blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2018-4-300-305blackmet-1294Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ БИМЕТАЛЛА КОНСТРУКЦИОННАЯ УГЛЕРОДИСТАЯ СТАЛЬ – НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬSTUDY OF THE STRUCTURE OF BIMETAL CONSTRUCTION CARBON STEEL – STAINLESS STEELШляховаГ. В.ShlyakhovaG. V.

к.т.н., научный сотрудник

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

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

д.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник, профессор кафедры механики деформируемого твердого тела и строительной механики

Dr. Sci. (Eng.), Leading Researcher, Professor of the Chair “Mechanics of Strained Solids and Construction Mechanics”

bsa@ispms.tsc.ruБочкарёваА. В.LiYu. V.

к.т.н., младший научный сотрудник, доцент кафедры «Теоретическая и прикладная механика»

Junior Researcher

avb@ispms.tsc.ruЛиЮ. В.BochkarevaA. V.

младший научный сотрудник

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

jul2207@mail.ruЗуевЛ. Б.ZuevL. B.

д.ф.- м.н., профессор, заведующий лабораторией физики прочности, профессор кафедры «Теория прочности и проектирования»

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

lbz@ispms.tsc.ruИнститут физики прочности и материаловедения СО РАН; Северский технологический институт НИЯУ МИФИРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk; Seversk Technological Institute, National Research Nuclear University, Seversk, Tomsk RegionRussian FederationИнститут физики прочности и материаловедения СО РАН; Национальный исследовательский Томский государственный университет; Томский государственный архитектурно-строительный университетРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk; National Research Tomsk State University, Tomsk; Tomsk State University of Architecture and Building, TomskRussian FederationИнститут физики прочности и материаловедения СО РАН; Национальный исследовательский Томский политехнический университетРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, TomskRussian FederationИнститут физики прочности и материаловедения СО РАНРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk; National Research Tomsk Polytechnic University, TomskRussian FederationИнститут физики прочности и материаловедения СО РАН; Национальный исследовательский Томский государственный университетРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk; National Research Tomsk State University, TomskRussian Federation201826042018614300305Copyright © Шляхова Г.В., Баранникова С.А., Бочкарёва А.В., Ли Ю.В., Зуев Л.Б., 20182018Шляхова Г.В., Баранникова С.А., Бочкарёва А.В., Ли Ю.В., Зуев Л.Б.Shlyakhova G.V., Barannikova S.A., Li Y.V., Bochkareva A.V., Zuev L.B.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/1294

Представлены результаты комплексных исследований биметаллических образцов, полученых в результате заливки конструкционной стали Ст3 между листами нержавеющей стали Х18Н9Т, помещенных в изложницу с последующей горячей прокаткой трехслойного листа. Таким образом, по внешнему краю образца с обеих сторон был расположен плакирующий слой – сталь Х18Н9Т, в центре слой основного металла – сталь Ст3. Анализ границы соединения подтвердил отсутствие дефектов, его сплошность и высокое качество. Исследование микроструктуры области сопряжения методами оптической, атомно-силовой и электронной металлографии показало, что в направлении от перлитной стали к аустенитной имеют место три структурных составляющих: разупрочненный участок ферритной прослойки; упрочненный участок ферритной прослойки; темнотравящаяся прослойка со стороны аустенитной стали. Методами атомно- силовой микроскопии, в частности контактным методом в режиме «постоянной силы», и оптической металлографии установлено, что со стороны стали Ст3 по мере приближения к границе сопряжения вместо типичной для низкоуглеродистой стали структуры, состоящей из матрицы феррита с перлитными колониями, образуется обезуглероженный слой с чисто ферритной структурой, а со стороны стали Х18Н9Т – науглероженный слой. Кроме того, на границе обнаружен промежуточный слой (карбидный) глубиной до 50 мкм. Характер изменения микротвердости в области сопряжения углеродистой стали Ст3 с плакирующим слоем нержавеющей стали Х18Н9Т показывает значительное повышение прочности материалов. Микроэлементный анализ области соединения Ст3 – Х18Н9Т позволил установить характер изменения концентрации легирующих элементов по мере приближения к границе их соединения. Наличие хрома в стали Ст3 и рост концентрации углерода в нержавеющей стали подтвердили предположение о формировании двух взаимнонаправленных диффузионных потоках, а именно, диффузии углерода из стали Ст3 и легирующих элементов из стали Х18Н9Т. Образующиеся в результате карбиды объясняют повышенную твердость обеих сталей вблизи зоны соединения.

