blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2022-10-699-705blackmet-2413Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEИсследование локализации деформации на начальных стадиях пластического течения высокомарганцовистой сталиLocalization of strains at the initial stage of plastic yield of high manganese steelhttps://orcid.org/0000-0001-5010-9969БаранниковаС. А.BarannikovaS. A.

Светлана Александровна Баранникова, д.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник лаборатории физики прочности

Россия, 634055, Томск, пр. Академичес­кий, 2/4

Svetlana A. Barannikova, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Leading Researcher of the Laboratory of Strength Physics

2/4 Akademi­ches­kii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

bsa@ispms.ruИнститут физики прочности и материаловедения Сибирского Отделения РАНРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of Russian Academy of SciencesRussian Federation2022301020226510699705Copyright © Баранникова С.А., 20222022Баранникова С.А.Barannikova S.A.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/2413

Исследована макроскопическая локализация пластической деформации при одноосном растяжении монокристаллов стали Гадфильда (Fe – 13 % Mn – 1,03 % C). На стадии легкого скольжения обнаружены существенные различия в характере макролокализации пластической деформации. Все наблюдавшиеся в этих случаях картины локализации деформации можно разделить на два типа. Первый тип локализации деформации соответствует зарождению на верхнем пределе текучести и дальнейшему распространению фронта деформации, который поэтапно переводит материал образца из недеформированного состояния в деформированное. Наиболее наглядно это проявляется в монокристаллах, ориентированных вдоль осей растяжения \([\bar{3}77]\) и \([\bar{3}55]\), где на площадке текучести картина локализации деформации представляется одиночной зоной. Такой деформационный фронт проходит в объеме образца только один раз как полоса Чернова-Людерса. При этом течение материала осуществляется без упрочнения до тех пор, пока все его элементы не окажутся переведенными в деформированное состояние. Одиночные зоны локализации деформации наблюдаются также на стадиях легкого скольжения и площадке текучести в монокристаллах стали Гадфильда, ориентированных вдоль осей растяжения \([\bar{1}23]\) и \([012]\). При втором типе локализации на стадии легкого скольжения происходит синхронное движение по образцу нескольких очагов деформации. Движение может быть однонаправленным и встречным. Дальнейшее деформирование монокристаллов стали Гадфильда, ориентированных вдоль осей растяжения \([\bar{3}55]\) или \([012]\), приводит на стадии легкого скольжения к движению двух очагов локализации деформации. В монокристаллах, ориентированных вдоль оси \([\bar{1}11]\), картина локализации деформации представлена в виде четырех очагов локализованной деформации. Следовательно, синхронное движение фронтов деформации происходит по уже деформированному материалу. В качестве причины различия двух типов локализации макродеформации на стадии легкого скольжения и площадке текучести может обсуждаться число активных систем скольжения или двойникования при растяжении исследованных монокристалов.

The study concerns the macroscopic localization of plastic strain during uniaxial tension of Hadfield steel (Fe – 13 %, Mn – 1.03 % C) monocrystals. At the easy glide stage, significant differences were noted in the nature of plastic strain macrolocalization. All strain localization patterns observed in these cases can be divided into two types. The first type of strain localization corresponds to nucleation at the upper yield point and to further propagation of the strain front. This gradually transforms the specimen material from an undeformed state to a deformed one. This is most clearly manifested in monocrystals oriented along tensile axes \([\bar{3}77]\) and \([\bar{3}55]\), where the localization of strains is represented by a single zone in the yield area. This strain front passes through the specimen volume only once as a Chernov-Lüders band. In this case, the material flows without hardening until all of its elements have been converted to a strain state. Single strain localization zones are also observed at easy glide stages and the yield point in Hadfield steel monocrystals oriented along tensile axes \([\bar{1}23]\) and \([012]\). In the second type of localization a synchronous movement of several strain centers occurs in the specimen at the easy glide stage. The movement may be unidirectional or counteracting. Further strain of Hadfield steel monocrystals oriented along tensile axes \([\bar{3}55]\) or \([012]\) results in the movement of two strain localization centers at the easy glide stage. In monocrystals oriented along axis \([\bar{1}11]\), the strain localization pattern is represented as four localized strain centers. Consequently, the synchronous movement of strain fronts occurs in the already strained material. The number of active glide or twinning systems in the tensile strain of monocrystals studied can be viewed as a reason for the difference between the two types of macrostrain localization at the easy glide stage and the yield point.

