blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2017-2-133-139blackmet-1022Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEВОЗМОЖНОСТИ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ ТЕРМООБРАБОТКИAPPLICATION OF ATOMIC FORCE MICROSCOPY FOR STAINLESS STEEL MICROSTRUCTURE STUDY AT VARIOUS KINDS OF HEAT TREATMENTШляховаГ. В.ShlyakhovaG. V.

Кандидат технических наук, научный сотрудник, доцент кафедры «Машины и аппараты химических и атомных производств»

Cand. Sci. (Eng.), Research Associate, Assist. Professor of the Chair “Machines and Devices of Chemical and Atomic Productions”

shgv@ispms.tsc.ruБочкарёваА. В.BochkarevaA. V.

Кандидат технических наук, младший научный сотрудник, доцент кафедры «Теоретическая и прикладная механика»

Cand. Sci. (Eng.), Junior Researcher, Assist. Professor of the Chair “Theoretical and Applied Mechanics”

avb@ispms.tsc.ruБаранниковаС. А.BarannikovaS. A.

Доктор физико-математических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, профессор кафедры «Механика деформируемого твердого тела»

Dr. Sci. (Phys.-math.), Assist. Professor, Leading Researcher, Professor of the Chair “Mechanics of Strained Solids”

bsa@ispms.tsc.ruЗуевЛ. Б.ZuevL. B.

Доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией физики прочности, профессор кафедры «Теория прочности и проектирования»

Dr. Sci. (Phys.-math.), Professor, Head of Laboratory of Physics of Strength, Professor of the Chair “Theory of Strength and Designing”

lbz@ispms.tsc.ruМартусевичЕ. В.MartusevichE. V.

Кандидат технических наук, доцент кафедры естественнонаучных дисциплин им. В.М. Финкеля

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of Science named after V.M. Finke

martusevich_ev@physics.sibsiy.ruИнститут физики прочности и материаловедения СО РАН; Северский технологический институт НИЯУ МИФИРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science SB RAS; Seversk Technological Institute, National Research Nuclear UniversityRussian FederationИнститут физики прочности и материаловедения СО РАН; Национальный исследовательский Томский политехнический университетРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science SB RAS; National Research Tomsk Polytechnic UniversityRussian FederationИнститут физики прочности и материаловедения СО РАН; Национальный исследовательский Томский государственный университетРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science SB RAS; National Research Tomsk State UniversityRussian FederationСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversistyRussian Federation201701032017602133139Copyright © Шляхова Г.В., Бочкарёва А.В., Баранникова С.А., Зуев Л.Б., Мартусевич Е.В., 20172017Шляхова Г.В., Бочкарёва А.В., Баранникова С.А., Зуев Л.Б., Мартусевич Е.В.Shlyakhova G.V., Bochkareva A.V., Barannikova S.A., Zuev L.B., Martusevich E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1022

.Представлены результаты комплексных исследований нержавеющей стали 40Х13. С использованием методов оптической, растро­вой и атомно-силовой микроскопии получены изображения микро- и наноструктур. Проведено сопоставление полученных изображений структур и фазового состава стали в трех различных состояниях (после отжига, закалки и высокотемпературного отпуска) с результатами электронной и оптической микроскопии. Полученные оптические изображения феррито-перлитной структуры со значительным содер­жанием глобулярных карбидов состава (Сr, Fe)23C6 , которая получается после отжига, приводится в сравнении с результатами исследова­ния растровым и атомно-силовым микроскопами. Показано, что использование атомно-силовой и растровой электронной микроскопии в работе позволяет сделать качественные выводы о микроструктуре стали, не только совпадающие с данными оптической металлогра­фии, но и превосходящие последние по детализации структурных характеристик. Использование в исследованиях растрового электрон­ного микроскопа позволило установить, что крупные карбиды расположены по границам ферритных зерен; также имеется некоторое количество карбидов внутри мелких зерен феррита; определены размеры включений. После закалки образуется структура, состоящая из грубоигольчатого мартенсита. Использование АСМ-изображений позволило получить структуру с явно выраженным по сравнению с РЭМ-изображением игольчатым строением с возможностью построения наглядных трехмерных изображений. Форма нерастворенных карбидов также оказалась глобулярной. Определены размеры мартенситных пластин. Структура стали после высокотемпературного от­пуска (сорбит отпуска) образуется в результате распада мартенсита на феррито-карбидную смесь с выделением карбидов правильной округлой формы. Образовавшиеся одиночные и строчные карбиды (Сr, Fe)23C6 содержат сильный карбидообразователь – хром, что под­тверждается результатами спектрального анализа. Такая структура отличается более высокой, по сравнению с мартенситом, прочностью. Для всех состояний приводятся результаты механических испытаний по схеме одноосного растяжения, определена твердость HB.

