Effect of heterogeneous structure on mechanical behavior of austenitic stainless steel subjected to novel thermomechanical processing

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The low yield strength of austenitic stainless steels is a factor significantly limiting their industrial applications. In turn, the formation of a heterogeneous structure is a promising method for achieving a synergy of mechanical properties. At the same time, an effective way to obtain a bulk heterogeneous structure is cold radial forging. However, the underlying mechanisms for the improved mechanical properties of materials with a heterogeneous structure formed in the process of cold radial forging are currently poorly understood. Purpose of the work is to investigate the effect of a heterogeneous structure obtained by deformation and heat treatment on the mechanical properties of austenitic stainless steel 0.08 C-17 Cr-13 Ni-2 Mn-Ti. Methods. Uniaxial tensile tests were performed on specimens obtained by cold radial forging followed by heat treatment at 600–700°C, using an Instron 5882 testing machine at room temperature with a strain rate of 1.15 × 10–3 s–1. A VIC-3D visual inspection system was used to measure elongation during testing. The fine structure was examined on perforated foils with a diameter of 3 mm using a JEOL JEM-2100 transmission electron microscope at an accelerating voltage of 200 kV. Results and discussion. It was shown that, after thermo-mechanical treatment, a twin-matrix austenite structure was obtained in the center of the rod, while an ultrafine-grained structure with isolated recrystallized austenite grains of approximately 1 μm in size was obtained at the edge. It was established that a two-component axial austenite texture <001>/<111> is formed in the center of the rod, which transformed into a shear texture B/B? towards the rod surface. It was determined that the formation of a heterogeneous structure led to additional strengthening due to back stresses. It was found that, after heat treatment at 700°C, the specimen with a heterogeneous structure exhibited the highest yield strength, equal to 1054 MPa, with a relative elongation of 16%. Thus, the employed thermo-mechanical treatment may be a promising method for obtaining large-sized rod stocks from austenitic stainless steel 0.08 C-17 Cr-13 Ni-2 Mn-Ti with high mechanical properties.

About the authors

R. S. Chernichenko

Email: rus.chernichenko@mail.ru
Belgorod National Research University, 85 Pobedy Str., Belgorod, 308015, Russian Federation, rus.chernichenko@mail.ru

D. O. Panov

Email: dimmak-panov@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Belgorod National Research University, 85 Pobedy Str., Belgorod, 308015, Russian Federation, dimmak-panov@mail.ru

S. V. Naumov

Email: NaumovStanislav@yandex.ru
Ph.D. (Engineering), Belgorod National Research University, 85 Pobedy Str., Belgorod, 308015, Russian Federation, NaumovStanislav@yandex.ru

E. A. Kudryavtsev

Email: kudryavtsev@bsuedu.ru
Ph.D. (Engineering), Belgorod National Research University, 85 Pobedy Str., Belgorod, 308015, Russian Federation, kudryavtsev@bsuedu.ru

G. A. Salishchev

Email: salishchev_g@bsuedu.ru
D.Sc. (Engineering), Professor, Belgorod National Research University, 85 Pobedy Str., Belgorod, 308015, Russian Federation, salishchev_g@bsuedu.ru

A. S. Pertsev

Email: Perets_87@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Perm Scientific-Research Technological Institute, 41 Geroev Khasana Str., Perm, 614990, Russian Federation, Perets_87@mail.ru

