blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2023-5-580-586blackmet-2631Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEО влиянии нагрева на неоднородность деформации биметалла углеродистая сталь – нержавеющая стальEffect of heat treatment on deformation inhomogeneity of carbon steel / stainless steel bimetalhttps://orcid.org/0000-0002-6315-2541БуяковаС. П.BuyakovaS. P.

Светлана Петровна Буякова, д.т.н., главный научный сотрудник, заведующий лабораторией физической мезомеханики и неразрушающих методов контроля

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

Svetlana P. Buyakova, Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher, Head of the Labo­ratory of Physical Mesomechanics and Non-Destructive Testing

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

sbuyakova@ispms.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9545-5400КаюровК. Н.KayurovK. N.

Константин Николаевич Каюров, генеральный директор

Россия, 630051, Новосибирск, ул. 2-я Юргинская, 34

Konstantin N. Kayurov, General Director

34 2nd Yurginskaya Str., Novosibirsk 630051, Russian Federation

kayurov@looch.ruhttps://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 the Russian Academy of SciencesRussian FederationНаучно-производственное предприятие геофизической аппаратуры «ЛУЧ»РоссияScientific Production Enterprise of Geophysical Equipment “LUCH”Russian Federation202311112023665580586Copyright © Буякова С.П., Каюров К.Н., Баранникова С.А., 20232023Буякова С.П., Каюров К.Н., Баранникова С.А.Buyakova S.P., Kayurov K.N., 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/2631

Работа посвящена изучению влияния отжига на механические свойства и неоднородность пластической деформации биметаллической пластины из нержавеющей / углеродистой сталей с размерами рабочей части 50×7×2 мм. Для отработки лазерной технологии получения биметаллов различных композиций наибольший интерес представляет изучение зоны контакта двух разнородных сталей. Поскольку от структуры и свойств данной зоны зависят эксплуатационные характеристики всего изделия в целом, взаимодействие составляющих биметалла в процессе его изготовления приводит к возникновению неоднородности различных видов вблизи границы раздела и в объемах, прилегающих к ней. Материал исследований получали методом лазерной наплавки проволоки нержавеющей стали AISI 304 на пластину из низкоуглеродистой стали Ст3. Биметаллические образцы с наплавкой подвергали вакуумному нагреву при температуре 700 °С в течение различного времени (от 2 до 8 ч). Использование данных о распределениях локальных деформаций методом спекл-фотографии позволило рассмотреть процесс пластического течения на начальном участке диаграммы растяжения и установить влияние температуры отжига на локализацию пластической деформации в процессе механических испытаний. Для количественной оценки неоднородности деформации в основном и плакирующем слоях использовали пространственно-временные распределения локальных удлинений и соответствующие величины коэффициента вариации. Установлено, что уровень неоднородности деформации микрообъемов на интерфейсе в процессе растяжения выше, чем основных слоев биметалла. С увеличением времени отжига отмечается повышение значений коэффициента вариации в зоне соединения, более значительное со стороны нержавеющей стали, что увеличивает вероятность зарождения микротрещин. Повышенный уровень неоднородности деформации микрообъемов науглероженной зоны плакирующего слоя обусловлен усилением локализации деформации в близлежащих микрообъемах из-за структурной неоднородности.

The work is devoted to the study of the effect of annealing on mechanical properties and inhomogeneity of plastic deformation of a bimetallic plate made of stainless / carbon steel with the dimensions of the working part 50×7×2 mm. To develop laser technology for producing bimetals of various compositions, the contact zone of two dissimilar steels is of greatest interest. Since the performance characteristics of the entire product as a whole depend on the structure and properties of this zone, interaction of the components of the bimetal in the process of its manufacture leads to appearance of heterogeneity of various types near the interface and in the volumes adjacent to it. The research material was obtained by laser cladding of wire AISI 304 stainless steel on a plate of low-carbon steel St3. Bimetallic samples were subjected to vacuum heating at a temperature of 700 °C at various times from 2 to 8 h. The use of data on the distributions of local strains by the speckle photography method made it possible to consider the process of plastic flow in the initial section of tension diagram and to establish the effect of annealing temperature on plastic strain localization during mechanical tests. For a quantitative assessment of deformation inhomogeneity in the main and cladding layers, we used spatiotemporal distributions of local elongations and the corresponding values of the variation coefficient. It was established that the level of deformation inhomogeneity of microvolumes at the interface during tension is higher than that of the bimetal main layers. With increase in the annealing time, increase in the variation coefficient in the joint zone is noted, which is more significant on the stainless steel side, and this increases the probability of microcracks initiation. The increased level of deformation inhomogeneity of microvolumes of the cladding layer carburized zone is contingent on the increased localization of deformation in nearby microvolumes due to structural heterogeneity.

