blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2023-5-571-579blackmet-2630Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEВлияние остаточного аустенита на механические свойства стали с 15 % CrEffect of retained austenite on mechanical properties of steel with 15 % CrПышминцевИ. Ю.PyshmintsevI. Yu.

Игорь Юрьевич Пышминцев, д.т.н., профессор, генеральный директор

Россия, 143026, Москва, Инновационный Центр Сколково, Большой бульвар, 5

Igor’ Yu. Pyshmintsev, Dr. Sci. (Eng.), Prof., General Director

5 Bol’shoi Blvd.., Skolkovo, Moscow 143026, Russian Federation

PyshmintsevIU@tmk-group.comБитюковС. М.BityukovS. M.

Сергей Михайлович Битюков, к.т.н., заведующий лабораторией

Россия, 143026, Москва, Инновационный Центр Сколково, Большой бульвар, 5

Sergei M. Bityukov, Cand. Sci. (Eng.), Head of the Laboratory

5 Bol’shoi Blvd.., Skolkovo, Moscow 143026, Russian Federation

BitiukoySM@tmk-group.comГусевА. А.GusevA. A.

Алексей Антонович Гусев, младший научный сотрудник

Россия, 143026, Москва, Инновационный Центр Сколково, Большой бульвар, 5

Aleksei A. Gusev,  Junior Researcher

5 Bol’shoi Blvd.., Skolkovo, Moscow 143026, Russian Federation

GusevAA1@tmk-group.comООО «Исследовательский центр ТМК»РоссияLLC “Research Center TMK”Russian Federation202311112023665571579Copyright © Пышминцев И.Ю., Битюков С.М., Гусев А.А., 20232023Пышминцев И.Ю., Битюков С.М., Гусев А.А.Pyshmintsev I.Y., Bityukov S.M., Gusev A.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/2630

Исследованы особенности влияния остаточного аустенита на механические свойства стали аустенитно-мартенситного класса с 15 % Cr после различных режимов термической обработки. По окончании нагрева под закалку и последующего отпуска или нагрева в межкритический интервал температур в микроструктуре стали сохраняется значительное количество остаточного аустенита, что затрудняет достижение высокого предела текучести. Дестабилизация остаточного аустенита с последующим превращением в «свежий» мартенсит обеспечивается за счет многоступенчатой термической обработки, включающей закалку, нагрев в межкритический интервал температур или выше точки АС3 и заключительный отпуск. Установлено, что сохранившийся в микроструктуре двухфазной стали остаточный аустенит имеет форму блоков и тонких прослоек, расположенных в межреечном пространстве. Испытание на растяжение стали с 15 % Cr показало, что многоступенчатая термообработка обеспечивает высокопрочное состояние, соответствующее группам прочности Q125 и Q135. Сравнительный анализ характера деформации аустенитно-мартенситной стали в различных состояниях свидетельствует о смещении начала мартенситного превращения при растяжении после заключительного отпуска в упругую область с образованием мартенсита напряжения. Для стали с 15 % Cr установлена ограниченная деформационная устойчивость остаточного аустенита блочной формы, преимущественно претерпевающего мартенситное превращение при испытаниях на растяжение и удар при отрицательной температуре. Предположительно, этим обусловлена заметно меньшая ударная вязкость аустенитно-мартенситной стали с 15 % Cr по сравнению со сталью мартенситного класса с 13 % Cr при равной прочности.

The paper considers the study of influence of retained austenite on the mechanical properties of steel of the austenite-martensitic class based on 15 % Cr after various heat treatment. Significant amount of retained austenite remains in the steel microstructure after quenching and subsequent tempering or heating in the intercritical temperature range that makes difficult to achieve a high yield strength. Destabilization of retained austenite with subsequent transformation into newly formed martensite is provided by multi-stage heat treatment which includes quenching, heating in the intercritical temperature range or above the AC3 point and final tempering. It was established that retained austenite remains in the microstructure of two-phase steel and has the form of blocks and thin layers located in the inter-lath space. Tensile testing of steel based on 15 % Cr showed that multi-stage heat treatment provides a high-strength condition corresponding to strength groups Q125 and Q135. A comparative analysis of deformation behavior of semi-austenitic steel in various states indicates that the beginning of the martensitic transformation after the final tempering shifts into the elastic region during tension and leads to the formation of stress-assisted martensite. It was determined that block-shaped retained austenite in steel with 15 % Cr predominantly undergoes martensitic transformation during tensile and impact tests at a subzero temperature. This is supposed to be the reason for the noticeably lower impact toughness of semi-austenitic steel with 15 % Cr compared to martensitic steel with 13 % Cr at equal strength.

