ISSN 1995-2732 (Print), 2412-9003 (Online)
УДК 620.3; 620.18
DOI: 10.18503/1995-2732-2025-23-1-92-102
Аннотация
Постановка задачи (актуальность работы). Разработка научно-практических основ повышения физико-механических свойств и расширения функциональных характеристик аустенитных нержавеющих сталей является востребованным направлением совершенствования технологий традиционного и аддитивного производства. Одним из наиболее перспективных методов направленного формирования требуемых механических свойств термически неупрочняемых метастабильных хромоникелевых аустенитных нержавеющих сталей типа 18-10 является ультразвуковое нанокристаллическое поверхностное модифицирование, соответствующее принципу нанотехнологического производства «сверху вниз». Цель работы. К настоящему моменту проблема формирования регламентированного наноструктурированного состояния аустенитных нержавеющих сталей посредством оптимизации технологических режимов интенсивного поверхностного пластического деформирования решена не в полной мере, что обусловливает актуальность исследования влияния статической нагрузки на структуру и фазовый состав стали 12Х18Н10Т, подвергнутой ультразвуковому нанокристаллическому поверхностному модифицированию. Используемые методы. Для достижения цели работы использовались апробированные и валидные методы исследования структурно-фазового состава аустенитных нержавеющих сталей после интенсивного поверхностного пластического деформирования – рентгенофазовый анализ и просвечивающая электронная микроскопия. Новизна. Установлен характер изменения объемной доли мартенсита деформации при ультразвуковом нанокристаллическом поверхностном модифицировании стали 12Х18Н10Т, которое аппроксимируется полиномиальной функцией второго порядка f (Vα/) = 0,0007∙x2 – 0,0204∙x + 0,7305 в зависимости от равномерно варьируемой в диапазоне от 10 до 30 Н статической нагрузки с достоверностью R2=0,94. Результат. Ультразвуковое нанокристаллическое поверхностное модифицирование с варьируемой в диапазоне от 10 до 30 Н с шагом 5 Н статической нагрузкой обеспечивает формирование в приповерхностном слое стали 12Х18Н10Т двухфазной (α/+γ) наноструктуры с высокой (от ~60% до ~75%) объемной долей мартенсита деформации с ламельной структурой (ширина полос от 50 до 100 нм), а также значительной плотностью дислокаций ~1011 см–2. Практическая значимость. Полученные экспериментальные данные могут быть полезными для верификации результатов моделирования и прогнозирования эволюции структурно-фазовых состояний метастабильных аустенитных нержавеющих сталей, подвергнутых интенсивному поверхностному пластическому деформированию и в особенности ультразвуковому нанокристаллическому поверхностному модифицированию.
Ключевые слова
ультразвуковое нанокристаллическое поверхностное модифицирование, статическая нагрузка, метастабильная нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, фазовый состав, аустенит, мартенсит деформации, объемная доля мартенсита, ламельная наноструктура
Для цитирования
Влияние статической нагрузки на структурно-фазовый состав нержавеющей стали 12Х18Н10Т, подвергнутой ультразвуковому нанокристаллическому поверхностному модифицированию / Полонянкин Д.А., Федоров А.А., Гомонюк Т.М. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2025. Т. 23. №1. С. 92-102. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2025-23-1-92-102
1. Direct drive friction welding effect on mechanical and electrochemical characteristics of titanium stabilized austenitic stainless steel (AISI 321) research reactor thick tube / Titouche N.E., Boukharouba T., Amzert S.A. et al. // Journal of Manufacturing Processes. 2019, vol. 41, pp. 273-283. DOI: 10.1016/j.jmapro.2019.03.016.
2. Microstructure, mechanical properties and fracture toughness of SS 321 stainless steel manufactured using wire arc-additive manufacturing / Prakash K.S., Kannan A.R., Pramod R. et al. // Transactions of the Indian Institute of Metals. 2023, vol. 76, pp. 537-544. DOI: 10.1007/s12666-022-02713-3.
3. Investigation of high temperature annealing effectiveness for recovery of radiation-induced structural changes and properties of 18Cr–10Ni–Ti austenitic stainless steels / Gurovich B.A., Kuleshova E.A., Frolov A.S. et al. // Journal of Nuclear Materials. 2015, vol. 465, pp. 565-581. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2015.06.045.
4. Ганеев А.А., Рамазанов А.К. Оптимизация химического состава коррозионно-стойкой стали 12Х18Н9ТЛ для отливок трубопроводной арматуры // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2021. Т.19. №2. С. 32-39. DOI: 10.18503/1995-2732-2021-19-2-32-39.
5. Research progress of cryogenic materials for storage and transportation of liquid hydrogen / Qiu Y., Yang H., Tong L., Wang L. // Metals. 2021, vol. 11, no. 7, pp. 1101-1114. DOI: 10.3390/met11071101.
6. Acharya S., Suwas S., Chatterjee K. Review of recent developments in surface nanocrystallization of metallic biomaterials // Nanoscale. 2021, vol. 13, no. 4, pp. 2286-2301. DOI: 10.1039/d0nr07566c.
7. Разуваев Е.И., Капитаненко Д.В. Влияние термомеханической обработки на структуру и свойства аустенитных сталей // Труды ВИАМ. 2013. № 5. С. 1.
8. Enhanced mechanical behaviors of gradient nano-grained austenite stainless steel by means of ultrasonic impact treatment / Yang X., Wang D., Wang X., Ling X. // Results in Physics. 2017, vol. 7, pp. 1412-1421. DOI: 10.1016/j.rinp.2017.04.002.
9. Recent progress in gradient-structured metals and alloys / Ji W., Zhou R., Vivegananthan P. et al. // Progress in Materials Science. 2023, vol. 140, 101194. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2023.101194.
