Оценка вкладов механизмов упрочнения композита, полученного сплавлением нержавеющей стали с алюминиевой бронзой, методом электронно-лучевого аддитивного производства

Исследованы особенности структурно-фазового состояния композита на основе нержавеющей аустенитной стали с добавлением 25 % (об.) алюминиевой бронзы. Композит получали электронно-лучевой аддитивной технологией с одновременной подачей двух проволок. Проведен анализ структурно-фазового состояния, изучены механические характеристики. Проведена оценка вкладов различных механизмов в упрочнение композита. Установлено, что в композите сталь – 25 % бронзы формируется многофазная структура, которая состоит из 43,9 % аустенита, 32,0 % феррита и 24,2 % бронзы. Показано, что в зернах аустенита выделяются дисперсионно упрочняемые частицы меди, объемная доля которых составляет 47 %. В зернах феррита выделяются дисперсионно упрочняемые частицы NiAl с объемной долей 20 %. Данные просвечивающей электронной микроскопии свидетельствуют о когерентном сопряжении решеток дисперсионно упрочняемых частиц с матрицей. Такая структура композита обеспечивает повышение предела прочности в среднем на 50 % по сравнению с аустенитной сталью, полученной электронно-лучевой аддитивной технологией без добавления алюминиевой бронзы. Установлено, что вклады различных механизмов упрочнения в предел текучести аустенита, феррита и бронзы составили 959,3, 972,7 и 408,7 МПа соответственно. Зерна бронзы не вносят значительного вклада в повышение предела текучести композита, за исключением его прироста за счет дислокационного упрочнения. Основные вклады в повышение предела текучести композита вносят зерна аустенита за счет зернограничного, дисперсионного и дислокационного упрочнений и зерна феррита за счет зернограничного, твердорастворного и дислокационного упрочнений.

1. Деформационное упрочнение и разрушение поликристаллических материалов / В.И. Трефилов, В.Ф. Моисеев, Э.П. Печковский, И.Д. Горная, А.Д. Васильев. Под ред В.И. Трефилова. Киев: Наук. Думка, 1987. 244 c.

2. Гольдштейн М.И., Фарбер В.М. Дисперсионное упрочнение стали. Москва: Металлургия, 1979. 208 с.

3. Полехина Н.А., Литовченко И.Ю., Кравченко Д.А., Тюменцев А.Н., Чернов В.М., Леонтьева-Смирнова М.В. Механизмы упрочнения 12 %-ных хромистых ферритно-мартенситных сталей в зависимости от режима их термической обработки // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. 2016. Т. 21. № 3. С. 1246–1249. https://doi.org/10.20310/1810-0198-2016-21-3-1246-1249

4. Кузнецов П.В., Панин В.Е., Гальченко Н.К. Механизм упрочнения низкоуглеродистых и низколегированных сталей с одновременным возрастанием пластичности и вязкости разрушения // Физическая мезомеханика. 2019. Т. 22. № 5. С. 19–27. https://doi.org/10.24411/1683-805X-2019-15003

5. Аксёнова К.В., Никитина Е.Н., Иванов Ю.Ф., Косинов Д.А. Механизмы упрочнения сталей с бейнитной и мартенситной структурами при деформации сжатием // Известия вузов. Черная Металлургия. 2018. Т. 61. № 10. С. 787–793. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-10-787-793

6. Morales E.V., Betancourt G., Fernandes J.R., Batista G.Z., Bott I.S. Hardening mechanisms in a high wall thickness sour service pipe steel API 5L X65 before and after post-welding heat treatments // Materials Science and Engineering: A. 2022. Vol. 851. Article 143612. https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.143612

7. Zhang D., Zhang M., Lin R., Liu G., Li J., Feng Y. Strengthening and strain hardening mechanisms of a plain medium carbon steel by multiscale lamellar structures // Materials Science and Engineering: A. 2021. Vol. 827. Article 142091. https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.142091

8. Dhua S.K., Ray A., Sarma D.S. Effect of tempering temperatures on the mechanical properties and microstructures of HSLA-100 type copper-bearing steels // Materials Science and Enginering: A. 2001. Vol. 318. No. 1-2. P. 197–210. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(01)01259-X

9. Jain D., Isheim D., Hunter A.H., Seidman D.N. Multicomponent high-strength low-alloy steel precipisation-strengthened by sub-nanometric Cu precipitates and M2C carbides // Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science. 2016. Vol. 47. No. 8. P. 3860–3872. https://doi.org/10.1007/s11661-016-3569-5