нержавеющие высокопрочные сталистали переходного классатермическая обработказакалкаотпускмартенситостаточный аустенитударная вязкостьфазовый составмикрорентгеноспектральный анализпросвечивающая электронная микроскопиядифракция обратного рассеяния электроновstainless high-strength steelssemi-austenitic steelsheat treatmenthardeningtemperingmartensiteretained austeniteimpact toughnessphase compositionX-ray microanalysistransmission electron microscopyelectron backscatter diffractionReferencesANSI/API Spec 5CRA. Спецификация по бесшовным трубам из коррозионно-стойкого сплава для использования в качестве обсадных, насосно-компрессорных труб и соединительных муфт. Американский нефтяной институт, 2010:100.ANSI/API Spec 5CRA. Specification for corrosion-resistant alloy seamless tubes for use as casing, tubing, and coupling stoc. American Petroleum Institute; 2010:100.Потак Я.М. Высокопрочные стали. Москва: Металлургия; 1972:208.Potak Ya.M. High-Strength Steels. Moscow: Metallurgiya; 1972:208. (In Russ.).Пикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей. Москва: Металлургия; 1982:182.Pickering F.B. Physical Metallurgy and the Design of Steels. Applied Science Publishers; 1978:275.Померанцева С.И., Вознесенская Н.М., Тарасенко Л.В., Лащевский В.Б. Высокопрочные коррозионностойкие стали переходного аустенитно-мартенситного класса ВНС-5 и СН-3. Вопросы авиационной науки и техники. Авиационные материалы. 1986; (№ Высокопрочные стали):65–72.Pomerantseva S.I., Voznesenskaya N.M., Tarasenko LV., Lashchevskii V.B., High-strength corrosion-resistant semi-austenitic steels VNS-5 and SN-3. Voprosy aviatsionnoi nauki i tekhniki. Aviatsionnye materialy. 1986;(High-strength steels):65–72. (In Russ.).Потак Я.М., Сачков В.В., Попова Л.С., Лавров В.И. Нержавеющая сталь Х16Н6 (СН-2А, ЭП288) переходного класса с высокой вязкостью. Металловедение и термическая обработка металлов. 1968;(11):4–7.Potak Ya.M., Sachkov V.V., Popova L.S., Lavrov V.I. Stainless steel Kh16N6 (SN-2A, EP288) of transition class with high viscosity. Metal Science and Heat Treatment. 1968;(11):4–7. (In Russ.).Вознесенская Н.М., Петраков А.Ф., Каблов Е.Н., Шалькевич А.Б. Высокопрочные коррозионностойкие стали аустенито-мартенситного класса. Металловедение и термическая обработка металлов. 2002;(7):34–37.Voznesenskaya N.M., Petrakov А.F., Kablov Е.N., Shal’kevich А.B. High-strength corrosion-resistant steels of austenitic-martensitic class. Metal Science and Heat Treatment. 2002;(7):34–37. (In Russ.).Померанцева С.И., Вознесенская Н.М., Лащевский В.Б., Гурвич Л.Я. Влияние нагревов при 400-450 ℃ на сопротивление коррозионному растрескиванию сварных соединений высокопрочных нержавеющих сталей. Вопросы авиационной науки и техники. Авиационные материалы. 1988;(№ Коррозия и защита металлических материалов и конструкций):22–26.Pomerantseva S.I., Voznesenskaya N.M., Lashchevs­kii V.B., Gurvich L.Ya. Effect of heating at 400-450℃ on the stress corrosion cracking resistance of welded joints of high-strength stainless steels. Voprosy aviatsionnoi nauki i tekhniki. Aviatsionnye materialy. 1988;(Corrosion and protection of metallic materials and structures):22–26. (In Russ.).Вознесенская Н.М., Лащевский В.Б., Гурвич Л.Я., Кривов Н.А., Ермолин П.А. Повышение сопротивления коррозионному растрескиванию штампованных деталей из стали 08Х17Н5М3. Вопросы авиационной науки и техники. Авиационные материалы. 1988;(№ Коррозия и защита металлических материалов и конструкций):15–21.Voznesenskaya N.M., Lashchevskii V.B., Gurvich L.Ya., Krivov N.