blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2024-5-573-578blackmet-2793Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESВлияние кремния и ванадия на коррозионно-механические свойства высокоазотистых Cr – Mn сталейEffect of silicon and vanadium on corrosion-mechanical properties of high-nitrogen Cr – Mn steelsГойхенбергЮ. Н.GoikhenbergYu. N.

Юрий Нафтулович Гойхенберг, д.т.н., старший научный сотрудник, профессор кафедры «Материаловедение и физико-химия материалов»

Россия, 454080, Челябинск, пр. Ленина, 76

Yurii N. Goikhenberg, Dr. Sci. (Eng.), Senior Researcher, Prof. of the Chair of Materials Science and Physical Chemistry of Materials

76 Lenina Ave., Chelyabinsk 454080, Russian Federation

goikhenbergyn@susu.ruПолухинД. С.PolukhinD. S.

Дмитрий Сергеевич Полухин, к.т.н., исполнительный директор

Россия, 454010, Челябинск, Енисейская ул., 8

Dmitrii S. Polukhin, Cand. Sci. (Eng.), Executive Director

8 Eniseiskaya Str., Chelyabinsk 455030, Russian Federation

polukhin.dmitriy@konar.ruЮжно-Уральский государственный университетРоссияSouth Ural State UniversityRussian FederationООО «Научно-технический центр Конар»РоссияLLC “Scientific and Technical Centre KONAR”Russian Federation202420102024675573578Copyright © Гойхенберг Ю.Н., Полухин Д.С., 20242024Гойхенберг Ю.Н., Полухин Д.С.Goikhenberg Y.N., Polukhin D.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/2793

Исследованы фазовый состав, параметры кристаллической решетки, механические свойства и коррозионная стойкость под напряжением высокоазотистых аустенитных и аустенито-ферритных Cr – Mn сталей после гомогенизирующей обработки, старения и холодной пластической деформации. Установлено, что легирование Cr – Mn сталей кремнием и ванадием может приводить к образованию разных количеств ферромагнитного ẟ-феррита и уже с малых его содержаний к существенному упрочнению, обусловленному зернограничным эффектом. Присутствие ẟ-феррита оказывает упрочняющий эффект как после гомогенизирующей обработки, так и при холодной пластической деформации. В легированных ванадием Cr – Mn сталях даже после аустенитизирующей обработки при 1250 °С сохраняется более мелкое зерно аустенита 8 – 9 номера, чем у сталей, легированных кремнием, имеющих после закалки от более низкой температуры (1150 – 1170 °С) большее по размеру зерно 6 – 7 балла. Образование даже небольших количеств ẟ-феррита приводит к снижению сопротивления коррозионному растрескиванию высокоазотистых хромомарганцевых сталей. При этом сопротивление коррозионному растрескиванию высокоазотистых сталей с ẟ-ферритом оказывается значительно ниже, чем у содержащих 0,4 % азота и более однофазных Cr – Mn аустенитных сталей. Старение вызывает существенное упрочнение высокоазотистых, легированных как кремнием, так и ванадием, Cr – Mn сталей с ẟ-ферритом и сопровождается потерей ферромагнетизма при значительном уменьшении ударной вязкости и пластичности. Исчезновение ферромагнетизма, по-видимому, обусловлено тем, что происходит распад ẟ-феррита на σ-фазу и парамагнитный азотсодержащий аустенит. Микроструктурные и рентгеноструктурные исследования свидетельствуют о том, что старение стали с ẟ-ферритом протекает по непрерывному механизму, сопровождающемуся монотонным снижением параметра решетки аустенита в связи с выделением из него нитридов. Старение двухфазных сталей, приводящее к исчезновению ẟ-феррита и ферромагнетизма, вызвало катастрофическое снижение стойкости против коррозионного растрескивания.