The paper presents the results of complex researches of 40Cr13 stainless steel. Using the methods of optical, scanning and atomicforce microscopy, micro- and nanostructures have been obtained, as well as has been given the comparison of the received images of structures and phase states of steel in three different states (after annealing, hardening and high-temperature tempering) with the results of electron and optical microscope investigations. The received optical images of a ferrite-pearlite structure of a valuable content of globular carbide with the composite of (Сr, Fe)23C6 , received after annealing, are given in comparison with the research results of scanning and atomic-force microscope investigations. It has been shown that the use of atomic-force and scanning electron microscopy in this work allows to make conclusions on steel microstructure, which coincide not only with the data of optical metallography but also exceed the latter in specification of structural characteristics. The usage of scanning electron microscopy allows establishing that large carbides are situated along the borders of ferrite grains. There are also some number of carbides inside the fine grains of ferrite; the sizes of inclusions have been defined. After hardening there are some structures which consist of macroacicular martencite. The usage of the images of atomic-force microscopy allows receiving the structure with the expressed acicular structure in comparison with scanning electron microscopy with the possibility to build visual 3D-images. The form of undissolved carbides is also globular. The sizes of martensitic lamella have been defined. The steel structure after high-temperature tempering (secondary sorbite) is formed as the result of the cracking of martensite on ferrite-carbide mixture with the formation of carbides of right round shape. The formed single and line carbides contain strong carbide-former – chromium (Сr, Fe)23C6 . It was confirmed by the results of spectrum analysis. Such structure differs from martensite in higher strength. For all the states the authors have given the results of mechanical tests by the scheme of axial extension, as well as have defined the HB hardness.

