blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2022-12-879-886blackmet-2453Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEДеформация и разрушение Cr – Mn – C – N стали в литом состоянииStrain and fracture of Cr – Mn – C – N steel in cast statehttps://orcid.org/0000-0003-2195-4906ДерюгинЕ. Е.DeryuginE. E.

Евгений Евгеньевич Дерюгин, д.ф.-м.н., профессор, ведущий научный сотрудник

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

Evgenii E. Deryugin, Dr. Sci. (Phys.–Math.), Prof., Leading Researcher

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

dee@ispms.tsc.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5179-1955НаркевичН. А.NarkevichN. A.

Наталья Аркадьевна Наркевич, к.т.н., доцент, старший научный сотрудник

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

Natal’ya A. Narkevich, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof., Senior Researcher

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

natnark@list.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0880-2898ГомороваЮ. Ф.GomorovaYu. F.

Юлия Федоровна Гоморова, к.т.н., научный сотрудник

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

Yulia F. Gomorova, Cand. Sci. (Eng.), Research Associate

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

gomjf@ispms.ruИнститут физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАНРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation2022311220226512879886Copyright © Дерюгин Е.Е., Наркевич Н.А., Гоморова Ю.Ф., 20232023Дерюгин Е.Е., Наркевич Н.А., Гоморова Ю.Ф.Deryugin E.E., Narkevich N.A., Gomorova Y.F.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/2453

Исследовано влияние граничных условий и скорости нагружения на деформационное поведение и разрушение стали на основе Cr – Mn – С – N аустенита в литом состоянии без дополнительной термической обработки. Закономерности деформации и разрушения стали проанализированы на основе данных испытаний на трехточечный изгиб образцов квадратного сечения с надрезом и без надреза, положенных ребром на опоры. Такое нетрадиционное расположение образца на опорах позволило обнаружить помимо начальной стадии упругой деформации стали еще две стадии развития деформации под действием внешней приложенной силы: стадию нелинейной деформации и стадию прерывистой деформации, предшествующей моменту разрушения образца. Показано, что с увеличением скорости нагружения сопротивление разрушению и протяженность стадии нелинейной деформации образца с надрезом увеличивается, а протяженность стадии прерывистой деформации уменьшается. Образец без надреза имеет продолжительную стадию нелинейной деформации и проявляет максимальную прочность при отсутствии стадии прерывистого течения. Завершение стадии нелинейной деформации соответствует моменту разрушения образца. Характерным свойством литой стали при заданных условиях нагружения является то, что разрушение образца совершается хрупко, несмотря на продолжительную стадию нелинейной деформации. Структурные металлографические и дифрактометрические исследования показали, что во всех испытаниях разрушение стали происходит хрупко без следов пластической деформации. Стадия нелинейной деформации стали определяется не дислокационной пластической деформацией, а механизмом γ → αʹ-превращения в аустенитных прослойках между нитридными и карбидными частицами под действием внешней приложенной силы. Стадия прерывистой деформации стали связана с процессом стабильного распространения трещины по поперечному сечению образца.

The paper studies the influence of boundary conditions and the loading rate on the strain behavior and fracture of Cr – Mn – C – N austenitic steel in the cast state without additional heat treatment. Regularities of steel strain and fracture were analyzed on the basis of three-point bending test data of square-section samples with and without a notch, placed with a rib on supports. In addition to the initial stage of the steel elastic strain, this unconventional arrangement of the sample on supports enabled the detection of two more stages of strain development under the effect of an external applied force: the stage of nonlinear strain and the stage of discontinuous strain preceding the moment of sample failure. As the loading rate increases, it was demonstrated that the fracture resistance and the extent of the nonlinear strain stage of the sample with a notch decreases, and the extent of the discontinuous strain stage increases. The sample without a notch has a prolonged nonlinear strain stage and exhibits maximum strength in the absence of the discontinuous stage. The end of the nonlinear strain stage corresponds to the moment of sample failure. A characteristic property of cast steel under the given loading conditions is that the fracture of the sample is brittle, despite the prolonged stage of non-linear strain. Structural metallographic and diffractometric studies have shown that in all tests the steel fracture is brittle with-out traces of plastic yield. The nonlinear strain stage of steel is determined not by dislocation plastic yield, but by the mechanism of γ → αʹ transformation in austenitic interlayers between nitride and carbide particles under the effect of an external applied force. The discontinuous strain stage of steel is associated with the process of stable crack propagation across the sample.