The authors studied the phase composition, crystal lattice parameters, mechanical properties and stress corrosion resistance of high-nitrogen austenitic and austenitic-ferritic Cr – Mn steels after homogenizing treatment, aging and cold plastic deformation. It was established that alloying of Cr – Mn steels with silicon and vanadium can lead to the formation of different amounts of ferromagnetic ẟ-ferrite and, from its low content, to significant hardening due to the grain-boundary effect. The presence of ẟ-ferrite has a hardening effect both after homogenizing treatment and during cold plastic deformation. In vanadium-alloyed Cr – Mn steels, even after austenitization treatment at 1250 °C, a finer grain of austenite of 8 – 9 numbers is retained than those of steels alloyed with silicon, having after quenching from a lower temperature (1150 – 1170 °C) larger grain of 6 – 7 numbers. Formation of even small amounts of ẟ-ferrite leads to a decrease in corrosion cracking resistance of high-nitrogen chromium-manganese steels. At the same time, corrosion resistance of high-nitrogen steels with ẟ-ferrite is significantly lower than that of austenitic steels containing 0.4 % nitrogen and more single-phase Cr – Mn. Aging causes significant hardening of high-nitrogen, alloyed with both silicon and vanadium, Cr – Mn steels with ẟ-ferrite and is accompanied by a loss of ferromagnetism with a significant decrease in toughness and ductility. Disappearance of ferromagnetism seems to be due to the fact that ẟ-ferrite disintegrates into a σ-phase and a paramagnetic nitrogen-containing austenite. Microstructural and X-ray diffraction studies indicate that the aging of steel with ẟ-ferrite proceeds by a continuous mechanism, accompanied by a monotonous decrease in the lattice parameter of austenite due to the release of nitrides from it. Aging of two-phase steels, leading to the disappearance of ẟ-ferrite and ferromagnetism, caused a catastrophic decrease in corrosion cracking resistance.

