blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2022-3-190-199blackmet-2275Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEХладостойкость новой литейной Cr – Mn – Ni – Mo – N стали. Часть 2. Исследование фактора частиц неметаллических включений при статическом и ударном нагружении при пониженных температурахCold resistance of new cast Cr – Mn – Ni – Mo – N steel. Part 2. Studying non-metallic inclusion particles under static and impact loading at low temperatureshttps://orcid.org/0000-0002-2136-5792КостинаМ. В.KostinaM. V.

Мария Владимировна Костина, д.т.н., доцент, ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией физикохимии и механики металлических материалов; профессор

119991, Москва, Ленинский пр., 49

125993, Москва, Волоколамское шоссе, 4

Mariya V. Kostina, Dr. Sci. (Eng.), Assist. Prof., Senior Researcher, Head of the Laboratory “Physicochemistry and Mechanics of Metallic Materials”; Prof.

49 Leninskii Ave., Moscow 119991

4 Volokolamskoe Route, Moscow 125993

mvk@imet.ac.ruКудряшовА. Э.KudryashovA. E.

Александр Эдуардович Кудряшов, инженер-исследователь

119991, Москва, Ленинский пр., 49

Aleksandr E. Kudryashov, Research Engineer

49 Leninskii Ave., Moscow 119991

al.kudriashov@mail.ruРигинаЛ. Г.RiginaL. G.

Людмила Георгиевна Ригина, к.т.н., ведущий научный сотрудник

119991, Москва, Ленинский пр., 49

115088, Москва, Шарикоподшипниковская ул., 4

Lyudmila G. Rigina, Cand. Sci. (Eng.), Leading Researcher

49 Leninskii Ave., Moscow 119991

4 Sharikopodshipnikovskaya Str., Moscow 115088

LGRigina@cniitmash.comМурадянС. О.MuradyanS. O.

Саркис Ованесович Мурадян, к.т.н., научный сотрудник лаборатории физикохимии и механики металлических материалов

119991, Москва, Ленинский пр., 49

Sarkis O. Muradyan, Cand. Sci. (Eng.), Research Associate of the Laboratory “Physicochemistry and Mechanics of Metallic Materials”

49 Leninskii Ave., Moscow 119991

muradianso@gmail.comАнтоноваО. С.AntonovaO. S.

Ольга Станиславовна Антонова, младший научный сот

119991, Москва, Ленинский пр., 49

Ol’ga S. Antonova, Junior Researcher

49 Leninskii Ave., Moscow 119991

https://orcid.org/0000-0001-7956-499XКостинаВ. С.KostinaV. S.

Валентина Сергеевна Костина, к.т.н., младший научный сотрудник лаборатории физикохимии и механики металлических материалов

119991, Москва, Ленинский пр., 49

Valentina S. Kostina, Cand. Sci. (Eng.), Junior Researcher of the Laboratory “Physicochemistry and Mechanics of Metallic Materials”

49 Leninskii Ave., Moscow 119991

vskostina@yandex.ruИнститут металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН; Московский авиационный институт (национальный исследовательский университетРоссияBaikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences; Moscow Aviation Institute (National Research University)Russian FederationИнститут металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАНРоссияBaikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН; Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения, ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»РоссияBaikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences; JSC Russian State Research Center “CNIITMASH”Russian Federation202208042022653190199Copyright © Костина М.В., Кудряшов А.Э., Ригина Л.Г., Мурадян С.О., Антонова О.С., Костина В.С., 20222022Костина М.В., Кудряшов А.Э., Ригина Л.Г., Мурадян С.О., Антонова О.С., Костина В.С.Kostina M.V., Kudryashov A.E., Rigina L.G., Muradyan S.O., Antonova O.S., Kostina V.S.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/2275