литая Cr – Mn – C – N стальдендритная структурапрерывистый распаднитридыиспытания на изгибразрушениеcast Cr – Mn – C – N steeldendritic structurediscontinuous decaynitridesbending testfractureРабота выполнена в рамках государственного задания ИФПМ Сибирского отдедения РАН (тема FWRW-2021-0009), а также при поддержке Российского научного фонда, грант № 22-29-00438.The work was performed within the framework of the state task of the Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, project FWRW-2021-0009 and supported by the Russian Science Foundation, grant RSF 22-29-00438.ReferencesBerns H., Gavriljuk V., Riedner S., Tyshchenko A. High strength stainless austenitic CrMnCN stees. Part I: Alloy design and properties // Steel Research International. 2007. Vol. 78. No. 9. P. 714–719. https://doi.org/10.1002/srin.200706274Berns H., Gavriljuk V., Riedner S., Tyshchenko A. High strength stainless austenitic CrMnCN stees. Part I: Alloy design and properties. Steel Research International. 2007, vol. 78, no. 9, pp. 714–719. https://doi.org/10.1002/srin.200706274Gavriljuk V., Razumov O., Petrov Y., Surzhenko I., Berns H. High strength stainless austenitic CrMnCN stees. Part II: Structural changes by repeated impacts // Steel Research International. 2007. Vol. 78. No. 9. P. 720–723. https://doi.org/10.1002/srin.200706275Gavriljuk V., Razumov O., Petrov Y., Surzhenko I., Berns H. High strength stainless austenitic CrMnCN stees. Part II: Structural changes by repeated impacts. Steel Research International. 2007, vol. 78, no. 9, pp. 720–723. https://doi.org/10.1002/srin.200706275Schymura M., Fischer A. Fatigue of austenitic high interstitial steels – The Role of N and C // Advanced Materials Research. 2014. Vol. 891-892. P. 403–409. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.891-892.403Schymura M., Fischer A. Fatigue of austenitic high interstitial steels – The role of N and C. Advanced Materials Research. 2014, vol. 891-892, pp. 403–409. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.891-892.403Berezovskaya V., Merkushkin E.A. Structure and phase transformations in high nitrogen and high interstitial steels of different alloying systems – Short Review // Defect and Diffusion Forum. 2021. Vol. 410. P. 167–172. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/DDF.410.167Berezovskaya V., Merkushkin E.A. Structure and phase transformations in high nitrogen and high interstitial steels of different alloying systems – Short Review. Defect and Diffusion Forum. 2021, vol. 410, pp. 167–172. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/DDF.410.167Niederhofer P., Siebert S., Huth S., Theisen W., Berns H. High interstitial FeCrMnCN austenitic stainless steels for use in tribocorrosive environments. In: Proceedings of the 12th Int. Conf. on High Nitrogen Steels (HNS). Hamburg, 2014. P. 50–57.Niederhofer P., Siebert S., Huth S., Theisen W., Berns H. High interstitial FeCrMnCN austenitic stainless steels for use in tribocorrosive environments. In: Proceedings of the 12th Int. Conf. on High Nitrogen Steels (HNS), Hamburg, 2014, pp. 50–57.Schymura M., Stegemann R. Crack propagation behavior of solution annealed austenitic high interstitial steels // International Journal of Fatigue. 2015. Vol. 79. No.10. P. 25–35. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2015.04.014Schymura M., Stegemann R. Crack propagation behavior of solution annealed austenitic high interstitial steels. International Journal of Fatigue. 2015, vol. 79, no. 10, pp. 25–35. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2015.04.014Солнцев Ю.Р. Хладостойкие стали и сплавы. Санкт-Петербург: Химиздат. 2005. 476 с.Solntsev Yu.R. Cold-Resistant Steels and Alloys. St. Petersburg: Khimizdat, 2005, 476 p. (In Russ.).Костина 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. С. 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/10.17073/0368-0797-2019-11-894-906Панин В.Е., Наркевич Н.А., Дураков В.Г., Шулепов И.А. Управление структурой и износостойкостью электроннолучевого покрытия из углеродоазотистой аустенитной стали // Физическая мезомеханика. 2020. Т. 23. № 2. С. 15–23. https://doi.org/10.24411/1683-805X-2020-12002Panin V.E., Narkevich N.A., Durakov V.G., Shulepov I.A. Control of the structure and wear resistance of a carbon-nitrogen austenitic steel coating produced by electron beam cladding. Physical Mesomechanics. 2021, vol. 24, no. 1, pp. 53–60. https://doi.org/10.1134/S1029959921010082Тагильцева Д.Н., Наркевич Н.А., Шулепов И.А., Моисеенко Д.Д. Релаксационная способность и трещиностойкость азотистого покрытия, полученного электронно-лучевой наплавкой порошка стали 60Х24АГ16 при высоконагруженном изнашивании твердым абразивом // Трение и износ. 