высокоазотистые Cr – Mn сталиẟ-ферритмикроструктурамеханические свойствакоррозионная стойкость под напряжениемhigh-nitrogen Cr – Mn steelsẟ-ferritemicrostructuremechanical propertiesstress corrosion resistanceReferencesРощин В.Е., Рощин А.В., Кузнецов Ю.С., Гойхенберг Ю.Н. Технологические и материаловедческие аспекты перехода в черной металлургии на безуглеродные процессы. Черные металлы. 2021;(11):10–17. https://doi.org/10.17580/chm.2021.11.02Roshchin V.E., Roshchin A.V., Kuznetsov Yu.S., Goikhenberg Yu.N. Technological and materials science aspects of the transition in ferrous metallurgy to carbon-free processes. Chernye metally. 2021;(11):10–17. (In Russ.). https://doi.org/10.17580/chm.2021.11.02Рашев Ц.В. Высокоазотистые стали. Металлургия под давлением. София: Издательство Болгарской АН «Проф. Марин Дримов»; 1995:268.Rashev Ts.V. High Nitrogen Steels. Metallurgy under Pressure: Monograph. Sofia: Bulg. Acad. Sci. “Prof. Marin Dreamov”; 1995:268. (In Russ.).Банных О.А., Блинов В.М., Костина М.В. Азот как легирующий элемент в сплавах на основе железа. В сборнике научных трудов: Фазовые и структурные превращения в сталях. Выпуск 3. Под ред. В.Н. Урцева. Магнитогорск; 2003:576.Bannykh O.A., Blinov V.M., Kostina M.V. Nitrogen as an alloying element in iron-based alloys. Phase and structural transformations in steels. In: Phase and Structural Transformations in Steels: Collection of Sci. Papers. Vol. 3. Ur­­tsev V.N. ed. Magnitogorsk; 2003:576. (In Russ.).Костина М.В., Ригина Л.Г. Азотсодержащие стали и способы их производства. Известия вузов. Черная металлургия. 2020;63(8):606–622. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-8-606-622Kostina M.V., Rigina L.G. Nitrogen-containing steels and methods of their production. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2020;63(8):606–622. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-8-606-622Singhal L.K. Characteristics, distinctive advantages & wide ranging applications of chrome-manganese stainless steels. Advanced Materials Research. 2013;794:103–116. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.794.103Singhal L.K. Characteristics, distinctive advantages & wide ranging applications of chrome-manganese stainless steels. Advanced Materials Research. 2013;794:103–116. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.794.103Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали. Москва: Металлургия; 1985:270–271.Goldstein M.I., Grachev S.V., Veksler Yu.G. Special Steels. Moscow: Metallurgiya; 1985:270–271. (In Russ.).Stein G. Generator-Kappenringe aus nichtmagnetisierbaren Stählen ihre mechanisch-technologischen Werkstoffkenn­werte und ihr Widerstand gegen Korrosion. VGB Kraftwerkstechnik. 1985;65(11):1069–1074. (In Germ.).Stein G. Generator-Kappenringe aus nichtmagnetisierbaren Stählen ihre mechanisch-technologischen Werkstoffkenn­werte und ihr Widerstand gegen Korrosion. VGB Kraftwerkstechnik. 1985;65(11):1069–1074. (In Germ.).Speidel M.O. Nichtmagnetisierbare Stahle fur Generator-Kappenringe, ihr Widerstand gegen Korrosionsermüdung. VGB Kraftwerktechnik. 1981;61(12):1048–1053. (In Germ.).Speidel M.O. Nichtmagnetisierbare Stahle fur Generator-Kappenringe, ihr Widerstand gegen Korrosionsermüdung. VGB Kraftwerktechnik. 1981;61(12):1048–1053. (In Germ.).Гойхенберг Ю.Н., Журавлев Л.Г., Мирзаев Д.А., Журавлева В.В., Силина Е.П., Внуков В.Ю. Исследование коррозионного растрескивания, структуры и свойств упрочненных Cr–Mn аустенитных сталей с азотом. Физика металлов и металловедение. 1988;65(6):1131–1137.Goikhenberg Yu.N., Zhuravlev L.G., Mirzaev D.A., Zhuravleva V.V., Silina E.P., Vnukov V.Yu. Investigation of corrosion cracking, structure and properties of Cr–Mn hardened austenitic steels with nitrogen. Fizika metallov i metallovedenie. 1988;65(6):1131–1137. (In Russ.).Коршунов Л.Г., Гойхенберг Ю.Н., Черненко Н.Л. Влияние кремния на структуру, трибологические и механические свойства азотсодержащих хромомарганцевых аустенитных сталей. Физика металлов и металловедение. 2003;96(5):100–110.Korshunov L.G., Goikhenberg Yu.N., Chernenko N.L. Effect of silicon on the structure, tribological behavior, and mechanical properties of nitrogen-containing chromium-manganese austenitic steels. Physics of Metals and Metallography. 2003;96(5):535–544.Коршунов Л.Г., Гойхенберг Ю.Н., Черненко Н.Л. Микроструктура, трибологические и механические свойства азотсодержащих нержавеющих аустенитных сталей на хромомарганцевой основе. В сборнике научных трудов: Фазовые и структурные превращения в сталях. Выпуск 3. Под ред. В.