А., Ermolin P.А. Increasing the resistance to corrosion cracking of stamped parts made of steel 08Kh17N5M3. Voprosy aviatsionnoi nauki i tekhniki. Aviatsionnye materialy. 1988;(no. Corrosion and protection of metallic materials and structures):15-21. (In Russ.).Петраков А.Ф., Козловская В.И., Савинков Р.А., Транцевич Я.В. Влияние водорода на свойства коррозионно-стойких хромоникелевых сталей при комнатной и крио­генных температурах. Вопросы авиационной науки и техники. Авиационные материалы. 1985;(3):15–21.Petrakov А.F., Kozlovskaya V.I., Savinkov R.А., Trantse­vich Ya.V. Effect of hydrogen on the properties of corrosion-resistant chromium-nickel steels at room and cryogenic temperatures. Voprosy aviatsionnoi nauki i tekhniki. Aviatsionnye materialy. 1985;(3):15–21. (In Russ.).Махнева Т.М., Дементьев В.Б. Фазовый состав подвергнутой интенсивной пластической деформации стали марки ВНС2 после закалки и старения в замкнутом объе­ме. Вестник ИжГТУ. 2009;(4):54–58.Makhneva Т.М., Dement’ev V.B. Phase composition of VNS2 steel undergone to intensive plastic deformation after hardening and aging in a closed volume. Vestnik IZhGTU. 2009;(4):54-58. (In Russ.).Громов В.И., Вознесенская Н.М., Покровская Н.Г., Тонышева О.А. Высокопрочные конструкционные и коррозион­ностойкие стали ФГУП «ВИАМ» для изделий авиационной техники. Авиационные материалы и технологии. 2017;(S):159–174. https://doi.org/10.18577/2071-9140-2017-0-S-159-174Gromov V.I., Voznesenskaya N.M., Pokrovskaya N.G., Tonysheva O.A. High-strength constructional and corrosion-resistant steels developed by VIAM for aviation engineering. Aviatsionnye materialy i tekhnologii. 2017;(S):159–174. (In Russ.). https://doi.org/10.18577/2071-9140-2017-0-S-159-174Wong A. Modelling the stability and transformation kinetics of retained austenite in steels. Materials Science and Technology. 2022;38(11):676–688. http://dx.doi.org/10.1080/02670836.2022.2063539Wong A. Modelling the stability and transformation kinetics of retained austenite in steels. Materials Science and Technology. 2022;38(11):676–688. http://dx.doi.org/10.1080/02670836.2022.2063539Xiong X.C., Chen B., Huang M.X., Wang J.F., Wang L. The effect of morphology on the stability of retained auste­nite in a quenched and partitioned steel. Scripta Materialia. 2013;68(5):321–324. http://dx.doi.org/10.1016/j.scriptamat.2012.11.003Xiong X.C., Chen B., Huang M.X., Wang J.F., Wang L. The effect of morphology on the stability of retained austenite in a quenched and partitioned steel. Scripta Materialia. 2013;68(5):321–324. http://dx.doi.org/10.1016/j.scriptamat.2012.11.003Yang K., Ding W., Liu S., Li W., Jin X. Dominating role of film-like carbon-enriched austenite for the simulta­neous improvement of strength and toughness in low-carbon steel. Steel Research International. 2021;92(2):2000344. https://doi.org/10.1002/srin.202000344Yang K., Ding W., Liu S., Li W., Jin X. Dominating role of film-like carbon-enriched austenite for the simultaneous improvement of strength and toughness in low-carbon steel. Steel Research International. 2021;92(2):2000344. https://doi.org/10.1002/srin.202000344Ghazvinloo H.R., Honarbakhsh-Raouf A., Borhami E. Morphological characteristics of retained austenite in 0.362C–1.38Si–1.24Mn steel processed by one-step quen­ching and partitioning. Metallurgist. 2016;60:758–764. https://doi.org/10.1007/s11015-016-0363-yGhazvinloo H.R., Honarbakhsh-Raouf A., Borhami E. Morphological characteristics of retained austenite in 0.362C–1.38Si–1.24Mn steel processed by one-step quenching and partitioning. Metallurgist. 