нержавеющая стальмикроструктурананоструктураграница зернамартенситкарбидыstainless steelmicrostructurenanostructuregrain boundarymartensitecarbideПрограмма фундаментальных исследований Государственной академии наук в 2015 – 2020 гг. и РФФИ (грант № 16-08-00385-a)Program of Fundamental Researches of the Russian Academy of Science in 2015 – 2020 and RFBR (grant no. 16-08-00385-a)ReferencesЭкснер Г.Е. Качественная и количественная микроскопия по¬верхности. – В кн.: Физическое металловедение. В 3 томах. Т. 1. / Под ред. Р.У. Кана, П.Т. Хаазена. – М.: Металлургия, 1987. С. 50 – 111.Eksner G.E. Quality and quantity surface microscopy. In: Fizicheskoe metallovedenie. V 3 tomakh. T. 1. [Physical metallurgy. In 3 vols. Vol. 1]. Kan R.U., Khaazen P.T. eds. Moscow: Metallurgiya, 1987, pp. 50–111. (In Russ.).Кнехтель Х.Э. Металлографические методы исследования. – В кн.: Приборы и методы физического металловедения / Под ред. Ф. Вейнберга. – М.: Мир, 1973. С. 203 – 276.Knechtel H.E., Kindle W.F., McCallJ.L., Buchheit R.D. Metallography. In: Metallography. Tools and Techniaues in Physical Metallurgy. Vol. 1. Weinberg F. ed. New York: McGraw-Hill, 1970, pp. 329–400. (Russ.ed.: Knechtel H.E. Metallograficheskie metody issledovaniya. In book: Pribory i metody fizicheskogo metallovedeniya. Weinberg F. ed. Moscow: Mir, 1973, pp. 203–276.)Binnig G., Quate C.F., Gerber Ch. Atomic force microscope // Physical Review Letters. 1986. Vol. 56. No. 9. P. 930 – 933.Binnig G., Quate C.F., Gerber Ch. Atomic force microscope. Physical Review Letters. 1986, vol. 56, no. 9, pp. 930–933.Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. – М.: Техносфера, 2004. – 143 с.Mironov V.L. Osnovy skaniruyushchei zondovoi mikroskopii [Basics of scanning probe microscopy]. Moscow: Tekhnosfera, 2004, 143 p. (In Russ.).Lapshin R.V. Feature-oriented scanning methodology for probe microscopy and nanotechnology // Nanotechnology. 2004. Vol. 15. No. 9. P. 1135 – 1151.Lapshin R.V. Feature-oriented scanning methodology for probe microscopy and nanotechnology. Nanotechnology. 2004, vol. 15, no. 9, pp. 1135–1151.Зуев Л.Б., Шляхова Г.В. О возможностях атомно-силовой ми¬кроскопии в металлографии углеродистых сталей // Материаловедение. 2014. № 7. С. 7 – 12.Zuev L.B., Shlyakhova G.V. On possibilities of atomic force microscopy in metallography of carbon steels. Materialovedenie. 2014, no. 7, pp. 7–12. (In Russ.).Dobrotvorskii A.M., Maslikova E.I., Shevyakova E.P. etc. Metallographic study of construction materials with atomic force microscopy method // Inorganic Materials. 2014. Vol. 50. No. 15. P. 1487 – 1494.Dobrotvorskii A.M., Maslikova E.I., Shevyakova E.P., Ul’yanov P.G., Usachev D.Y., Senkovskiy B.V., Adamchuk V.K., PushkoS.V., Mal’Tsev A.A., Balizh K.S. Metallographic study of construction materials with atomic force microscopy method. Inorganic Materials. 2014, vol. 50, no. 15, pp. 1487–1494.Ulyanov P.G., Usachov D.Yu., Fedorov A.V. etc. Microscopy of carbon steels: Combined AFM and EBSD study // Applied Surface Science. 2013. Vol. 267. P. 216 – 218.Ulyanov P.G., Usachov D.Yu., Fedorov A.V., Bondarenko A.S., Senkovskiy B.V., Vyvenko O.F., Pushko S.V., Balizh K.S., Maltsev A.A., Borygina K.I., Dobrotvorskii A.M., Adamchuk V.K. Microscopy of carbon steels: Combined AFM and EBSD study. Applied Surface Science. 2013, vol. 267, pp. 216–218.Быков И.В. Методика поточечных измерений рельефа, сил взаимодействия и локальных свойств: новый подход для ком¬плексного анализа в атомно-силовой микроскопии // Научное приборостроение. 2009. № 4 (19). С. 38 – 43.Bykov I.V. Methods of point-by-point relief measurements, action forces and local properties: new approach for complex analysis in atomic force microscopy. Nauchnoe priborostroenie. 