Регистрация / Вход
Прислать материал

Влияние низкотемпературного ионного азотирования на закономерности пластической деформации и разрушения аустенитной нержавеющей стали с разным размером зерна

Сведения об участнике
ФИО
Москвина Валентина Александровна
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Металлургия и металловедение
Тема
Влияние низкотемпературного ионного азотирования на закономерности пластической деформации и разрушения аустенитной нержавеющей стали с разным размером зерна
Резюме
Изучали механические свойства и механизм разрушения аустенитной нержавеющей стали 01Х17Н13М3 после термомеханической обработки по разным режимам и последующего низкотемпературного ионного азотирования. В результате исследований было выявлено влияние исходной термомеханической обработки аустенитной стали 01Х17Н13М3 и последующего низкотемпературного ионного азотирования при различных давлениях насыщающего газа на механические, пластические свойства и механизм разрушения данной стали.
Ключевые слова
аустенитная нержавеющая сталь, механические свойства, пластичность, разрушение, деформация, ионное азотирование, термомеханическая обработка
Цели и задачи
Цель проекта – установить влияние исходной термомеханической обработки на структуру, механические, пластические свойства и механизм разрушения аустенитной нержавеющей стали 01Х17Н13М3 после различных режимов ионного азотирования.
Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы следующие задачи исследования:
1. Установить влияние исходного структурного состояния аустенитной стали 01Х17Н13М3 (субмикрокристаллическое, мелко- и крупнокристаллическое) на параметры формирования азотированного слоя и его структурно-фазовые характеристики.
2. Выявить влияние давления насыщающего газа на закономерности формирования упрочненного слоя в стали 01Х17Н13М3 с разным размером зерна.
3. Исследовать механические свойства, параметры упрочнения и разрушения стали 01Х17Н13М3 при растяжении образцов, подвергнутых ионному азотированию, в зависимости от исходной обработки стали.
Введение

Ионное азотирование аустенитных нержавеющих сталей проводят с целью придания повышенной прочности поверхностному слою и для повышения устойчивости к коррозии. Одной из фундаментальных научных проблем в данной области является установление закономерностей диффузионных процессов и механизмов формирования сверхтвердых фаз при ионном азотировании аустенитных сталей и поиск путей улучшения характеристик модифицированных слоев при вариации параметров ионного азотирования. В этой связи разработка новых методов ионного азотирования и исследование механизмов формирования материалов с модифицированными слоями, которые будут обладать улучшенными свойствами, по сравнению с традиционными методами азотирования, является актуальной.

Методы и материалы

Объект исследования аустенитная сталь Fe-17Cr-13Ni-1.7Mn-2.7Mo-0.5Si-0.01С мас.% (01Х17Н13М3). Сталь была подвергнута термомеханической обработке по режимам: режим 1 – прокатка до степени осадки 80%, режим 2 – прокатка до 80% и отжиг при температуре 600°С (2 ч.), режим 3 – прокатка до 80% и отжиг при 900°С (2 мин.), режим 4 – прокатка до 80% и отжиг при 1000°С (7 мин.) и режим 5 – прокатка до 40% и отжиг при 1050°С (5 ч.). После термической обработки образцы закаливали в воду.

После обработок из заготовок вырезали образцы в форме двойных лопаток с размерами рабочей части 1.7-2.7-18 мм. Образцы подвергали ионному азотированию при температуре 540°С (12 ч.). Рабочий газ - смесь аргона, азота и ацетилена (Ar 70%, N2 25%, C2H2 5%). Помимо традиционного ионного азотирования (ТИА) при давлении рабочего газа Р=300 Па, проводили обработку методом ионного азотирования с эффектом полого катода (ЭПК) при Р=60 Па.

После азотирования образцы растягивали с относительной скоростью деформации 4.6-10-4 с-1. Одноосное растяжение проводили на электромеханической измерительной системе Instron 3369.

Морфологию поверхности разрушенных образцов исследовали с использованием растрового электронного микроскопа LEO EVO 50. Электронно-микроскопические исследования проводили с использованием просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) JEM 2100. 

Рентгеновские исследования выполнены на дифрактометре ДРОН-7 в CoKα излучении. 

Микротвердость образцов измеряли по методу Виккерса на приборе ПМТ˗3М при нагрузке 10 г. 

Описание и обсуждение результатов

Во всех исходных состояниях сталь имела структуру аустенита с параметром решетки 0,36 нм. Обработка по режиму 1 обеспечила формирование в стали высоконеравновесной зеренно-субзеренной структуры со средним размером элементов 220±50 нм и высокой плотностью дислокаций 5×1014 м-2.  Формированию СМК структуры с размером (суб)зерна 150±40 нм способствовали прокатка и отжиг при температуре 600°С (режим 2). Обработки по режимам 3–5 обеспечили формирование равновесной зеренной структуры с разным размером зерна: 3 мкм (режим 3), 7 мкм (режим 4) и 70 мкм (режим 5). 