References

  1. Lo K.H., Shek C.H., Lai J.K.L. Recent developments in stainless steels // Materials Science and Engineering: R: Reports. – 2009. – Vol. 65 (4–6). –P. 39–104. – doi: 10.1016/j.mser.2009.03.001.
  2. Kaladhar M., Venkata Subbaiah K., Srinivasa Rao C.H. Machining of austenitic stainless steels – a review // International Journal of Machining and Machinability of Materials. – 2012. – Vol. 12 (1–2). – P. 178–192. – doi: 10.1504/IJMMM.2012.048564.
  3. Some strengthening methods for austenitic stainless steels / L.P. Karjalainen, T. Taulavuori, M. Sellman, A. Kyröläinen // Steel Research International. – 2008. – Vol. 79 (6). – P. 404–412. – doi: 10.1002/srin.200806146.
  4. Huang J., Ye X., Xu Z. Effect of cold rolling on microstructure and mechanical properties of AISI 301LN metastable austenitic stainless steels // Journal of Iron and Steel Research International. – 2012. – Vol. 19 (10). – P. 59–63. – doi: 10.1016/S1006-706X(12)60153-8.
  5. Microstructures and mechanical properties of cold-rolled 21Cr lean duplex stainless steel with medium to high cold rolling reductions / Z. Liu, Y. Han, Z. Wu, J. Sun, G. Zu, W. Zhu, X. Ran // Materials Today Communications. – 2022. – Vol. 33. – P. 104860. – doi: 10.1016/j.mtcomm.2022.104860.
  6. Influence of DIMT on impact toughness: relationship between crack propagation and the α′-martensite morphology in austenitic steel / M. Huang, C. Wang, L. Wang, J. Wang, A. Mogucheva, W. Xu // Materials Science and Engineering: A. – 2022. – Vol. 844. – P. 143191. – doi: 10.1016/j.msea.2022.143191.
  7. Ozgowicz W., Kurc A. The effect of the cold rolling on the structure and mechanical properties in austenitic stainless steels type 18-8 // Archives of Materials Science and Engineering. – 2009. – Vol. 38 (1). – P. 26–33.
  8. Correlation of austenite stability and ductile-to-brittle transition behavior of high-nitrogen 18Cr-10Mn austenitic steels / B. Hwang, T.H. Lee, S.J. Park, C.S. Oh, S.J. Kim // Materials Science and Engineering: A. – 2011. – Vol. 528 (24). – P. 7257–7266. – doi: 10.1016/j.msea.2011.06.025.
  9. Kelly P.M., Rose L.R.F. The martensitic transformation in ceramics – its role in transformation toughening // Progress in Materials Science. – 2002. – Vol. 47 (5). – P. 463–557. – doi: 10.1016/S0079-6425(00)00005-0.
  10. Excellent strength-toughness synergy in metastable austenitic stainless steel due to gradient structure formation / D.O. Panov, R.S. Chernichenko, S.V. Naumov, A.S. Pertcev, N.D. Stepanov, S.V. Zherebtsov, G.A. Salishchev // Materials Letters. – 2021. – Vol. 303. – P. 130585. – doi: 10.1016/j.matlet.2021.130585.
  11. Scale-up fabrication of gradient AGS in austenitic stainless steels achieves a simultaneous increase in strength and toughness / M. Huang, L. Wang, S. Yuan, J. Wang, C. Wang, A. Mogucheva, W. Xu // Materials Science and Engineering: A. – 2022. – Vol. 853. – P. 143763. – doi: 10.1016/j.msea.2022.143763.
  12. Study on microstructure evolution and nanoindentation characteristics of 316 L austenitic stainless steel with inverse gradient grain sizes fabricated via torsion and electro-magnetic induction heating / J. Zhang, W. Han, Z. Huang, J. Li, M. Zhang, L. Zhang // Materials Characterization. – 2021. – Vol. 181. – P. 111462. – doi: 10.1016/j.matchar.2021.111462.
  13. Wang H.T., Tao N.R., Lu K. Architectured surface layer with a gradient nanotwinned structure in a Fe-Mn austenitic steel // Scripta Materialia. – 2013. – Vol. 68 (1). – P. 22–27. – doi: 10.1016/j.scriptamat.2012.05.041.
  14. Low-cycle fatigue behavior of austenitic stainless steels with gradient structured surface layer / H.S. Ho, W.L. Zhou, Y. Li, K.K. Liu, E. Zhang // International Journal of Fatigue. – 2020. – Vol. 134. – P. 105481. – doi: 10.1016/j.ijfatigue.2020.105481.
  15. Excellent strength-ductility combination of interstitial non-equiatomic middle-entropy alloy subjected to cold rotary swaging and post-deformation annealing / D.O. Panov, E.A. Kudryavtsev, R.S. Chernichenko, S.V. Naumov, D.N. Klimenko, N.D. Stepanov, S.V. Zherebtsov, G.A. Salishchev, V.V. Sanin, A.S. Pertsev // Materials Science and Engineering: A. – 2024. – Vol. 898. – P. 146121. – doi: 10.1016/j.msea.2024.146121.
  16. Wu X., Zhu Y. Heterogeneous materials: a new class of materials with unprecedented mechanical properties // Materials Research Letters. – 2017. – Vol. 5 (8). – P. 527–532. – doi: 10.1080/21663831.2017.1343208.
  17. Heterogeneous lamella structure unites ultrafine-grain strength with coarse-grain ductility / X. Wu, M. Yang, F. Yuan, G. Wu, Y. Wei, X. Huang, Y. Zhu // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. – 2015. – Vol. 112 (47). – P. 14501–14505. – doi: 10.1073/pnas.1517193112.