2009, no. 4 (19), pp. 38–43. (In Russ.).Danilov V.I., Shlyakhova G.V., Semukhin B.S. Plastic deformation macrolocalization. Local stress and fracture in ultrafine grain titanium // Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 682. P. 351 – 356.Danilov V.I., Shlyakhova G.V., Semukhin B.S. Plastic deformation macrolocalization. Local stress and fracture in ultrafine grain titanium. Applied Mechanics and Materials. 2014, vol. 682, pp. 351–356.Shlyakhova G.V., Barannikova S.A., Zuev L.B. Nanostructure of superconducting Nb-Ti cable // Steel in Translation. 2013. Vol. 43. No. 10. P. 640 – 643.Shlyakhova G.V., Barannikova S.A., Zuev L.B. Nanostructure of superconducting Nb-Ti cable. Steel in Translation. 2013, vol. 43, no. 10, pp. 640–643.Zuev L.B., Shlyakhova G.V., Barannikova S.A., Kolosov S.V. Microstructure of the elements of a superconducting alloy Nb- Ti cable // Russian metallurgy (Metally). 2013. Vol. 2013. No. 3. P. 229 – 234.Zuev L.B., Shlyakhova G.V., Barannikova S.A., Kolosov S.V. Microstructure of the elements of a superconducting alloy Nb-Ti cable. Russian metallurgy (Metally). 2013, vol. 2013, no. 3, pp. 229–234.Металлы и сплавы: Справочник / В.К. Афонин, Б.С. Ермаков, Е.Л. Лебедев и др.; под ред. Ю.П. Солнцева. – СПб.: Профессионал, 2007. – 1092 с.Afonin V.K., Ermakov B.S., Lebedev E.L. etc. Metally i splavy: Spravochnik [Metals and alloys: Reference book]. Solntsev Yu.P. ed. St. Petersburg: Professional, 2007, 1092 p. (In Russ.).Pelleg J. Mechanical Properties of Materials. – Dordrecht, Heidelberg, New York, London: Springer, 2013.Pelleg J. Mechanical Properties of Materials. Dordrecht, Heidelberg, New York, London: Springer, 2013.Wiesendanger R. Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy. Methods and Applications. – Cambridge: University Press, 1994. – 637 p.Wiesendanger R. Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy. Methods and Applications. Cambridge: University Press, 1994, 637 p.Беккерт М., Клемм Х. Способы металлографического травления. Справочник. – М.: Металлургия, 1988. – 400 с.Beckert M., Klemm H. Handbuch der metallographischen Ätzverfahren. 3. Aufl. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, VEB, 1976, 410 S. (Russ.ed.: Beckert M., Klemm H. Sposoby metallograficheskogo travleniya. Spravochnik. Moscow: Metallurgiya, 1988, 400 p.).Barannikova S.A., Bochkareva A.V., Lunev A.G. etc. Changes in ultrasound velocity in the plastic deformation of high-chromium steel // Steel in Translation. 2016. Vol. 46. No. 8. P. 552 – 557.Barannikova S.A., Bochkareva A.V., Lunev A.G., Shlyakhova G.V., Zuev L.B. Changes in ultrasound velocity in the plastic deformation of high-chromium steel. Steel in Translation. 2016, vol. 46, no. 8, pp. 552–557.Трефилов В.И., Моисеев В.Ф., Печковский Э.П. Деформационное упрочнение и разрушение поликристаллических металлов. – Киев: Наукова думка, 1989. – 256 с.Trefilov V.I., Moiseev V.F., Pechkovskii E.P. Deformatsionnoe uprochnenie i razrushenie polikristallicheskikh metallov [Mechanical hardening and destruction of polycrystalline metals]. Kiev: Naukova dumka, 1989, 256 p. (In Russ.).Металлография железа. Атлас сталей в 3 томах. / Под ред. Ф.Н. Тавадзе. – М.: Металлургия, 1972. – 760 с.Metallografiya zheleza. Atlas stalei v 3 tomakh [Iron metallography. Atlas of steels in 3 vols.]. Tavadze F.N. ed. Moscow: Metallurgiya, 1972, 760 p. (In Russ.).ГОСТ 8233 – 56. Сталь. Эталоны микроструктуры. – М.: Изд-во стандартов, 2004.GOST 8233–56. Stal’. Etalony mikrostruktury [State Standard 8233–56. Steel. Reference standards of microstructure]. Moscow: Izd-vo standartov, 2004. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.