Прокатка способствовала формированию высокопрочного состояния с низкой пластичностью. Отжиг при температуре 600°С способствует релаксации структуры после прокатки, приводит к уменьшению прочностных свойств. Прочностные свойства стали возрастают после ионного азотирования. Применение ЭПК способствует меньшему упрочнению образцов стали по сравнению с ТИА. Наиболее ярко это проявляется в образцах, подвергнутых обработке по режиму 1, с высокодефектной структурой после прокатки. Образцы, обработанные по режимам 1 и 2, деформируются локализовано.

Анализ кривых течения в исходных состояниях показывает, что с увеличением размера зерна (обработки 3–5) происходит уменьшение пределов текучести и прочности, а также увеличение пластичности образцов стали. В отличие от образцов, обработанных по режимам 1 и 2, деформация в них как до, так и после азотирования, реализуется однородно. ТИА способствует большему эффекту упрочения и вызывает большее охрупчивание образцов по сравнению с ЭПК.

В результате ионного азотирования происходит поверхностное упрочнение образцов, на поверхности стальных лопаток образуется хрупких слой. В поперечном сечении образцов формируются 3 зоны: зона I  ̶ соответствует азотированному слою, II  ̶  переходная зона с твердорастворным упрочнением аустенита азотом, III  ̶ аустенитная матрица. Микротвердость азотированного слоя 11-12 ГПа, а матрицы 1,5-2,0 ГПа. Анализ электронно-микроскопических изображений поверхностей излома свидетельствует о том, что толщина азотированного слоя составила 10–25 мкм и последовательно уменьшается при переходе от образцов, обработанных по режиму 1 к режиму 5. Толщина переходной зоны различна для деформированных (режимы 1 и 2), мелкокристаллических (обработки 3,4) и крупнокристаллических (режим 5) образцов. Она составляет десятки микрометров для деформированных состояний (режимы 1 и 2), а для образцов, подготовленных по режимам 3–5, толщина этой зоны увеличивается до ≈100 мкм. В присутствии азотированного слоя матрица разрушается вязко, а поверхностный азотированный слой разрушается хрупко – сколом.

На рентгенограммах присутствуют рефлексы от аустенитной фазы и легированного азотом аустенита. Основными фазами в поверхностных слоях азотированной стали являются нитриды Cr2N, FeN, Fe(2,3)N, Fe4N и феррит. 

Используемые источники
1. Филиппов М.А., Косицына И.И., Гервасьев М.А. Упрочнение и защита поверхности металлов. ˗ Е.: УрО РАН, 2012. – 225 с.
2. Pong W.P., Tao N.R., Wang Z.B., et. al. // Science. ˗ 2003. ˗ V. 299. ˗ P. 686˗688.
3. Tong W.P., et. al. // Surf. and Coat. Tech. ˗ 2008. ˗ V. 202. ˗ P. 4957˗4963.
4. Escalada L., Lutz J., Bruhl S.P., at. al. // Surf. and Coat. Tech. ˗ 2013. ˗ V. 223. ˗ P. 41˗46.
5. Farokhzadeh K., Qian J., Edrisy A. // Mater. Sci. Eng. A. ˗ 2014. ˗ V. 589. ˗ P. 199-208.
6. Budilov V., Agzamov R., Ramazanov K. // Metal Science and Heat Treatment. – 2007.– V. 49. – Issue 7-8 – P. 358-361.
7. Manova D., Mandl S., Neumann H., at. al. // Surf. and Coat. Tech. ˗ 2014. ˗ V. 256. ˗ P. 64˗72.
8. Manova D., Mandl S., Neumann H., at. al. // Surf. and Coat. Tech. ˗ 2007. ˗ V. 201. ˗ P. 6689˗6689.
Information about the project
Surname Name
Moskvina Valentina
Project title
The influence of low temperature ion nitriding on especially plastic deformation and fracture of austenitic stainless steel with different grain size
Summary of the project
Mechanical properties and fracture mechanism of austenitic stainless steel after thermomechanical processing and low-temperature ion nitriding were investigated. As a result of investigations: the influence of initial thermo-mechanical treatment of austenite stainless steel following by low-temperature ion nitriding at different gas pressures on mechanical, plastic properties, and fracture mechanism of stable austenitic stainless steel was revealed.
Keywords
austenitic stainless steel, mechanical properties, plasticity, fracture, deformation, ion nitriding, thermo˗mechanical treatment