  18. Gradient twinned 304 stainless steels for high strength and high ductility / A. Chen, J. Liu, H. Wang, J. Lu, Y.M. Wang // Materials Science and Engineering: A. – 2016. – Vol. 667. – P. 179–188. – doi: 10.1016/j.msea.2016.04.070.
  19. Microstructure and mechanical properties of austenitic stainless steel AISI-321 after radial shear rolling / A. Nayzabekov, S. Lezhnev, O. Maksimkin, K. Tsai, E. Panin, A. Arbuz // Journal of Chemical Technology and Metallurgy. – 2018. – Vol. 53 (3). – P. 606–611.
  20. Gradient microstructure and texture formation in a metastable austenitic stainless steel during cold rotary swaging / D. Panov, E. Kudryavtsev, S. Naumov, D. Klimenko, R. Chernichenko, V. Mirontsov, N. Stepanov, S. Zherebtsov, G. Salishchev, A. Pertcev // Materials. – 2023. – Vol. 16 (4). – P. 1–16. – doi: 10.3390/ma16041706.
  21. Effect of cold swaging on the bulk gradient structure formation and mechanical properties of a 316-type austenitic stainless steel / D. Panov, R. Chernichenko, E. Kudryavtsev, D. Klimenko, S. Naumov, A. Pertcev // Materials. – 2022. – Vol. 15 (7). – P. 2468. – doi: 10.3390/ma15072468.
  22. Evolution of the structure, texture, and mechanical properties of austenitic stainless steel during annealing after cold radial forging / R.S. Chernichenko, D.O. Panov, S.V. Naumov, E.A. Kudryavtsev, V.V. Mirontsov, G.A. Salishchev, A.S. Pertsev // Physics of Metals and Metallography. – 2023. – Vol. 124 (6). – P. 607–615. – doi: 10.1134/S0031918X23600537.
  23. Back stress strengthening and strain hardening in gradient structure / M. Yang, Y. Pan, F. Yuan, Y. Zhu, X. Wu // Materials Research Letters. – 2016. – Vol. 4 (3). – P. 145–151. – doi: 10.1080/21663831.2016.1153004.
  24. Beyerlein I.J., Tóth L.S. Texture evolution in equal-channel angular extrusion // Progress in Materials Science. – 2009. – Vol. 54 (4). – P. 427–510. – doi: 10.1016/j.pmatsci.2009.01.001.
  25. Suwas S., Ray R.K. Crystallographic texture of materials. – London: Springer, 2014. – 265 p. – ISBN 978-1-4471-6313-8. – doi: 10.1007/978-1-4471-6314-5.
  26. Fonda R.W., Knipling K.E. Texture development in friction stir welds // Science and Technology of Welding & Joining. – 2011. – Vol. 16 (4). – P. 288–294. – doi: 10.1179/1362171811Y.0000000010.
  27. Shear localization and recrystallization in high-strain, high-strain-rate deformation of tantalum / V.F. Nesterenko, M.A. Meyers, J.C. LaSalvia, M.P. Bondar, Y.J. Chen, Y.L. Lukyanov // Materials Science and Engineering: A. – 1997. – Vol. 229 (1–2). – P. 23–41. – doi: 10.1016/s0921-5093(96)10847-9.
  28. Microstructure, strain hardening behavior, segregation and corrosion resistance of an electron beam welded thick high-Mn TWIP steel plate / Y. Chen, G.M. Liu, H.Y. Li, X.M. Zhang, H. Ding // Journal of Materials Research and Technology. – 2023. – Vol. 25. – P. 1105–1114. – doi: 10.1016/j.jmrt.2023.06.010.
  29. Hall E.O. The deformation and ageing of mild steel: II Characteristics of the Lüders deformation // Proceedings of the Physical Society. Section B. – 1951. – Vol. 64 (9). – P. 742–747. – doi: 10.1088/0370-1301/64/9/302.
  30. Petch N.J. The ductile-brittle transition in the fracture of α-iron: I // Philosophical Magazine. – 1958. – Vol. 3 (34). – P. 1089–1097. – doi: 10.1080/14786435808237038.
  31. Grain boundary segregation induced strengthening of an ultrafine-grained austenitic stainless steel / M.M. Abramova, N.A. Enikeev, R.Z. Valiev, A. Etienne, B. Radiguet, Y. Ivanisenko, X. Sauvage // Materials Letters. – 2014. – Vol. 136. – P. 349–352. – doi: 10.1016/j.matlet.2014.07.188.
  32. Humphreys F.J., Hatherly M. Recrystallization and related annealing phenomena. – Elsevier, 2012. – 520 p. – ISBN 0080418848.
  33. Extraordinary strain hardening by gradient structure / X. Wu, P. Jiang, L. Chen, F. Yuan, Y.T. Zhu // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. – 2014. – Vol. 111 (20). – P. 7197–7201. – doi: 10.1073/pnas.1324069111.
  34. Mechanism-based strain gradient plasticity – I. Theory / H. Gao, Y. Huang, W.D. Nix, J.W. Hutchinson // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. – 1999. – Vol. 47 (6). – P. 1239–1263. – doi: 10.1016/S0022-5096(98)00103-3.
  35. Wilson D.V., Bate P.S. Influences of cell walls and grain boundaries on transient responses of an if steel to changes in strain path // Acta Metallurgica et Materialia. – 1994. – Vol. 42 (4). – P. 1099–1111. – doi: 10.1016/0956-7151(94)90127-9.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».