T. Dynamic recrystallization under warm deformation of a 304 type austenitic stainless steel // Materials Science and Engineering A. 1998. Vol. 255. № 1-2. P. 139–147.

Yanushkevich Z., Dobatkin S.V., Belyakov A., Kaibyshev R. Hall-Petch relationship for austenitic stainless steels processed by large strain warm rolling // Acta Materialia. 2017. Vol. 136. P. 39–48.

Jiang L., Luo H., Zhao C. Nitrocarburising of AISI 316 stainless steel at low temperature // Surface Engineering. 2018. Vol. 34. № 3. P. 205–210.

Lopez-Chipres E., Mejia I., Maldonado C., Bedolla-Jacuinde A., El-Wahabi M., Cabrera J.M. Hot flow behavior of boron microalloyed steels // Materials Science and Engineering A. 2008. Vol. 480. № 1-2. P. 49–55.

Cardoso R.P., Mafra M., Brunatto S.F. Low-temperature Thermochemical Treatments of Stainless Steels – An Introduction // Plasma Science and Technology: Progress in Physical States and Chemical Reactions. IntechOpen, 2016. P. 107–130.

Hoshiyama Y., Mizobata R., Miyake H. Mechanical properties of austenitic stainless steel treated by active screen plasma nitriding // Surface and Coating Technology. 2016. Vol. 307. P. 1041–1044.

Mandl S., Manova D. Modification of metals by plasma immersion ion implantation // Surface and Coating Technology. 2018. Vol. 365. P. 83–93.

Manova D., Mandl S., Neumann H, Rauschenbach B. Analysis of in situ XRD measurements for low energy ion beam nitriding of austenitic stainless steel // Surface and Coating Technology. 2014. Vol. 256. P. 64–72.

Yang W.J., Zhang M., Zhao Y.H., Shen M.L. Enhancement of mechanical property and corrosion resistance of 316L stainless steels by low temperature arc plasma nitriding // Surface and Coating Technology. 2016. Vol. 298. P. 64–72.

Li X.Y. Low temperature plasma nitriding of 316 stainless steel – nature of S phase and its thermal stability // Surface Engineering. 2001. Vol. 17. № 2. P. 147–152.

Viktorov S.D., Golovin Yu.I., Kochanov A.N., Tyurin A.I., Shuklinov A.V., Shuvarin I.A., Pirozhkova T.S. Micro- and nano-indentation approach to strength and deformation characteristics of minerals // Journal of Mining Science. 2014. Vol. 50. № 4. P. 652–659.

Milman Y.V. Plasticity characteristic obtained by indentation // Journal of Physics D: Applied Physics. 2008. Vol. 41. № 7. P. 074013.

Milman Yu.V., Galanov B.A., Chugunova S.I. Plasticity characteristic obtained through hardness measurement // Acta Metallurgica Materialia. 1993. Vol. 41. № 9. P. 2523–2532.

Oliver W.C., Pharr G.M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments // Journal of Materials Research. 1992. Vol. 7. № 6. P. 1564–1583.

Tromas C., Stinville J.C., Templier C., Villechaise P. Hardness and elastic modulus gradients in plasma-nitrided 316L polycrystalline stainless steel investigated by nanoindentation tomography // Acta Materialia. 2012. Vol. 60. № 5. P. 1965–1973.

Утевский Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. М.: Металлургия, 1973. 584 с.

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.

Moskvina V., Astafurova E., Maier G., Ramazanov K., Astafurov S., Melnikov E., Mironov Yu. A role of initial microstructure in characteristics of the surface layers produced by ion-plasma treatment in CrNiMo austenitic stainless steel // Materials Characterization. 2019. Vol. 153. P. 372–380.

Астафурова Е.Г., Мельников Е.В., Астафуров С.В., Раточка И.В., Мишин И.П., Майер Г.Г., Москвина В.А., Захаров Г.Н., Смирнов А.И., Батаев В.А. Закономерности водородного охрупчивания аустенитных нержавеющих сталей с ультрамелкозернистой структурой разной морфологии // Физическая мезомеханика. 2018. Т. 21. № 2. С. 103–117.

Опубликован
2020-03-28
Выпуск
Раздел
Технические науки

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)