УГЛЕРОД, АЗОТ И ВОДОРОД В СТАЛЯХ: ПЛАСТИЧНОСТЬ И ХРУПКОСТЬ

Элементы внедрения в стали (углерод, азот и водород) анализируются в терминах их влияния на электронную структуру, свойства дислокаций, упрочнение и разрушение. Подобие и различия в механических свойствах соответствующих твердых растворов контролируются влиянием этих элементов на плотность электронных состояний на уровне Ферми железа и, соответственно, на концентрацию свободных электронов. Углерод уменьшает, а азот и водород увеличивают концентрацию свободных электронов, вследствие чего изменяется характер межатомного взаимодействия, а именно, усиливается его ковалентная или металлическая компоненты. В приближении подвижных и неподвижных атомов внедрения анализируется скорость дислокаций в процессе деформации. В первом случае атомы внедрения являются препятствиями для дислокационного скольжения дислокаций, подвижность дислокаций определяется энтальпией связи дислокаций с примесными атомами. Если атомы внедрения могут сопровождать дислокации, то локально изменяется характер межатомной связи в дислокационных атмосферах, а это влияет на удельную энергию дислокаций и расстояние между ними в плоских скоплениях. На основе выполненных исследований объяснено существенное подобие между водородной хрупкостью аустенитных сталей и наличием вязко-хрупкого перехода в случае их легирования азотом.

1. Frehser J., Kubisch Ch. Berg und Hüttenmännische Monatshefte. 1963, bd. 108, no. 11, pp. 369–380.

2. Norström L.A. Metal Science. 1977, Vol. 11, no. 6, pp. 208–212.

3. Degallaix S., Foct J., Hendry A. Mater Sci Technol. 1986, Vol. 2, no. 9, pp. 946–950.

4. Gavriljuk V.G., Berns H., Escher Ch., Glavatskaya N.I., Sozinov A., Petrov Yu.N. Grain boundary strengthening in austenitic nitrogen steels. Materials Science Forum. 1999, Vol. 318, pp. 455–460.

5. Sandström R., Bergqvist H. Scand J Metallurgy. 1977, no. 6, pp. 156–169.

6. Nyilas A., Obst B., Nakajima H. Proceedings of High Nitrogen Steels Confer-ence, HNS-93. Gavriljuk V.G., Nadutov V.M. eds. Institute for Metal Physics. Kiev. 1993, pp. 339–344.

7. Gavriljuk V.G., Sozinov A.L., Foct J., Petrov Yu.N., Polushkin Yu.A. Effect of nitrogen on the temperature dependence of the yield strength of austenitic steels. Acta Materialia. 1998, Vol. 46, no. 4, pp. 1157–1163.

8. Uggowitzer P.J., Harzenmoser M. Proceedings of High Nitrogen Steels Conference, HNS-88. Foct J., Hendry A. eds. Institute of Metals. London. 1989, pp. 174–179.

9. Gavriljuk V.G., Duz’ V.A., Yephimenko S.P. Proceedings of High Nitrogen Steels Conference, HNS-90. Stein G., Witulski H. eds. Stahl & Eisen. Düsseldorf. 1990, pp. 100–103.

10. Nilsson J.O. The effect of slip behaviour on the low cycle fatigue behaviour of two austenitic stainless steels. Scripta Metallurgica. 1983, Vol. 17, no. 5, pp. 593–596.

11. Vogt J.B., Magnin T., Foct J. Fatique Fract Engng Mater Structure. 1993, Vol. 16, no. 5, pp. 555–564.

12. Briant C.L. Effects of nitrogen and cold work on the sensitization of austenitic stainless steels. Report NP-2457 on the research project 1574-1. General Electric Company. New York. 1982.

13. Mudali U. K., Dayal R.K., Gnanamoorthy J.B., Rodrigez P. Relationship between pitting and intergranular corrosion of nitrogenbearing austenitic stainless steels. ISIJ International. 1996, Vol. 36, no. 7, pp. 799–806.

14. Azuma S., Miyuki H., Kudo T. Effect of alloying nitrogen on crevice corrosion of austenitic stainless steels. ISIJ International. 1996. Vol. 36, no. 7, pp. 793–798.

15. Berns H., Lueg J., Trojan W., Zoch H.W. Proceedings of High Nitrogen Steels Conference, HNS-90. Stein G., Witulski H. eds. Stahl & Eisen. Düsseldorf. 1990, pp. 425–429.

16. Gavriljuk V.G., Shanina B.D., Berns H. Ab initio development of a high-strength corrosion-resistant austenitic steel. Acta Materialia. 2008, Vol. 56, pp. 5071–5082.