 

The results of comprehensive study of bimetallic samples obtained as a result of pouring St3 structural steel between plates of Kh18N9T stainless steel placed in a mold followed by hot rolling of the obtained three-layer plate are presented. Analysis of the interface boundary has confirmed its continuity and high quality. Investigation of microstructure of the interface area by means of optical, atomic-force, and electron metallography has shown that three structural components occur in the direction from pearlitic to austenitic steel: weakened section of ferrite layer; hardened section of ferrite layer and dark-etched interlayer on the austenitic steel side. Using atomic-force microscopy, contact method in “constant force” mode in particular, and optical metallography, it was established that from St3 steel side as it approaches interface, decarburized layer with purely ferrite structure is formed instead of typical low-carbon steel structure consisting of ferrite matrix with pearlite colonies, and on Kh18N9 steel side a carburized layer is formed. In addition, an intermediate layer (carbide) with a depth of up to 50  μm was detected at the boundary. The nature of micro-hardness change in the area of St3 carbon steel and cladding layer of Kh18N9T stainless steel interface shows significant increase in materials strength. Microelement analysis of the area of St3  –  Kh18N9T interface made it possible to establish nature of change in concentration of alloying elements as they approach the interface boundary. Presence of chromium in St3 steel and increase in carbon concentration in stainless steel confirmed the assumption of two mutually directed diffusion flows generation, namely, reciprocal diffusion of carbon from St3 steel and alloying elements of Kh18N9T steel. Resulting carbides explain increased hardness of both steels near the bound zone.