пластическая деформациялокализациямонокристаллынержавеющие сталиплощадка текучестиplastic strainlocalizationmonocrystalsstainless steelsyield pointРабота выполнена в рамках государственного задания ИФПМ СО РАН, проект FWRW-2021-0011.The work was performed within the framework of the state assignment of the Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, project FWRW-2021-0011.ReferencesЗуев Л.Б. Автоволновая пластичность. Локализация и коллективные моды. Москва: Физматлит, 2018. 208 с.Zuev L.B. Autowave Plasticity. Localization and Collective Mods. Moscow: Fizmatlit, 2018, 208 p. (In Russ.).Зуев Л.Б., Хон Ю.А. Пластическое течение как процесс формирования пространственно-временных структур. Часть I. Качественные и количественные закономерности // Физическая мезомеханика. 2021. Т. 24. № 6. С. 5–14. https://doi.org/10.24412/1683-805X-2021-6-5-14Zuev L.B., Khon Yu.A. Plastic flow as spatiotemporal structure formation. Part I. Qualitative and quantitative patterns. Physical Mesomechanics. 2022, vol. 25, no. 2, pp. 103–110. https://doi.org/10.1134/S1029959922020011Баранникова С.А., Косинов Д.А., Зуев Л.Б., Громов В.Е., Коновалов С.В. Влияние водорода на макролокализацию пластической деформации низкоуглеродистой стали // Известия вузов. Черная металлургия. 2016. Т. 59. № 12. С. 891– 895. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2016-12-891-895Barannikova S.A., Kosinov D.A., Zuev L.B., Gromov V.E., Kono­valov S.V. Hydrogen effect on macrolocalization of plastic deformation of low carbon steel. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2016, vol. 59, no. 12, pp. 891– 895. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2016-12-891-895Данилов В.И., Баранникова С.А., Зуев Л.Б. Автоволны локализованной деформации на начальных стадиях пластического течения монокристаллов // Журнал технической физики. 2003. Т. 73. № 11. С. 69–75.Danilov V.I., Barannikova S.A., Zuev L.B. Localized strain autowaves at the initial stage of plastic flow in single crystals. Technical Physics. 2003, vol. 48, no. 11, pp. 1429–1435. https://doi.org/10.1134/1.1626775Barannikova S.A., Nadezhkin M.V. Kinetics of plastic deformation localization bands in polycrystalline nickel // Metals. 2021. Vol. 11. No. 9. Article 1440. https://doi.org/10.3390/met11091440Barannikova S.A., Nadezhkin M.V. Kinetics of plastic deformation localization bands in polycrystalline nickel. Metals. 2021, vol. 11, no. 9, article 1440. https://doi.org/10.3390/met11091440Zuev L.B., Barannikova S.A., Maslova O.A. The features of localized plasticity autowaves in solids // Materials Research. 2019. Vol. 22. No. 4. Article 20180694. https://doi.org/10.1590/1980-5373-mr-2018-0694Zuev L.B., Barannikova S.A., Maslova O.A. The features of localized plasticity autowaves in solids. Materials Research. 2019, vol. 22, no. 4, article 20180694. https://doi.org/10.1590/1980-5373-mr-2018-0694Бернер Р., Кронмюллер Г. Пластическая деформация монокристаллов. Москва: Мир, 1969. 272 с.Berner R., Kronmüller G. Plastische Verformung von Einkristallen. Berlin: Springer, 1965. (Russ.ed.: Berner R., Kronmüller G. Plasticheskaya deformatsiya monokristallov. Moscow: Mir, 1969, 268 p.)Lychagin D.V., Filippov A.V., Novitskaya O.S., Kolubaev A.V., Moskvichev E.N., Fortuna S.V., Chumlyakov Y.I. Deformation and wear of Hadfield steel single crystals under dry sliding friction // Wear. 2022. Vol. 488–489. Article 204126. https://doi.org/10.1016/j.wear.2021.204126Lychagin D.V., Filippov A.V., Novitskaya O.S., Kolubaev A.V., Moskvichev E.N., Fortuna S.V., Chumlyakov Y.I. Deformation and wear of Hadfield steel single crystals under dry sliding friction. Wear. 2022, vol. 488–489, article 204126. https://doi.org/10.1016/j.wear.2021.204126Adler P.H., Olson G.B., Owen W.S. Strain hardening of Hadfield manganese steel // Metallurgical and Materials Transactions A. 1986. Vol. 17. No. 10. P. 1725–1737. https://doi.org/10.1007/BF02817271Adler P.H., Olson G.B., Owen W.S. Strain hardening of Hadfield manganese steel. Metallurgical and Materials Transactions A. 1986, vol. 17, no. 10, pp. 1725–1737. https://doi.org/10.1007/BF02817271Штремель М.А., Коваленко И.А. О механизме упрочнения стали Гадфильда // Физика металлов и металловедение. 1987. Т. 63. № 1. С. 172–180.Shtremel’ M.A., Kovalenko I.A. On the mechanism of Hadfield steel hardening. Fizika metallov i metallovedenie. 1987, vol. 63, no. 1, pp. 172–180. (In Russ.).Karaman I., Sehitoglu H., Gall K., Chumlyakov Y.I., Maier H.J. Deformation of single crystal Hadfield steel by twinning and slip // Acta Materialia. 2000. Vol. 48. No. 6. P. 1345–1359. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(99)00383-3Karaman I., Sehitoglu H., Gall K., Chumlyakov Y.I., Maier H.J. Deformation of single crystal Hadfield steel by twinning and slip. Acta Materialia. 