2016;60:758–764. https://doi.org/10.1007/s11015-016-0363-yNarasimha Rao B.V., Thomas G. Structure-property relations and the design of Fe-4Cr-C base structural steels for high strength and toughness. Metallurgical Transactions A. 1980;11:441–457. https://doi.org/10.1007/bf02654568Narasimha Rao B.V., Thomas G. Structure-property relations and the design of Fe-4Cr-C base structural steels for high strength and toughness. Metallurgical Transactions A. 1980;11:441–457. https://doi.org/10.1007/bf02654568Maresca F., Kouznetsova V.G., Geers M.G.D. On the role of interlath retained austenite in the deformation of lath martensite. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. 2014;21:21. https://doi.org/10.1088/0965-0393/22/4/045011Maresca F., Kouznetsova V.G., Geers M.G.D. On the role of interlath retained austenite in the deformation of lath martensite. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. 2014;21:21. https://doi.org/10.1088/0965-0393/22/4/045011Liu W., Zhang B., Zhao A., Guo H., Sun S. Control of morphology and dimension of blocky retained auste­nite in medium-carbon steel. Material Research Express. 2018;6(1):10. https://doi.org/10.1088/2053-1591/aae561Liu W., Zhang B., Zhao A., Guo H., Sun S. Control of morphology and dimension of blocky retained austenite in medium-carbon steel. Material Research Express. 2018;6(1):10. https://doi.org/10.1088/2053-1591/aae561Liu W., Liang J., Liang Y., Zhang B., Zhao A. A study of blocky retained austenite and properties under variously heat-treated ultra-fine bainitic steel. Material Research Express. 2019;6(10):15. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab3937Liu W., Liang J., Liang Y., Zhang B., Zhao A. A study of blocky retained austenite and properties under variously heat-treated ultra-fine bainitic steel. Material Research Express. 2019;6(10):15. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab3937Lu X., Yang Z., Qian D., Lan J., Hua L. Effect of martensite pre-quenching on bainite transformation kinetics, marten­site/bainite duplex microstructures, mechanical properties and retained austenite stability of GCr15 bearing steel. Journal of Materials Research and Technology. 2021;15:2429–2438. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.09.070Lu X., Yang Z., Qian D., Lan J., Hua L. Effect of martensite pre-quenching on bainite transformation kinetics, martensite/bainite duplex microstructures, mechanical properties and retained austenite stability of GCr15 bearing steel. Journal of Materials Research and Technology. 2021;15:2429–2438. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.09.070Xiao H., Zhao G., Xu D., Cheng Y., Bao S. Effect of microstructure morphology of Q&P steel on carbon and manganese partitioning and stability of retained austenite. Metals. 2022;12(10):1613. https://doi.org/10.3390/met12101613Xiao H., Zhao G., Xu D., Cheng Y., Bao S. Effect of microstructure morphology of Q&P steel on carbon and manganese partitioning and stability of retained austenite. Metals. 2022;12(10):1613. https://doi.org/10.3390/met12101613Yi H.L., Chen P., Bhadeshia H.K.D.H. Optimizing the morphology and stability of retained austenite in a d-TRIP steel. Metallurgical and Materials Transactions A. 2014;45: 3512–3518. https://doi.org/10.1007/s11661-014-2267-4Yi H.L., Chen P., Bhadeshia H.K.D.H. Optimizing the morphology and stability of retained austenite in a d-TRIP steel. Metallurgical and Materials Transactions A. 2014;45: 3512–3518. https://doi.org/10.1007/s11661-014-2267-4Драгунов Ю.