2014. Т. 35. № 2. С. 142–150.Tagil’tseva D.N., Narkevich N.A., Shulepov I.A., Moiseenko D.D. Relaxation capacity and cracking resistance of nitrous coating produced by electron-beam facing of 0.6C-24Cr-0.7N-16Mn steel powder during wear by hard abrasive under heavy loads. Journal of Friction and Wear. 2014, vol. 35, no. 2, pp. 104–110. https://doi.org/10.3103/S1068366614020159Наркевич Н.А., Тагильцева Д.Н., Дураков В.Г., Шулепов И.А., Иванова Е.А. Структура и износостойкость электронно-лучевых азотистых покрытий // Трение и износ. 2012. Т. 33. № 5. С. 512–520.Narkevich N.A., Tagil’tseva D.N., Durakov V.G., Shulepov I.A., Ivanova E.A. Structure and wear resistance of electron-beam nit­rous coatings. Journal of Friction and Wear. 2012, vol. 33, no. 5, pp. 374–380. https://doi.org/10.3103/S106836661205008XИванова Е.А., Наркевич Н.А. Структура и износостойкость азотистых дисперсноупрочненных азотитрованным феррована­дием покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой // Известия вузов. Черная металлургия. 2008. T. 51. № 10. С. 41–44.Ivanova E.A., Narkevich N.A. Structure and wear resistance of nitro­genous dispersed coatings reinforced with nitrated ferrovanadium obtained by electron-beam surfacing. Izvestiya. Ferrous Me­tallurgy. 2008, vol. 51, no. 10, pp. 41–44. (In Russ.).Наркевич Н.А., Тагильцева Д.Н., Дураков В.Г., Шулепов А.И., Смирнов А.И. Структура, трибологические и механические свойства азотистых электронно-лучевых покрытий, дисперсно-упрочненных частицами V(C, N) // Физика металлов и металловедение. 2013. Т. 114. № 6. С. 583–592. https://doi.org/10.7868/S0015323013060107Narkevich N.A., Tagil’tseva D.N., Durakov V.G., Shulepov A.I., Smirnov A.I. Structure and tribological and mechanical properties of nitrogen electron-beam coatings dispersion-hardened by V(C, N) particles. Physics of Metals and Metallography. 2013, vol. 114, no. 6, pp. 535–544. https://doi.org/10.1134/S0031918X13060100Tu J.-N., Duh J.-G., Tsai S.-Yu. Morphology, mechanical properties, and oxidation behavior of reactively sputtered Cr–N films // Surface and Coatings Technology. 2000. Vol. 133-134. No. 2-3. P. 181–185. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(00)00961-0Tu J.-N., Duh J.-G., Tsai S.-Yu. Morphology, mechanical properties, and oxidation behavior of reactively sputtered Cr–N films. Surface and Coatings Technology. 2000, vol. 133-134, no. 2-3, pp. 181–185. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(00)00961-0Pakala M, Lin R.Y. Reactive sputter deposition of chromium nitride coatings // Surface and Coatings Technology. 1996. Vol. 81. No. 2-3. P. 233–239. https://doi.org/10.1016/0257-8972(95)02488-3Pakala M, Lin R.Y. Reactive sputter deposition of chromium nit­ride coatings. Surface and Coatings Technology. 1996, vol. 81, no. 2-3, pp. 233–239. https://doi.org/10.1016/0257-8972(95)02488-3Simmons J.W. Overview: High-nitrogen alloying of stainless steels // Materials Science and Engineering: A. 1996. Vol. 207. No. 2. P. 159–169. https://doi.org/10.1016/0921-5093(95)09991-3Simmons J.W. Overview: High-nitrogen alloying of stainless steels. Materials Science and Engineering: A. 1996, vol. 207, no. 2, pp. 159–169. https://doi.org/10.1016/0921-5093(95)09991-3Colombier L., Hochmann J. Stainless and Heat Resisting Steels. Hodder Arnold H&S, 1976. 560 p.Colombier L., Hochmann J. Stainless and Heat Resisting Steels. Hodder Arnold H&S, 1976, 560 p.Паймушин В.Н., Тарлаковский Д.В., Холмогоров С.А. О неклассической форме потери устойчивости и разрушении композитных тест-образцов в условиях трехточечного изгиба // Ученые записки. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. 2016. Т. 158. № 3. С. 350–375.Paimushin V.N., Tarlakovskii D.V., Kholmogorov S.A. On non-classical form of stability loss and destruction of composite test samples under three-point bending. Uchenye zapiski. Kazan. un-ta. Ser. Fiz.-matem. nauki. 2016, vol. 158, no. 3, pp. 350–375. (In Russ.).ГОСТ Р 56805-2015 (ИСО 14125:1998). Композиты полимерные. Методы определения механических характеристик при изгибе. Москва: Стандартинформ. 2016.GOST R 56805 – 2015 (ISO 14125:1998). Polymer composites. Methods for determining mechanical characteristics during bending. Moscow: Standartinform, 2016. (In Russ.).Pickering F.B. Physical Metallurgy and the Design of Steels. London: Applied Science Publisher Ltd., 1978. 275 p.Pickering F.B. Physical Metallurgy and the Design of Steels. London: Applied Science Publisher Ltd., 1978, 275 p.

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