2000, vol. 48, no. 6, pp. 1345–1359. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(99)00383-3Efstathiou C., Sehitoglu H. Strain hardening and heterogeneous deformation during twinning in Hadfield steel // Acta Materialia. 2010. Vol. 58. No. 5. P. 1479–1488. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2009.10.054Efstathiou C., Sehitoglu H. Strain hardening and heterogeneous deformation during twinning in Hadfield steel. Acta Materialia. 2010, vol. 58, no. 5, pp. 1479–1488. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2009.10.054Roshan J., Sankaranarayanan S.R., Kumaresh Babu S.P. Recent advancements in manganese steels – A review // Materials Today: Proceedings. 2020. Vol. 27. Part 3. P. 2852–2858. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.01.296Roshan J., Sankaranarayanan S.R., Kumaresh Babu S.P. Recent advancements in manganese steels – A review. Materials Today: Proceedings. 2020, vol. 27, part 3, pp. 2852–2858. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.01.296Li Y., Zhu L., Liu Y., Wei Y., Wu Y., Tang Di, Mi Z. On the strain hardening and texture evolution in high manganese steels: Experiments and numerical investigation // Journal of The Mechanics and Physics of Solids. 2013. Vol. 61. No. 12. P. 2588–2604. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2013.08.007Li Y., Zhu L., Liu Y., Wei Y., Wu Y., Tang Di, Mi Z. On the strain hardening and texture evolution in high manganese steels: Experiments and numerical investigation. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2013, vol. 61, no. 12, pp. 2588–2604. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2013.08.007Meng L., Yang P., Xie Q., Ding H., Tang Z. Dependence of deformation twinning on grain orientation in compressed high manganese steels // Scripta Materialia. 2007. Vol. 56. No. 11. P. 931–934. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2007.02.028Meng L., Yang P., Xie Q., Ding H., Tang Z. Dependence of deformation twinning on grain orientation in compressed high manganese steels. Scripta Materialia. 2007, vol. 56, no. 11, pp. 931–934. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2007.02.028Гервасьев М.А., Хотинов В.А., Озерец Н.Н., Хадыев М.С., Баширова М.А., Гусев А.А. Изменение микроструктуры и деформационное упрочнение высокомарганцевых сталей при растяжении // Металловедение и термическая обработка металлов. 2020. № 3. С. 3–6.Gervas’ev M.A., Khotinov V.A., Ozerets N.N., Khadyev M.S., Bashirova M.A., Gusev A.A. Changes in microstructure and strain hardening of high-manganese steels under tension. Metal Science and Heat Treatment. 2020, vol. 62, no. 3-4, pp. 183–187. https://doi.org/10.1007/s11041-020-00534-zShterner V., Timokhina I.B., Beladi H. On the work-hardening behaviour of a high manganese TWIP steel at different deformation temperatures // Materials Science and Engineering: A. 2016. Vol. 669. No. 4. P. 437–446. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.05.104Shterner V., Timokhina I.B., Beladi H. On the work-hardening behaviour of a high manganese TWIP steel at different deformation temperatures. Materials Science and Engineering: A. 2016, vol. 669, no. 4, pp. 437–446. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.05.104Curtze S., Kuokkala V.-T. Dependence of tensile deformation behavior of TWIP steels on stacking fault energy, temperature and strain rate // Acta Materialia. 2010. Vol. 58. No. 15. P. 5129–5141. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2010.05.049Curtze S., Kuokkala V.-T. Dependence of tensile deformation behavior of TWIP steels on stacking fault energy, temperature and strain rate. Acta Materialia. 2010, vol. 58, no. 15, pp. 5129–5141. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2010.05.049De Cooman B.C., Estrin Yu., Kim S.K. Twinning-induced plasticity (TWIP) steels // Acta Materialia. 2018. Vol. 142. P. 283–362. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.06.046De Cooman B.C., Estrin Yu., Kim S.K. Twinning-induced plasticity (TWIP) steels. Acta Materialia. 2018, vol. 142, pp. 283–362. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.06.046Zhang L., Guo P., Wang G., Liu S. Serrated flow and failure beha­viors of a Hadfield steel at various strain rates under extensometer-measured strain control tensile load // Journal of Materials Research and Technology. 2020. Vol. 9. No. 2. P. 1500–1508. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.11.075Zhang L., Guo P., Wang G., Liu S. Serrated flow and failure beha­viors of a Hadfield steel at various strain rates under extensometer-measured strain control tensile load. Journal of Materials Research and Technology. 2020, vol. 9, no. 2, pp. 1500–1508. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.11.075

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