Новая литейная аустенитная Cr – Ni – Mn сталь с 0,5 % N (марка 05Х21АГ15Н8МФЛ) во всем интервале климатических температур превосходит по ударной вязкости литую сталь сравнения типа 18Cr – 10 Ni. В статье уделено внимание частицам неметаллических включений (НВ) в литом металле азотистой стали как фактору, способному влиять на механические свойства при статическом и ударном нагружении при пониженных температурах. Неметаллические включения в лабораторном металле представляют собой глобулярные оксисульфиды с оксидами SiO2 в центральной части и наружным слоем, сформированным сульфидом марганца MnS, со средним размером ~75 % частиц до 4 мкм. Установлено, что при испытаниях литой стали на ударный изгиб при –160 °С эти НВ не служат источником зарождения трещин и не способствуют их распространению, находясь в изломе в изолированных ямках. В условиях растяжения при –110 °С предел текучести азотистой стали возрастает более, чем в 1,7 раза по сравнению со свойствами при +20 °С, пластичность при охлаждении до –110 °С не снижается. При этом частицы НВ сильно деформируются за счет развития в их оксидной части трещин и даже при выходе на поверхность образца в рабочей части в зоне шейки они не служат источником зарождения трещин. Трещины на границе НВ – деформирующийся металл не образуются. Даже при случайном расположении частиц в виде цепочек вдоль оси приложения растягивающей нагрузки на расстоянии 5 – 20 мкм друг от друга не происходит формирования пор вокруг частиц и их слияния в зародыш трещины. Полученные результаты коррелируют с литературными данными о том, что в пластичных сталях НВ могут действовать как релаксаторы напряжений.

New cast austenitic Cr – Ni – Mn steel with 0.5 % N (grade 05Kh21AG15N8MF) surpasses cast steel of 18 Cr – 10 Ni type used for comparison in terms of the impact strength in the entire range of climatic temperatures. This part of the paper will pay attention to particles of non-metallic inclusions (NMI) in cast nitrogen-containing steel as a factor which affects mechanical properties under static and impact loading at low temperatures. NMI in laboratory metal consist of globular oxysulfides, with SiO2 oxides in the central part and an outer layer formed by manganese sulfide MnS, with an average particle size of ~75 % up to 4 μm. During the steel impact bend test at –160 °C, these NMI do not initiate cracking and do not contribute to crack propagation as a fracture in isolated pits. Under tensile conditions at –110 °C, the yield strength of nitrogen-containing steel increases by more than 1.7 times in comparison with the properties at +20 °C. Ductility does not decrease when cooled to –110 °C. In this case, NMI particles are strongly deformed due to the development of cracks in their oxide part. Even when NMI reach the surface of a sample in the working part in the neck zone, they do not initiate cracking. Cracks at the “NMI/deforming metal” interface are not formed. Even with a random arrangement of particles in the form of chains along the axis of application of the tensile load, at a distance of 5 – 20 μm from each other, pores do not form around the particles or merge into a crack nucleus. The results obtained correlate with the literature data that NMI can act as stress relaxers in ductile steels.