10. Ultrasonic nanocrystal surface modification: processes, characterization, properties, and applications / Kishore A., John M., Ralls A.M. et al. // Nanomaterials. 2022, vol. 12, no. 9, p. 1415. DOI: 10.3390/nano12091415.
11. Lo K.H., Shek C.H., Lai J.K.L. Recent developments in stainless steels // Materials Science and Engineering: R: Reports. 2009, vol. 65, no. 4-6, pp. 39-104. DOI: 10.1016/j.mser.2009.03.001.
12. Влияние технологических условий наноструктурирующей фрикционной обработки на структурно-фазовое состояние и упрочнение метастабильной аустенитной стали / Макаров А.В., Скорынина П.А., Юровских А.С., Осинцева А.Л. // Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118. № 12. С. 1300-1311. DOI: 10.7868/S0015323017120087.
13. Shi X., Xiao Z., Wu J. The use of nanotechnology to improve the bulk and surface properties of steel for structural applications // Nanotechnology in eco-efficient construction. 2013, pp. 75-107. DOI: 10.1533/9780857098832.1.75.
14. Amanov A., Pyun Y.S. Lowering friction of ball screws made of different steel grades through ultrasonic impact treatment // Tribology International. 2018, vol. 123, pp. 105-119. DOI: 10.1016/j.triboint.2018.03.008.
15. Bachurin D.V., Murzaev R.T, Nazarov A.A. Discrete dislocation simulation of the ultrasonic relaxation of non-equilibrium grain boundaries in a deformed polycrystal // Ultrasonics. 2021, vol. 117, 106555. DOI: 10.1016/j.ultras.2021.106555.
16. Polonyankin D.A., Fedorov A.A., Blesman A.I., Nesov S.N. Structural coloration of AISI 321 steel surfaces textured by ultrasonic impact treatment // Optics & Laser Technology. 2022, vol. 150, 107948. DOI: 10.1016/j.optlastec.2022.107948.
17. Statnikov E.Sh., Korolkov O.V., Vityazev V.N. Physics and mechanism of ultrasonic impact // Ultrasonics. 2006, vol. 44, pp. e533-e538. DOI: 10.1016/j.ultras.2006.05.119.
18. Improvement of the fatigue strength of SUS304 austenite stainless steel using ultrasonic nanocrystal surface modification / Yasuoka M., Wang P., Zhang K. et al. // Surface and Coatings Technology. 2013, vol. 218, pp. 93-98. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2012.12.033.
19. Progress on the effect and mechanism of ultrasonic impact treatment on additive manufactured metal fabrications / Sun L., Huang L., Wu P. et al. // Crystals. 2023, vol. 13, no. 7, p. 995. DOI: 10.3390/cryst13070995.
20. Improving mechanical properties of austenitic stainless steel by the grain refinement in wire and arc additive manufacturing assisted with ultrasonic impact treatment / Diao M., Guo C., Sun Q. et al. // Materials Science and Engineering: A. 2022, vol. 857, 144044. DOI: 10.1016/j.msea.2022.144044.
21. Gradient nanostructure and residual stresses induced by ultrasonic nano-crystal surface modification in 304 austenitic stainless steel for high strength and high ductility / Ye C., Telang A., Gill A. S., Suslov S. et al. // Materials Science and Engineering: A. 2014, vol. 613, pp. 274-288. DOI: 10.1016/j.msea.2014.06.114.
22. Estrin Y., Vinogradov A. Extreme grain refinement by severe plastic deformation: A wealth of challenging science // Acta Materialia. 2013, vol. 61, no. 3, pp. 782-817. DOI: 10.1016/j.actamat.2012.10.038.
23. The Role of α′-Martensite on the variation of compressive residual stress in a gradient nanostructured austenitic stainless steel / He Y., Zhou H., Liu W. et al. // Materials & Design. 2024, vol. 238, 112723. DOI: 10.1016/j.matdes.2024.112723.
24. Amanov A., Pyun Y.-S. A comprehensive review of nanostructured materials by ultrasonic nanocrystal surface modification technique // The Journal of Engineering. 2015, vol. 2015, no. 13, pp. 144-149. DOI: 10.1049/joe.2015.0067.
25. Janeiro I., Hubert O., Schmitt J.-H. In-situ strain induced martensitic transformation measurement and consequences for the modeling of medium Mn stainless steels mechanical behavior // International Journal of Plasticity. 2022, vol. 154, 103248. DOI: 10.1016/j.ijplas.2022.103248.
26. Ghasemi A., Vanini, S.A.S. Experimental and numerical investigation of martensite phase transformation in austenitic stainless steel subjected to ultrasonic nanocrystal surface modification at room and cryogenic temperatures // Surface and Coatings Technology. 2023, vol. 474, 130109. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2023.130109.
27. Ahmedabadi P.M., Kain V., Agrawal A. Modelling kinetics of strain-induced martensite transformation during plastic deformation of austenitic stainless steel // Materials & Design. 2016, vol. 109, pp. 466-475. DOI: 10.1016/j.matdes.2016.07.106.
28. Tiamiyu A.A., Szpunar J.A., Odeshi A.G. Strain rate sensitivity and activation volume of AISI 321 stainless steel under dynamic impact loading: Grain size effect // Materials Characterization. 2019, vol. 154, pp. 7-19. DOI: 10.1016/j.matchar.2019.05.027.
29. Influence of microstructural features and deformation-induced martensite on hardening of stainless steel by cryogenic ultrasonic impact treatment / Vasylyev M.A., Mordyuk B.N., Sidorenko S.I. et al. // Surface and Coatings Technology. 2018, vol. 343, pp. 57-68. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2017.11.019.