пластическая деформациялокализациябиметаллынизкоуглеродистая стальнержавеющая стальplastic deformationlocalizationbimetallow carbon steelstainless steelРабота выполнена в рамках комплексного проекта «Организация высокотехнологичного производства роторных управ­ляемых систем для вскрытия сложных пластов и бурения скважин с большим отходом от вертикали в сложных геологических условиях, Арктике» (соглашение о предоставлении субсидии от 6 апреля 2022 № 075-11-2022-019), реализуемого Институтом физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках постановления Правительства РФ от 09.04.2010 № 218.The work was performed within the framework of the complex project “Organization of high-tech production of rotary controlled systems for opening complex formations and drilling wells with a large deviation from the vertical in difficult geological conditions, in the Arctic” (grant agreement No. 075-11-2022-019 dated April 06, 2022), the financial support of the Ministry of Science and Education of the Russian Federation (decree of the Government of the Russian Federation dated 09.04.2010 No. 218).ReferencesKhodadad Motarjemi A., Koçak M., Ventzke V. Mechanical and fracture characterization of a bi-material steel plate. International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2002;79(3):181–191. https://doi.org/10.1016/S0308-0161(02)00012-1Khodadad Motarjemi A., Koçak M., Ventzke V. Mechanical and fracture characterization of a bi-material steel plate. International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2002;79(3):181–191. https://doi.org/10.1016/S0308-0161(02)00012-1Gao X., Jiang Z., Wei D., Jiao S., Chen D., Xu J., Zhang X., Gong D. Effects of temperature and strain rate on microstructure and mechanical properties of high chromium cast iron/low carbon steel bimetal prepared by hot diffusion-compression bonding. Materials and Design. 2014;63:650–657. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2014.06.067Gao X., Jiang Z., Wei D., Jiao S., Chen D., Xu J., Zhang X., Gong D. Effects of temperature and strain rate on microstructure and mechanical properties of high chromium cast iron/low carbon steel bimetal prepared by hot diffusion-compression bonding. Materials and Design. 2014;63:650–657. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2014.06.067Биметаллический прокат / П.Ф. Засуха, В.Д. Корщиков, О.Б. Бухвалов, А.А. Ершов. Москва: Металлургия; 1971:264.Zasukha P.F., Korshchikov V.D., Bukhvalov O.B., Er­­shov A.A. Bimetallic Rolling. Moscow: Metallurgiya­1971: 264. (In Russ.).Akramifard H.R., Mirzadeh H., Parsa M.H. Estimating interface bonding strength in clad sheets based on tensile test results. Materials and Design. 2014;64:307–309. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2014.07.066Akramifard H.R., Mirzadeh H., Parsa M.H. Estimating interface bonding strength in clad sheets based on tensile test results. Materials and Design. 2014;64:307–309. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2014.07.066Li L., Nagai K., Yin F. Progress in cold roll bonding of metals. Science and Technology of Advanced Materials. 2008;9(2):023001. http://doi.org/10.1088/1468-6996/9/2/023001Li L., Nagai K., Yin F. Progress in cold roll bonding of metals. Science and Technology of Advanced Materials. 2008;9(2):023001. http://doi.org/10.1088/1468-6996/9/2/023001Li Z., Zhao J., Jia F., Zhang Q., Liang X., Jiao S., Jiang Z. Analysis of bending characteristics of bimetal steel composite. International Journal of Mechanical Sciences. 2018;148:272–283. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2018.08.032Li Z., Zhao J., Jia F., Zhang Q., Liang X., Jiao S., Jiang Z. Analysis of bending characteristics of bimetal steel composite. International Journal of Mechanical Sciences. 2018;148:272–283. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2018.08.032DebRoy T., Wei H.L., Zuback J.S., Mukherjee T., El­­mer J.W., Milewski J.O., Beese A.M., Wilson-Heid A., De A., Zhang W. Additive manufacturing of metallic components – Process, structure and properties. Progress in Mate­rials Science. 2018;92:112–224. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.10.001DebRoy T., Wei H.L., Zuback J.S., Mukherjee T., El­­mer J.W., Milewski J.O., Beese A.M., Wilson-Heid A., De A., Zhang W. Additive manufacturing of metallic components – Process, structure and properties. Progress in Mate­rials Science. 2018;92:112–224. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.10.001Hinojos A., Mireles J., Reichardt A., Frigola P., Hosemann P., Murr L.E., Wicker R.B. Joining of Inconel 718 and 316 Stainless Steel using electron beam melting additive manufacturing technology. Materials and Design. 2016;94:17–27. http://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.01.041Hinojos A., Mireles J., Reichardt A., Frigola P., Hosemann P., Murr L.E., Wicker R.B. Joining of Inconel 718 and 316 Stainless Steel using electron beam melting additive manufacturing technology. Materials and Design. 2016;94:17–27. http://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.01.041Dhib Z., Guermazi N., Ktari A., Gasperini M., Haddar N. Mechanical bonding properties and interfacial morphologies of austenitic stainless steel clad plates. Materials Science and Engineering: A. 2017;696:374–386. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.04.080Dhib Z., Guermazi N., Ktari A., Gasperini M., Haddar N. Mechanical bonding properties and interfacial morphologies of austenitic stainless steel clad plates. Materials Science and Engineering: A. 2017;696:374–386. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.04.080Li Z., Lin Y.C., Zhang L., Jia F., Jiang Z., Jiao S. Investigation of compact tensile and fracture mechanical properties of a duplex stainless steel bimetal composite with the interfacial zone. Journal of Materials Research and Technology. 2022;19:809–820. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.05.085Li Z., Lin Y.C., Zhang L., Jia F., Jiang Z., Jiao S. Investigation of compact tensile and fracture mechanical properties of a duplex stainless steel bimetal composite with the interfacial zone. Journal of Materials Research and Technology. 2022;19:809–820. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.05.085Li Z., Zhao J., Jia F., Liang X., Zhang Q., Yuan X., Jiao S., Jiang Z. Interfacial characteristics and mechanical properties of duplex stainless steel bimetal composite by heat treatment. Materials Science and Engineering: A. 2020;787:139513. http://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139513Li Z., Zhao J., Jia F., Liang X., Zhang Q., Yuan X., Jiao S., Jiang Z. Interfacial characteristics and mechanical properties of duplex stainless steel bimetal composite by heat treatment. Materials Science and Engineering: A. 2020;787:139513. http://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139513Li L., Niu X., Han B., Song L., Li X. Microstructure and properties of laser cladding coating at the end of L415/316L bimetal composite pipe. International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2022;195:104568. https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2021.104568Li L., Niu X., Han B., Song L., Li X. Microstructure and properties of laser cladding coating at the end of L415/316L bimetal composite pipe. International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2022;195:104568. https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2021.104568Chen N., Ali Khan H., Wan Z., Lippert J., Sun H., Shang S.-L., Liu Z.-K., Li J. Microstructural characteristics and crack formation in additively manufactured bimetal material of 316L stainless steel and Inconel 625. Additive Manufacturing. 2020;32:101037. https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101037Chen N., Ali Khan H., Wan Z., Lippert J., Sun H., Shang S.-L., Liu Z.-K., Li J. Microstructural characteristics and crack formation in additively manufactured bimetal material of 316L stainless steel and Inconel 625. Additive Manufacturing. 2020;32:101037. https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101037Li Z., Zhao J., Jia F., Lu Y., Liang X., Yuan X., Jiao S., Zhou C., Jiang Z. Hot deformation behaviour and interfacial characteristics of bimetal composite at elevated temperatures. Intermetallics. 2020;125:106893. http://doi.org/10.1016/j.intermet.2020.106893Li Z., Zhao J., Jia F., Lu Y., Liang X., Yuan X., Jiao S., Zhou C., Jiang Z. Hot deformation behaviour and interfacial characteristics of bimetal composite at elevated temperatures. Intermetallics. 