Effect of cold radial forging on structure, texture and mechanical properties of lightweight austenitic steel

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Lightweight austenitic steels, exhibiting high mechanical properties combined with cost-effective alloying and low density, are promising materials for automotive and airspace industries. The purpose of this work is to study the evolution of the structure and properties of Fe-21Mn-6Al-1C lightweight austenitic steel after cold radial forging (CRF) under various modes. Methods. Microstructural studies were performed using transmission and scanning electron microscopy (TEM) on JEOL JEM-2100 and FEI Nova NanoSEM 450 microscopes, respectively. Microhardness was determined in the cross-section using a Wolpert 402MVD microhardness tester with a load of 200 g and a dwell time of 15 s. Uniaxial tension testing of samples cut from the edge and center was performed on an Instron 5882 machine at room temperature and a strain rate of 1×10-3 s−1. Results and discussion. The stages of structure formation were determined: after deformation (ε) of up to 20%, the formation of deformation microbands in the center and parallel deformation microbands at the rod edge takes place; after ε = 40–60%, the formation of single mechanical twins in the center and packets of twins/lamellas at the edge occurs; after ε = 80%, the intensive twinning in the center and formation of a fragmented structure at the edge takes place. Increasing the degree of CRF leads to the development of a sharp two-component axial texture <111>// rod axis (RA) and <100>//RA in the center, which is blurred towards the edge. At the edge of the rod, a shear texture B/B? is observed after CRF with ε = 40% and higher. After CRF with ε = 20%, the material in the center of the rod exhibits higher strength and hardness and lower ductility compared to the edge. Further CRF is accompanied by a change in this strength/hardness and ductility ratio between the center and the edge of the rod to the opposite. Thus, CRF is a promising method for producing industrial blanks from lightweight austenitic steels.

About the authors

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

R. S. Chernichenko

Email: rus.chernichenko@mail.ru
Belgorod National Research University, 85 Pobedy Str., Belgorod, 308015, Russian Federation, rus.chernichenko@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), Department Chief Metallurgist, Perm Scientific-Research Technological Institute, 41 Geroev Khasana Str., Perm, 614990, Russian Federation , Perets_87@mail.ru

References

  1. Current state of Fe-Mn-Al-C low density steels / S. Chen, R. Rana, A. Haldar, R.K. Ray // Progress in Materials Science. - 2017. - Vol. 89. - P. 345–391. - doi: 10.1016/j.pmatsci.2017.05.002.
  2. Alloy design, combinatorial synthesis, and microstructure – property relations for low-density Fe-Mn-Al-C austenitic steels / D. Raabe, H. Springer, I. Gutierrez-Urrutia, F. Roters, M. Bausch, J.B. Seol, M. Koyama, P.P. Choi, K. Tsuzaki // Jom. - 2014. - Vol. 66. - P. 1845–1856. - doi: 10.1007/s11837-014-1032-x.
  3. Austenite-based Fe-Mn-Al-C lightweight steels: research and prospective / H. Ding, D. Liu, M. Cai, Y. Zhang // Metals. - 2022. - Vol. 12 (10). – P. 1572. - doi: 10.3390/met12101572.
  4. Fe–Al–Mn–C lightweight structural alloys: a review on the microstructures and mechanical properties / H. Kim, D. Suh, N.J. Kim, H. Kim, D. Suh, N.J. Kim // Science and Technology of Advanced Materials. - 2013. - Vol. 14 (1). - P. 014205. - doi: 10.1088/1468-6996/14/1/014205.
  5. Yoo J.D., Hwang S.W., Park K.T. Origin of extended tensile ductility of a Fe-28Mn-10Al-1C steel // Metallurgical and Materials Transactions: A. - 2009. - Vol. 40 (7). - P. 1520–1523. - doi: 10.1007/s11661-009-9862-9.
  6. Investigations of the microstructure evolution and tensile deformation behavior of austenitic Fe-Mn-Al-C lightweight steels and the effect of Mo addition / J. Moon, S.J. Park, J.H. Jang, T.H. Lee, C.H. Lee, H.U. Hong, H.N. Han, J. Lee, B.H. Lee, C. Lee // Acta Materialia. - 2018. - Vol. 147. - P. 226–235. - doi: 10.1016/j.actamat.2018.01.051.
  7. Precipitation behavior of κ-carbides and its relationship with mechanical properties of Fe–Mn–Al–C lightweight austenitic steel / P. Chen, F. Zhang, Q.C. Zhang, J.H. Du, F. Shi, X.W. Li // Journal of Materials Research and Technology. - 2023. - Vol. 25 (12) - P. 3780–3788. - doi: 10.1016/j.jmrt.2023.06.212.
  8. Aluminum-alloyed lightweight stainless steels strengthened by B2-(Ni,Fe)Al precipitates / M. Harwarth, G. Chen, R. Rahimi, H. Biermann, A. Zargaran, M. Duffy, M. Zupan, J. Mola // Materials & Design. - 2021. - Vol. 206. - P. 109813. - doi: 10.1016/j.matdes.2021.109813.
  9. Atomistic study of nano-sized κ-carbide formation and its interaction with dislocations in a cast Si added FeMnAlC lightweight steel / C.W. Kim, S.I. Kwon, B.H. Lee, J.O. Moon, S.J. Park, J.H. Lee, H.U. Hong // Materials Science and Engineering: A. - 2016. - Vol. 673. - P. 108–113. - doi: 10.1016/j.msea.2016.07.029.
  10. Microstructure and mechanical properties of an Fe–Mn–Al–C lightweight steel after dynamic plastic deformation processing and subsequent aging / Z. Li, Y.C. Wang, X. Cheng, C. Gao, Z. Li, T.G. Langdon // Materials Science and Engineering: A. - 2022. - Vol. 833. - P. 142566. - doi: 10.1016/j.msea.2021.142566.
  11. Rahnama A., Kotadia H., Sridhar S. Effect of Ni alloying on the microstructural evolution and mechanical properties of two duplex light-weight steels during different annealing temperatures: experiment and phase-field simulation // Acta Materialia. - 2017. - Vol. 132 (6). - P. 627–643. - doi: 10.1016/j.actamat.2017.03.043.
  12. Ultrahigh strength in lightweight steel via avalanche multiplication of intermetallic phases and dislocation / S. Xiang, X. Liu, R. Xu, F. Yin, G.J. Cheng // Acta Materialia. - 2023. - Vol. 242. - P. 118436. - doi: 10.1016/j.actamat.2022.118436.
  13. Influence of microstructure evolution on hot ductility behavior of austenitic Fe–Mn–Al–C lightweight steels during hot tensile deformation / J. Moon, S.J. Park, C.H. Lee, H.U. Hong, B.H. Lee, S.D. Kim // Materials Science and Engineering: A. - 2023. - Vol. 868 - P. 144786. - doi: 10.1016/j.msea.2023.144786.
  14. Mao Q., Liu Y., Zhao Y. A review on mechanical properties and microstructure of ultrafine grained metals and alloys processed by rotary swaging // Journal of Alloys and Compounds. - 2022. - Vol. 896. - P. 163122. - doi: 10.1016/j.jallcom.2021.163122.
  15. Affecting structure characteristics of rotary swaged tungsten heavy alloy via variable deformation temperature / A. Machácková, L. Krátká, R. Petrmichl, L. Kuncická, R. Kocich // Materials. - 2019. - Vol. 12 (24). - P. 4200. - doi: 10.3390/ma12244200.
  16. 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.
  17. 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.
  18. 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.
  19. 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.
  20. 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.

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».