Г., Зубченко А.С., Каширский Ю.В. Марочник сталей и сплавов. 4-е изд. перераб. и доп. Москва; 2014:1216.Dragunov Yu.G., Zubchenko A.S., Kashirskii Yu.V. Grade Guide of Steels and Alloys. Мoscow. 2014, 1216 p. (In Russ.).Сao L., Anderko A., Gui F., Sridhar N. Localized corrosion of corrosion resistant alloys in H2S-containing environments. Corrosion. 2016;72(5):636–654. https://doi.org/10.5006/2016Сao L., Anderko A., Gui F., Sridhar N. Localized corrosion of corrosion resistant alloys in H2S-containing environments. Corrosion. 2016;72(5):636–654. https://doi.org/10.5006/2016Kimura M., Tamari T., Shimamoto K. High Cr stainless steel OCTG with high strength and superior corrosion resistance. JFE Technical Report. 2005;(9):7–12.Kimura M., Tamari T., Shimamoto K. High Cr stainless steel OCTG with high strength and superior corrosion resistance. JFE Technical Report. 2005;(9):7–12.Пумпянский Д.А., Пышминцев И.Ю., Битюков С.М., Гервасьев М.А., Гусев А.А. Особенности микроструктуры, фазового состава и возможности упрочнения нержавеющих сталей с 13 – 17 % Cr. Известия вузов. Черная металлургия. 2022;65(9):644–653. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2022-9-644-653Pumpyanskii D.A., Pyshmintsev I.Yu., Bityukov S.M., Gervas’ev M.A., Gusev A.A. Features of microstructure, phase composition and strengthening capability of stainless steels with 13 – 17% Cr. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2022;65(9):644–653. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2022-9-644-653Штремель М.А. Прочность сплавов. Часть II. Деформация. Москва: МИСИС; 1997:527.Shtremel М.А. Strength of Alloys. Part II. Deformation. Мoscow: MISIS; 1997:527. (In Russ.).Гервасьев М.А., Эстемирова С.Х., Мушников А.Н., Шарапова В.А., Гусев А.А., Баширова М.А. Изменение фазового состава высокомарганцевых сталей при растяжении. Физика металлов и металловедение. 2022;(1): 35–39. https://doi.org/10.31857/S0015323022010053Gervasyev M.A., Estemirova S.K., Mushnikov A.N., Sharapova V.A., Gusev A.A., Bashirova M.A., Mushnikov A.N. Changes in the phase composition of high-manganese steels during tensile deformation. The Physics of Me­tals and Metallography. 2022;(1):32–36. https://doi.org/10.31857/S0015323022010053Nakagawa H., Miyazaki T. Effect of retained austenite on the microstructure and mechanical properties of martensitic precipitation hardening stainless steel. Journal of Materials Science. 1999;34:3901–3908. https://doi.org/10.1023/A:1004626907367Nakagawa H., Miyazaki T. Effect of retained austenite on the microstructure and mechanical properties of martensitic precipitation hardening stainless steel. Journal of Materials Science. 1999;34:3901–3908. https://doi.org/10.1023/A:1004626907367Пышминцев И.Ю., Смирнов М.А., Лаев К.А., Храмков Е.В., Алютин Д.М. Свойства высокохромистых коррозионностойких сталей, подвергнутых высокотемпературной термомеханической обработке. Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2015;(3):78–82.Pyshmintsev I.Yu., Smirnov M.А., Laev K.А., Khramkov E.V., Alyutin D.M. Properties of high-chromium corrosion-resistant steels exposed to high-temperature thermomechanical treatment. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tehnitseskogo universiteta im. G.I. Nosova. 2015;(3):78–82. (In Russ.).

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