2020;125:106893. http://doi.org/10.1016/j.intermet.2020.106893Li Z., Zhao J., Jia F., Lu Y., Zhang Q., Jiao S., Jiang Z. Analysis of flow behaviour and strain partitioning mechanism of bimetal composite under hot tensile conditions. International Journal of Mechanical Sciences. 2020;169:105317. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2019.105317Li Z., Zhao J., Jia F., Lu Y., Zhang Q., Jiao S., Jiang Z. Analysis of flow behaviour and strain partitioning mechanism of bimetal composite under hot tensile conditions. International Journal of Mechanical Sciences. 2020;169:105317. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2019.105317Фудзии Т., Дзако М. Механика разрушения композиционных материалов. Москва: Мир: 1982:232.Fudzii T., Dzako M. Mechanics of Composite Materials Destruction. Moscow: Mir, 1982:232. (In Russ.).Бирюков В., Татаркин Д., Хриптович Е., Фишков А. Разработка технологий и оборудования для лазерного упрочнения и наплавки деталей станков и машин. Станкоинструмент. 2017;009(4):42–47. http://dx.doi.org/10.22184/24999407.2017.9.4.42.47Biryukov V., Tatarkin D., Khriptovich E., Fishkov A. Deve­lopment of technologies and equipment for laser strengthening and melting of mills and machine parts. Stankoinstrument. 2017;9:42–47. (In Russ.). http://dx.doi.org/10.22184/24999407.2017.9.4.42.47Bandyopadhyay A., Heer B. Additive manufacturing of multi-material structures. Materials Science and Engineering: R: Reports. 2018;129:1–16. https://doi.org/10.1016/j.mser.2018.04.001Bandyopadhyay A., Heer B. Additive manufacturing of multi-material structures. Materials Science and Engineering: R: Reports. 2018;129:1–16. https://doi.org/10.1016/j.mser.2018.04.001Xi W., Song B., Zhao Y., Yu T., Wang J. Geometry and dilution rate analysis and prediction of laser cladding. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2019;103: 4695–4702. https://doi.org/10.1007/s00170-019-03932-7Xi W., Song B., Zhao Y., Yu T., Wang J. Geometry and dilution rate analysis and prediction of laser cladding. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2019;103:4695–4702. https://doi.org/10.1007/s00170-019-03932-7Kwiecień M., Kopyściański M., Błoniarz R., Muszka K., Majta J. Influence of deformation conditions on the inhomogeneity of plastic flow of structurally graded bimetal systems. Procedia Manufacturing. 2018;15:1649–1655. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2018.07.272Kwiecień M., Kopyściański M., Błoniarz R., Muszka K., Majta J. Influence of deformation conditions on the inhomogeneity of plastic flow of structurally graded bimetal systems. Procedia Manufacturing. 2018;15:1649–1655. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2018.07.272Баранникова 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;59(12):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;59(12):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;73(11):69–75.Danilov V.I., Barannikova S.A., Zuev L.B. Autowaves of localized deformation at initial stages of plastic flow of sing­le crystals. Zhurnal tekhnicheskoi fiziki. 2003;73(11):69–75. (In Russ.).Баранникова С.А., Ли Ю.В. Кинетика развития фронтов пластического течения на границе раздела металлов. Известия вузов. Физика. 2020;63(5):19–24. https://doi.org/10.17223/00213411/63/5/19Barannikova S.A., Li Yu.V. Development kinetics of the plastic wave front at the metal interface. Russian Physics Journal. 2020;63(5):731–737. https://doi.org/10.1007/s11182-020-02091-7Mendenhall W.M., Sincich T.L. Statistics for Engineering and the Sciences. New York: Chapman and Hall/CRC; 2016:1182. https://doi.org/10.1201/b19628Mendenhall W.M., Sincich T.L. Statistics for Engineering and the Sciences. New York: Chapman and Hall/CRC; 2016:1182. https://doi.org/10.1201/b19628Barenblatt G.I. The mathematical theory of equilibrium cracks in brittle fracture. Advances in Applied Mechanics. 1962;7: 55–129. https://doi.org/10.1016/S0065-2156(08)70121-2Barenblatt G.I. The mathematical theory of equilibrium cracks in brittle fracture. Advances in Applied Mechanics. 1962;7:55–129. https://doi.org/10.1016/S0065-2156(08)70121-2

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