10. Fine M.E., Vaynman S., Isheim D., Chung Y.-W., Bhat S.P., Hahin C.H. A new paradigm for designing high-fracture-energy steels // Metallurgical and Materials Transactions A. 2010. Vol. 41. P. 3318–3325. https://doi.org/10.1007/s11661-010-0485-y

11. Sun H., Li D., Diao Y., He Y., Yan L., Pang X., Gao K. Nanoscale Cu particle evolution and its impact on the mechanical properties and strengthening mechanism in precipitation-hardening stainless steel // Materials Characterization. 2022. Vol. 188. Article 111885. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2022.111885

12. Dong H., Li Z.C., Somani M.C., Misra R.D.K. The significance of phase reversion-induced nanograined/ultrafine-grained (NG/UFG) structure on the strain hardening behavior and deformation mechanism in copper-bearing antimicrobial austenitic stainless steel // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Mate­rials. 2021. Vol. 119. Article 104489. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2021.104489

13. Kong H.J., Xu C., Bu C.C., Da C., Luan J.H., Jiao Z.B., Chen G., Liu C.T. Hardening mechanisms and impact toughening of a high-strength steel containing low Ni and Cu additions // Acta Materialia. 2019. Vol. 172. P. 150–160. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.04.041

14. Гольдштейн М.И., Литвинов В.С., Бронфин Б.М. Металлофизика высокопрочных сплавов. Москва: Металлургия, 1986. 312 c.

15. Дислокационный ансамбль: скалярная плотность дислокаций и ее компоненты / Л.И. Тришкина, Т.В. Черкасова, Н.А. Попова, Н.А. Конева, В.Е. Громов, К.В. Аксенова. Новокузнецк: Изд. Центр СибГИУ, 2019. 71 c.

16. Зыкова А.П., Панфилов А.О., Чумаевский А.В., Воронцов А.В., Никонов С.Ю., Москвичев Е.Н., Гурьянов Д.А., Савченко Н.Л., Тарасов С.Ю., Колубаев Е.А. Особенности формирования микроструктуры и механических свойств алюминиевой бронзы при различном тепловложении во время электронно-лучевой аддитивной печати // Известия вузов. Физика. 2022. Т. 65. №. 5. C. 45–51. https://doi.org/10.17223/00213411/65/5/45

17. Perevalova O.B., Konovalova E.V., Koneva N.A. Effect of aluminum concentration on the lattice parameters and mean-square displacements of atoms in in Cu–Al and Ti–6Al–4V alloys // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2019. Vol. 83. No. 6. P. 693–696. https://doi.org/10.3103/S1062873819060236

18. Jahanafrooz A., Hasan F., Lorimer G.W., Ridley N. Microstructural development in complex nickel-aluminum bronzes // Metallurgical and Materials Transactions A. 1983. Vol. 14. P. 1951–1956. https://doi.org/10.1007/BF02662362

19. Dharmendra C., Hadadzadeh A., Amirkhiz B.S., Janaki Ram G.D., Mohammadi M. Microstructural evolution and mechanical beha­vior of nickel aluminum bronze Cu-9Al-4Fe-4Ni-1Mn fabricated through wire-arc additive manufacturing // Additive Manufacturing. 2019. Vol. 30. Article 100872. https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100872

20. Bolling G.F., Fainstein D. On vacancy condensation and the origin of dislocations in growth from the melt // The Philosophical Magazine: A Journal of Theoretical Experimental and Applied Physics. 1972. Vol. 25. No. 1. P. 45–66. https://doi.org/10.1080/14786437208229214

21. Zhilyaev A.P., Shakhova I., Morozova A., Belyakov A., Kaibyshev R. Grain refinement kinetics and strengthening mechanisms in Cu–0.3Cr–0.5Zr alloy subjected to intense plastic deformation // Materials Science and Engineering: A. 2016. Vol. 654. P. 131–142. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.12.038

22. Vorontsov A., Astafurov S., Melnikov E., Moskvina V., Kolu­baev E., Astafurova E. The microstructure, phase composition and tensile properties of austenitic stainless steel in a wire-feed electron beam melting combined with ultrasonic vibration // Materials Science and Engineering: A. 2021. Vol. 820. Article 141519. https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141519

23. Koneva N.A., Kozlov E.V. Regularities of substructural hardening // Soviet Physics Journal. 1991. Vol. 34. P. 224–236. https://doi.org/10.1007/BF00894926