биметаллмикроструктурананоструктурамикротвердостьbimetalmicrostructurenanostructuremicro-hardnessРабота выполнена в рамках Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук России на 2013  –  2020  гг. и частично поддержана грантом РФФИ № 17-08-00751-а.The work is carried out within the framework of  the  Program  of  Fundamental  Scientific  Research  of  the  Russian  State Academies of Sciences for 2013 – 2020 and is partially supported by RFBR grant No. 17-08-00751-a.ReferencesЛось И.С., Розен А.Е., Перелыгин Ю.П., Первухин Л.Б., Усатый С.Г., Хорин А.В. Исследование структуры и свойств многослойного коррозионностойкого материала, полученного сваркой взрывом // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2010. Т. 4. № 5. С. 93 – 96.Los’ I.S., Rozen A.E., Perelygin Yu.P., Pervukhin L.B., Usatyi S.G., Khorin A.V. Investigation of the structure and properties of multilayer corrosion-resistant material obtained by explosion bounding.  Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2010, vol. 4, no. 5, pp. 93–96. (In Russ.). Денисов И.В., Первухин Л.Б., Первухина О.Л., Розен А.Е. Деформационные процессы при сварке взрывом // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2008. Т. 3. № 3. С. 39 – 45.Denisov I.V., Pervukhin L.B., Pervukhina O.L., Rozen A.E. Deformation processes during explosion welding. Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2008, vol. 3,  no. 3, pp.  39–45. (In Russ.).Москвитин С.П., Пудовкин А.П. Метод и система контроля характеристик качества биметалла // Вестник ТГТУ. 2009. Т. 15. № 2. С. 315 – 320.Moskvitin S.P., Pudovkin A.P. Method and system for bimetal quality control. Vestnik TGTU. 2009, vol. 15, no. 2, pp. 315–320. (In  Russ.).Dorofeyev Yu.G., Dorofeyev V.Yu. The Structure Formation Peculiarities of Bimetal “Steel – Bronze” with Powder Working Layer during Hot Deformation // Euro PM 2003. European Congress and Exhibition on Powder Metallurgy. Valencia Congress and Exhibition Centre, Valencia, Spain, October 20-22, 2003. – Conference Proceedings. – Valencia, 2003. Vol. 3. P. 439 – 444.Dorofeyev  Yu.G.,  Dorofeyev  V.Yu.  The  Structure  Formation  peculiarities of bimetal “steel – bronze” with powder working layer  during hot deformation. Euro PM 2003. European Congress and Exhibition on Powder Metallurgy. Valencia Congress and Exhibition Centre, Valencia, Spain, October 20-22, 2003. Conference Proceedings. Valencia, 2003, vol. 3, pp. 439–444.Lin C.-Y., McShane H.B., Rawlings R.D. Extrusion Process for Manufacture of Bulk Functionally Graded Materials // Powder Metallurgy. 1996. Vol. 39. No. 3. P. 219 – 222 .Lin  C.-Y.,  McShane  H.B.,  Rawlings  R.D.  Extrusion  process for manufacture of bulk functionally graded materials. Powder Metallurgy. 1996, vol. 39, no. 3, pp. 219–222.Трудов А.Ф., Трыков Ю.П., Клочков С.В., Донцов Д.Ю. Влияние нагревов на структуру и свойства сваренного взрывом биметалла Ст.3+12Х18Н10Т // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2008. Т. 2. № 10. С. 18 – 22.Trudov A.F., Trykov Yu.P., Klochkov S.V., Dontsov D.Yu. Influence of heating on the structure and properties of St3 + 12Kh18N10T bi-metal welded by explosion. Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2008, vol. 2, no. 10, pp.  18–22.   (In Russ.).Belsley D.A., Kuh E., Welsch R.E. Regression Diagnostics. – New York: Wiley, 2004. – 314 p.Belsley D.A., Kuh E., Welsch R.E. Regression Diagnostics. New  York: Wiley, 2004, 314 p.Iskandarov A.M., Medvedev N.N., Zakharov P.V., Dmitriev S.V. Crowdion mobility and self-focusing 3D and 2D nickel // Computational Materials Science. 2009. Vоl. 47. P. 429 – 431.Iskandarov A.M.,  Medvedev  N.N.,  Zakharov  P.V.,  Dmitriev  S.V.  Crowdion mobility and self-focusing 3D and 2D nickel. Computational Materials Science. 2009, vоl. 47, pp. 429–431. Cox D.R. Regression models and life tables // Journal of the Royal Statistical Society. 1972. No. 34. P. 187 − 220.Cox D.R. Regression models and life tables. Journal of the Royal Statistical Society. 1972, no. 34, pp. 187−220.Huet I.I. Etude des reactions a lietat solide entre A1 et Сu // Metallurgies. 1962. Vol. 3. P. 49 − 53.Huet J.J. Etude des reactions a l’etat solide entre Al et Сu. Metallurgies. 1962, vol. 3, pp. 49−53. (In Fr.).Гуревич Л.М., Трыков Ю.П., Арисова В.Н. и др. Структура и микромеханические свойства в биметалле ВТ1-0+АД1, полученном сваркой взрывом по угловой схеме // Известия Волго-градского государственного технического университета. 2010. Т. 4. № 4. С. 38 – 42.Gurevich L.M., Trykov Yu.P., Arisova V.N. etc. Structure and mi-cromechanical  properties  of  VT1-0  +  AD1bimetal  obtained  by  explosion  welding  in  angular  pattern.  Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2010, vol. 4, no. 4,  pp.  38–42. (In Russ.).Трыков Ю.П., Проничев Д.В., Гуревич Л.М. и др. Исследова-ние тепло- и электропроводности СИК титан-сталь // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2010. Т. 4. № 4. С. 17 – 21.Trykov Yu.P., Pronichev D.V., Gurevich L.M. etc. Study of thermal  and electrical conductivity of titanium-steel composite alloy. Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2010, vol. 4, no. 4, pp. 17–21. (In Russ.).Oliver W., Pharr G. An Improved Technique for Detemining Hardness and Elastic Modulus Using Load and Displacement Sensing Indentation Experiments // J. Mater. Res. 1992. No. 7(6). P. 1564 – 1583.Oliver W., Pharr G. An improved technique for detemining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. J. Mater. Res. 1992, no. 7(6), pp. 1564–1583.Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. – Нижний Новгород: ИФМ РАН, 2004. – 110 с.Mironov V.L. Osnovy skaniruyushchei zondovoi mikroskopii[Basics of scanning probe microscopy]. Nizhny Novgorod: IFM RAN,  2004, 110 p. (In Russ.).Сканирующий зондовый микроскоп Solver PRO. Руководство пользователя. – М.: ЗАО «Нанотехнология-МДТ», 2006. – 341 с.Skaniruyushchii zondovyi mikroskop Solver PRO. Rukovodstvo pol’zovatelya [Scanning probe microscope Solver PRO. User guide].  Moscow: ZAO “Nanotekhnologiya-MDT”, 2006, 341 p. (In Russ.).Zuev L.B., Shlyakhova G.V., Barannikova S.A., Kolosov S.V. Micro structure of elements of a superconducting alloy Nb-Ti cable // Russ. Metal. 2013. No. 3. P. 229 – 234.Zuev L.B., Shlyakhova G.V., Barannikova S.A., Kolosov S.V. Mi-crostructure  of  elements  of  a  superconducting  alloy  Nb-Ti  cable.  Russ. Metal. 2013, no. 3, pp. 229–234.Barannikova S., Shlyakhova G., Zuev L., Malinovskiy A. Micro-structure of superconducting cable components // International Journal of GEOMATE. 2016. Vol. 10. No. 21. Р. 1906 – 1911.Barannikova S., Shlyakhova G., Zuev L., Malinovskiy A. Micro-structure of superconducting cable components. International Journal of GEOMATE. 2016, vol. 10, no. 21, pp. 1906–1911.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. On structure of localization zones of plastic deformation in superconductive cable based on Nb-Ti alloy // Metallofiz. Nov. Tekhnol. 2013. No. 35. P. 453 – 465.Shlyakhova G.V., Barannikova S.A., Zuev L.B. On structure of localization zones of plastic deformation in superconductive cable based  on Nb-Ti alloy. Metallofiz. Nov. Tekhnol. 2013, no. 35, pp.  453–465.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. 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.Грин Дж., Гольдштейн Дж. Основы аналитической электрон-ной микроскопии / Под ред. Дж. Грина. – М.: Металлургия, 1990. – 584 c.Introduction to Analytical Electron Microscopy.  Hren  J.J.,  Goldstein J.I., Joy D.C. eds. New York: Plenum Press, 1979. (Russ.ed.:  Hren J., Goldstein J. Osnovy analiticheskoi elektronnoi mikrosko pii.  Hren J. ed. Moscow: Metallurgiya, 1990, 584 p.).

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