литая аустенитная стальхладостойкостьазотнеметаллические включенияизломтрещиныдеформацияcast austenitic steelcold resistancenitrogennon-metallic inclusionsfracturecracksdeformationReferencesКостина М.В., Поломошнов П.Ю., Блинов В.М., Мурадян С.О., Костина В.С. Хладостойкость новой литейной Cr–Mn–Ni–Mo–N стали с 0,5 % N. Часть 1 // Известия вузов. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 11. C. 894–906. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-11-894-906Kostina M.V., Polomoshnov P.Yu., Blinov V.M., Muradyan S.O., Kostina V.S. Cold resistance of new casting Cr – Mn – Ni – Mo – N steel with 0.5 % of N. Part. 1. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2019, vol. 62, no. 11, pp. 894–906. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-11-894-906Gladman T., Holmes B., Pickering F.B. Work hardening of lowcarbon steels // The Journal of the Iron and Steel Institute. 1970. Vol. 208. No. 2. P. 172–183.Gladman T., Holmes B., Pickering F.B. Work hardening of lowcarbon steels. The Journal of the Iron and Steel Institute. 1970, vol.  208, no. 2, pp. 172–183.Pickering F.B. Physical Metallurgy and the Design of Steels. London: Applied Science Publisher Ltd, 1978. 104 p.Pickering F.B. Physical Metallurgy and the Design of Steels. London: Applied Science Publisher Ltd, 1978, 104 p.Губенко С. Неметаллические включения и прочность сталей. Физические основы прочности сталей. Saarbrücken: OmniScriptum Marketing DEU GmbH, 2015. 274 c.Gubenko S. Non-Metallic Inclusions and Strength of Steels. Physical Bases of Strength of Steels. Saarbrücken: OmniScriptum Marketing DEU GmbH, 2015, 274 p. (In Russ.).Knott J.F. Fundamentals of Fracture Mechanics. London: Butterworth, 1973. 273 p.Knott J.F. Fundamentals of Fracture Mechanics. London: Butterworth, 1973, 273 p.Da Costa e Silva A.L.V. The effects of non-metallic inclusions on properties relevant to the performance of steel in structural and mechanical applications // Journal of Materials Research and Technology. 2019. Vol. 8. No. 2. P. 2408–2422. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.01.009Da Costa e Silva A.L.V. The effects of non-metallic inclusions on properties relevant to the performance of steel in structural and mechanical applications. Journal of Materials Research and Technology. 2019, vol. 8, no. 2, pp. 2408–2422. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.01.009You D., Michelic S.K., Presoly P., Liu J., Bernhard C. Modeling inclusion formation during solidification of steel: A review // Metals. 2017. Vol. 7. No. 11. Article 460. https://doi.org/10.3390/met7110460You D., Michelic S.K., Presoly P., Liu J., Bernhard C. Modeling inclusion formation during solidification of steel: A review. Metals. 2017, vol. 7, no. 11, article 460. https://doi.org/10.3390/met7110460Park J.H., Kang Y. Inclusions in stainless steels – A review // Steel Research International. 2017. Vol. 88. No. 12. P. 1700–2130. https://doi.org/10.1002/srin.201700130Park J.H., Kang Y. Inclusions in stainless steels – A review. Steel Research International. 2017, vol. 88, no. 12, pp. 1700–2130. https://doi.org/10.1002/srin.201700130Speich G.R., Spitzig W.A. Effect of volume fraction and shape of sulfide inclusions on through-thickness ductility and impact energy of high-strength 4340 plate steels // Metallurgical Transactions A. 1982. Vol. 13. No. 12. P. 2239–2258. https://doi.org/10.1007/BF02648395Speich G.R., Spitzig W.A. Effect of volume fraction and shape of sulfide inclusions on through-thickness ductility and impact energy of high-strength 4340 plate steels. Metallurgical Transactions A. 1982, vol. 13, no. 12, pp. 2239–2258. https://doi.org/10.1007/BF02648395Singh V. Inclusion Modification in Steel Castings Using Automated Inclusion Analysis: Masters Theses. Missouri University of Science and Technology, 2009. 80 p.Singh V. Inclusion Modification in Steel Castings Using Automated Inclusion Analysis: Masters Theses. Missouri University of Science and Technology, 2009, 80 p.Srivastava A., Ponson L., Osovski S., Bouchaud E., Tvergaard V., Needleman A. Effect of inclusion density on ductile fracture toughness and roughness // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2014. Vol. 63. P. 62–79. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2013.10.003Srivastava A., Ponson L., Osovski S., Bouchaud E., Tvergaard V., Needleman A. Effect of inclusion density on ductile fracture toughness and roughness. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2014, vol. 63, pp. 62–79. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2013.10.003Tervo H., Kaijalainen A., Pikkarainen T., Mehtonen S., Porter D. Effect of impurity level and inclusions on the ductility and toughness of an ultra-high-strength steel // Materials Science and Engineering: A. 2017. Vol. 697. P. 184–193. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.05.013Tervo H., Kaijalainen A., Pikkarainen T., Mehtonen S., Porter D. Effect of impurity level and inclusions on the ductility and toughness of an ultra-high-strength steel. Materials Science and Engineering: A. 2017, vol. 697, pp. 184-193. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.05.013Thornton P.A. The influence of nonmetallic inclusions on the mechanical properties of steel: A review // Journal of Materials Science. 1971. Vol. 6. P. 347–356. https://doi.org/10.1007/PL00020378Thornton P.A. The influence of nonmetallic inclusions on the mechanical properties of steel: A review. Journal of Materials Science. 1971, vol. 6, pp. 347–356. https://doi.org/10.1007/PL00020378Krawczyk J., Pawlowski B. The effect of non-metallic inclusions on the crack propagation impact energy of toughened 35B2+Cr steel // Metallurgy and Foundry Engineering. 2008. Vol. 34. No. 2. P. 115–124. https://doi.org/10.7494/mafe.2008.34.1.115Krawczyk J., Pawlowski B. The effect of non-metallic inclusions on the crack propagation impact energy of toughened 35B2+Cr steel. Metallurgy and Foundry Engineering. 2008, vol. 34, no. 2, pp. 115–124. https://doi.org/10.7494/mafe.2008.34.1.115Костина М.В., Мурадян С.О., Хадыев М.С., Корнеев А.А. Исследование влияния термической обработки на структуру, фазовый состав и механические свойства новой литейной высокоазотистой коррозионностойкой Cr–Mn–Ni–Mo–N стали // Металлы. 2011. № 5. С. 33–48.Kostina M.V., Muradyan S.O., Khadyev M.S., Korneev A.A. Effect of heat treatment on structure, phase composition and mechanical properties of a new cast high-nitrogen corrosion-resistant Cr–Mn–Ni–Mo–N steel. Metally. 2011, no. 5, pp. 33–48. (In Russ.).Wang W., Yan W., Yang K., Shan Y., Jiang Z. Temperature dependence of tensile behaviors of nitrogen-alloyed austenitic stainless steel // Journal of Materials Engineering and Performance. 2010. Vol. 19. P. 1214–1219. https://doi.org/10.1007/s11665-010-9603-7Wang W., Yan W., Yang K., Shan Y., Jiang Z. Temperature dependence of tensile behaviors of nitrogen-alloyed austenitic stainless steel. Journal of Materials Engineering and Performance. 2010, vol.  19, pp. 1214–1219. https://doi.org/10.1007/s11665-010-9603-7Судьин В.В. Исследование особенностей разрушения низколегированных сталей и их сварных соединений в интервале вязкохрупкого перехода: Дис… канд. физ.-мат. наук. Москва: ИМЕТ РАН, 2021. 189 с.Sud’in V.V. Investigation of the features of destruction of low-alloy steels and their welded joints in the interval of ductile-brittle transition: Cand. Tech. Sci. Diss. Moscow: IMET RAS, 2021, 189 p. (In Russ.).Горобченко С.Л., Кривцов Ю.С., Андреев А.К., Солнцев Ю.П. Конкурентоспособность арматурного литья за пределами ударной вязкости или применение нового комплексного метода для подтверждения надежности аустенитных сталей для криогенной арматуры // ТПА. Трубопроводная арматура и оборудование [Электронный ресурс]. URL: http://www.valverus.info/ popular/3219-konkurentosposobnost-armaturnogo-litya.html (дата обращения 20.12.2021)Gorobchenko S.L., Krivtsov Yu.S., Andreev A.K., Solntsev Yu.P. Competitiveness of rebar casting beyond impact strength or the use of a new integrated method to confirm the reliability of austenitic steels for cryogenic rebar. TPA. Truboprovodnaya armatura i oborudovanie [Electronic resource]. Available at URL: http://www.valverus.info/popular/3219-konkurentosposobnost-armaturnogo-litya.html (Accessed 20.12.2021). (In Russ.).Кайбышев О.А., Валиев Р.З. Границы зерен и свойства металлов. Москва: Металлургия, 1987. 214 с.Kaibyshev O.A., Valiev R.Z. Grain Boundaries and Properties of Metals. Moscow: Metallurgiya, 1987, 214 p. (In Russ.).Орлов А.Н., Переверзенцев В.Н., Рыбин В.В. Границы зерен в металлах. Москва: Металлургия, 1980, 156 с.Orlov A.N., Pereverzentsev V.N., Rybin V.V. Grain Boundaries in Metals. Moscow: Metallurgiya, 1980, 156 p. (In Russ.).Смирнов Л.А., Бурмасов С.П., Беликов С.В., Жиляков А.Ю., Орыщенко А.С., Калинин Г.Ю., Соловьев И.В., Житлухина М.Е. Влияние морфологии неметаллических включений на разрушение перспективной высокопрочной коррозионностойкой стали 04Х20Н6Г11М2АФБ // Черная металлургия. Бюллетень научнотехнической и экономической информации. 2020. Т. 76. № 4. С. 372–381. https://doi.org/10.32339/0135-5910-2020-4-372-381Smirnov L.A., Burmasov S.P., Belikov S.V., Zhilyakov A.Yu., Oryshchenko A.S., Kalinin G.Yu., Solov’ev I.V., Zhitlukhina M.E. Effect of nonmetallic inclusions morphology on destruction of a perspective high strength corrosion-resistant steel 04KH20N6G11M2AFB. Ferrous Metallurgy. Bulletin of Scientific, Technical and Economic Information. 2020, vol. 76, no. 4, pp. 372–381. (In Russ.). https://doi.org/10.32339/0135-5910-2020-4-372-381

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