Н. Урцева. Магнитогорск; 2003:215–242.Korshunov L.G., Goikhenberg Yu.N., Chernenko N.L. Microstructure, tribological and mechanical properties of nitrogen-containing stainless austenitic steels based on chromium manganese. In: Phase and Structural Transformations in Steels: Collection of Sci. Papers. Vol. 3. Urtsev V.N. ed. Magnitogorsk; 2003:576.Богачев И.Н. Кавитационное разрушение и кавита­ционно-стойкие сплавы. Москва: Металлургия; 1972:189.Bogachev I.N. Cavitation Destruction and Cavitation-Resistant Alloys. Moscow: Metallurgiya; 1972:189.Lenel U.R., Knott B.R. Structure and properties of corrosion and wear resistant Cr–Mn–N steels. Metallurgical Transactions A. 1987;18:847–855. https://doi.org/10.1007/BF02646926Lenel U.R., Knott B.R. Structure and properties of corrosion and wear resistant Cr–Mn–N steels. Metallurgical Transactions A. 1987;18:847–855. https://doi.org/10.1007/BF02646926Schumacher W.J. Stainless steel alternative to cobalt wear alloys. Chemical Engineering. 1981;88(19):149–152.Schumacher W.J. Stainless steel alternative to cobalt wear alloys. Chemical Engineering. 1981;88(19):149–152.Ohriner R.K., Wada T., Whelan E.P., Ocken H. The chemistry and structure of wear-resistant, iron-base hardfacing alloys. Metallurgical and Materials Transactions A. 1991;22(5): 983–991. https://doi.org/10.1007/BF02661091Ohriner R.K., Wada T., Whelan E.P., Ocken H. The chemistry and structure of wear-resistant, iron-base hardfacing alloys. Metallurgical and Materials Transactions A. 1991;22(5): 983–991. https://doi.org/10.1007/BF02661091Журавлев Л.Г., Журавлева В.В., Гойхенберг Ю.Н., Мирзаев Д.А. Методика ускоренных испытаний пластичных деформированных металлов на коррозионное растрескивание. Заводская лаборатория. 1992;58(3):44–46.Zhuravlev L.G., Zhuravleva V.V., Goikhenberg Yu.N., Mirzaev D.A. Methodology of accelerated testing of plastic deformed metals for corrosion cracking. Zavodskaya labo­ratoriya. 1992;58(3):44–46.Кржижановская М.Г., Фирсова В.А., Бубнова Р.С. Применение метода Ритвельда для решения задач порошковой дифрактометрии: Учебное пособие. Санкт-Петербургс­кий университет; 2016:67.Krzhizhanovskaya M.G., Firsova V.A., Bubnova R.S. Application of the Rietveld Method for Solving Problems of Powder Diffractometry: Textbook. Saint Petersburg University; 2016:67.Уманский Я.С., Скаков Ю.А., Иванов А.Н., Расторгуев Л.Н. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. Москва: Металлургия; 1980.Umanskii Ya.S., Skakov Yu.A., Ivanov A.N., Rastorguev L.N. Crystallography, Radiography and Electron Microscopy. Moscow: Metallurgiya; 1980.Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. Москва: МИСИС; 1994:328.Gorelik S.S., Skakov Yu.A., Rastorguev L.N. Radiographic and Electron-Optical Analysis. Moscow: MISIS; 1994:328.Speidel M.O. Nitrogen containing austenitic stainless steels. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. 2006; 37(10):875–880. https://doi.org/10.1002/mawe.200600068Speidel M.O. Nitrogen containing austenitic stainless steels. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. 2006; 37(10):875–880. https://doi.org/10.1002/mawe.200600068Рашев Ц.В., Елисеев А.В., Жекова Л.Ц., Богев П.В. Высокоазотистые стали. Известия вузов. Черная металлургия. 2019;62(7):503–510. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-7-503-510Rashev Ts.V., Eliseev A.V., Zhekova L.Ts., Bogev P.V. High nitrogen steels. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2019;62(7):503–510. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-7-503-510Oldfield J.W. Crevice corrosion resistance of commercial and high purity experimental stainless steels in marine environments – the influence of N, Mn, and S. Corrosion. 1990;46(7):574–581. https://doi.org/10.5006/1.3585151Oldfield J.W. Crevice corrosion resistance of commercial and high purity experimental stainless steels in marine environments – the influence of N, Mn, and S. Corrosion. 1990;46(7):574–581. https://doi.org/10.5006/1.3585151Банных О.А., Блинов В.М. Дисперсионно-твердеющие немагнитные ванадийсодержащие стали. Москва: Наука; 1980:189.Bannykh O.A., Blinov V.M. Dispersion-Hardening Non-Magnetic Vanadium-Containing Steels. Moscow: Nauka; 1980:189.Гойхенберг Ю.Н., Мирзаев Д.А., Мирмельштейн В.А., Внуков В.Ю., Лобанова Т.Г. Структура и коррозионно-механические свойства высокоазотистых Cr–Mn сталей с ванадием, упрочненных старением и холодной деформацией. Физика металлов и металловедение. 1991;(8):176–182.Goikhenberg Yu.N., Mirzaev D.A., Mirmel’stein V.A., Vnukov V.Yu., Lobanova T.G. Structure and corrosion-mechanical properties of high-nitrogen Cr–Mn steels with vanadium hardened by aging and cold deformation. Fizika metallov i metallovedenie. 1991;(8):176–182.

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