17. Tobler R.L., Meyn D. Cleavage-like fracture along slip planes in Fe-18Cr-3Ni-13Mn-0.37N austenitic stainless steel at liquid helium temperature. Metallurgical Transactions A. 1988, Vol. 19, no. 6, pp. 1626–1631.

18. Tomota Y., Xia Y., Inoue K. Acta Materialia. 1998, Vol. 46, no. 5, pp. 1577–1587.

19. Hohenberg P., Kohn W. Phys Rev B. 1964, Vol. 136, pp. 864–871.

20. Kohn W., Sham L.J. Phys Rev A. 1965, Vol. 140, pp. 1133–1138.

21. Blaha P., Schwarz K., Madsen G.K.H., Kvasnicka D. and Luitz J. WIEN2k, An Augmented Plane Wave + Local Orbitals Program for Calculating Crystal Properties. Karlheinz Schwarz Techn. Universität. Wien. Austria. ISBN 3-9501031-1-2. 2001.

22. Teus S.M., Shyvanyuk V.N., Shanina B.D., Gavriljuk V.G. Effect of hydrogen on electronic structure of fee iron in relation to hydrogen embrittlement of austenitic steels. Physica Status Solidi (A) Applications and Materials Science. 2007, Vol. 204, no. 12, pp. 4249–4258.

23. Gavriljuk V.G., Shanina B.D., Syvanyuk V.N., Teus S.M. Electronic effect on hydrogen brittleness of austenitic steels. Journal of Applied Physics. 2010, Vol. 108, pp. 083723 – 1-9.

24. Berns H., Gavriljuk V.G., Riedner S., Tyshchenko A. High strength stainless austenitic CrMnCN steels – Part I: Alloy design and properties.Steel Research International. 2007. Vol. 78, no. 9, pp. 710–715.

25. Berns H., Gavriljuk V.G., Riedner S. High Interstitial Stainless Austenitic Steels. Springer. Berlin, 2013, 167 pp.

26. Gavriljuk V.G., Duz’ V.A., Efi menko S.P., Kvasnevskii O.G. Interaction of carbon atoms and nitrogen with dislocations in austenite. Physics of Metals and Metallography, 1987, Vol. 64, no. 6, pp. 1132–1135. (In Russ.).

27. Atrens A., Fiore N.F., Miura K. J Applied Physics. 1977, Vol. 48, no. 10, pp. 4247–4251.

28. Gavriljuk V.G., Kushnareva N.P., Prokopenko V.G. On the nature of structural changes during the tempering of lower bainite. Physics of Metals and Metallography, 1976, Vol. 42, no. 6, pp. 1288–1293. (In Russ.).

29. Zelinski A., Lunarska E., Smialowski M. Acta Metallurgica. 1977, Vol. 25, pp. 305–308.

30. Schoeck G., Bisogni E., Shyne J. Acta Metallurgica. 1964, Vol. 12, no. 12, pp. 1466–1468.

31. Rivière A., Amirault J.P., Woirgard J. II Nuovo Cimento. 1976, Vol. 33, pp. 398–407.

32. Schoeck G. Acta Metallurgica. 1963, Vol. 11, no. 6, pp. 617–622.

33. Seeger A. Phys Stat Sol a. 1979, Vol. 55, no. 2, pp. 457–468.

34. Takita K., Sakamoto K. Scripta Metallurgica. 1976, Vol. 10, pp. 399–403.

35. Gavriljuk V.G., Shanina B.D., Shyvanyuk V.N., Teus S.M. Hydrogen embrittlement of austenitic steels: Electron approach. Corrosion Reviews. 2013, vol. 31, no. 2, pp. 33–50.

36. Birnbaum H.K., Sofronis P. Hydrogen-enhanced localized plasticity-a mechanism for hydrogen-related fracture. Materials Science and Engineering A. 1994, Vol. 176, pp. 191–202.

37. Larikov L.N., Fal’chenko V.M., Mazanko V.F., Gurevich S.M., Kharchenko G.I., Ignatenko A.I. DAN SSSR. 1975, Vol. 221, no. 5, pp. 1073–1075. (In Russ.).

38. Pogorelov A.E., Ryaboshapka K.P., Zhuravlev A.F. Mass transfer mechanism in real crystals by pulsed laser irradiation. Journal of Applied Physics. 2002, Vol. 92, pp. 5766.

39. Harzenmoser M.A.E. Massive aufgestickte austenitisch-rostfreie Stähle und Duplexstähle. Doctoral thesis, Eidgenössische Technische Hochschule. Zürich, 1990.

40. Gavriljuk V.G., Berns H. High Nitrogen Steels. Springer. Berlin. 1999. 378 p.