Effect of the deformation degree at low temperatures on the phase transformations and properties of metastable austenitic steels

Abstract

Introduction. For reliable operation of low-temperature equipment, it is necessary to use materials capable of ensuring operability in a wide temperature range under conditions of alternating loads, exposure to corrosive media, etc. Most often, in such cases, metastable austenitic steels (MAS) of various alloying systems are used. Despite sufficient experience in the use of such materials, not enough information is collected on the behavior of such materials at low temperatures, including phase-structural transformations, the features of such transformations in different temperature zones, including when a load is applied, both static and dynamic. The subject of the study in this work is selected MAS 10Cr14NMn20 and 10Cr14Mn14Ni4Ti grades. The purpose of the study is to evaluate the performance of industrially used metastable austenitic steels for its possible use instead of steel 12Cr18Ni10Ti.  Research methodology. The phase composition of the samples was studied on a DRON-3.0 X-ray diffractometer. Mechanical tests were carried out in the temperature range from +20 to -196 °C. Static uniaxial tensile tests were carried out on a R-20 tensile testing machine; cylindrical specimens with threaded heads were prepared according to GOST 11150–75, as well as samples with a circumferential notches. Dynamic bending tests were carried out on a pendulum impact tester, using samples according to GOST 9454–78. Results and Discussion. Based on the data obtained, it is found that an increase in the strain rate at low temperatures contributes to a decrease in the number of martensitic phases in the steels under study. It is found that the hardenability during elastic-plastic deformation decreases and completely disappears at the temperature of the material transition to a brittle state. It is shown that an increase in the rate of low-temperature deformation of samples prevents the development of phase martensitic transformations in steels. The results obtained can be recommended for use in the selection of materials for the manufacture of equipment operating at temperatures down to -196 °C. Conclusions. It is shown that the obtained values of the characteristics of mechanical properties make it possible to recommend the studied MAS as a substitute for steel 12Cr18Ni10Ti, down to a temperature of -196 °C.

About the authors

S. A. Voloigzhanina

Email: svet_spb@mail.ru
D.Sc. (Engineering), Associate Professor; Saint Petersburg Mining University, 2, 21st Line, St Petersburg, 199106, Russian Federation; svet_spb@mail.ru

A. F. Igolkin

Email: igolkin47@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor; ITMO University, 49 Kronverksky Pr., St. Petersburg, 197101, Russian Federation; igolkin47@mail.ru

A. A. Peregudov

Email: mikki435@gmail.com
SUE “Petersburg Metro”, 28 Moskovskiy Prospekt, St. Petersburg, 190013, Russian Federation; mikki435@gmail.com

I. V. Baranov

Email: ivbaranov@itmo.ru
D.Sc. (Engineering), Professor; ITMO University, 49 Kronverksky Pr., St. Petersburg, 197101, Russian Federation; ivbaranov@itmo.ru

N. V. Martyushev

Email: martjushev@tpu.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor; National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation; martjushev@tpu.ru

References

  1. Трещиностойкость и механические свойства конструкционных материалов технических систем / В.В. Москвичев, Н.А. Махутов, А.П. Черняев, А.А. Букаемский, А.Е. Буров, И.А. Зырянов, А.Г. Козлов, И.И. Кокшаров, Г.Г. Крушенко, А.М. Лепихин, А.С. Мишин, Л.Ф. Москвичева, Е.Н. Федорова, А.Н. Цыплюк; отв. ред. Ю.И. Шокин. – Новосибирск: Наука, 2002. – 334 с.
  2. Peregudov A.А., Vologzhanina S.A., Igolkin A.F. Research of properties of austenitic steels // Key Engineering Materials. – 2021. – Vol. 887. – P. 242–246. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/KEM.887.242' target='_blank'>www.scientific.net/KEM.887.242.
  3. Солнцев Ю.П., Титова Т.И. Стали для Севера и Сибири. – СПб.: Химиздат, 2002. – 352 с. – ISBN 5-93808-049-5.
  4. Вологжанина С.А., Иголкин А.Ф., Петкова А.П. Исследование влияния низких температур и деформаций на свойства аустенитной стали 12Х18Н10Т // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. – 2019. – Т. 25, № 4. – P. 83–93. – doi: 10.18721/JEST.25407.
  5. Resistance to brittle fracture and availability of austenitic steels / B.S. Ermakov, S.A. Vologzhanina, I.N. Bobrovskij, N.M. Bobrovskij, Y. Erisov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2018. – Vol. 450, iss. 3. – P. 032041. – doi: 10.1088/1757-899X/450/3/032041.
  6. Разработка перспективных образцов криогенных сталей для газовозов и стационарных танков-хранилищ сжиженного природного газа, предназначенных для использования в условиях Арктики / М.Ю. Матросов, В.Н. Зикеев, П.Г. Мартынов, Е.В. Шульга, В.С. Никитин, В.Н. Половинкин, Ю.А. Симонов, А.А. Семин // Арктика: экология и экономика. – 2016. – № 4 (24). – С. 80–89.
  7. Горынин В.И., Оленин М.И. Пути повышения хладостойкости стали и сварных соединений. – СПб.: Прометей, 2017. – 341 с.
  8. Концепция карбидного конструирования сталей повышенной хладостойкости / В.И. Горынин, С.Ю. Кондратьев, М.И. Оленин, В.В. Рогожкин // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2014. – № 10 (712). – С. 32–38.
  9. Горынин В.И., Кондратьев С.Ю., Оленин М.И. Повышение сопротивляемости хрупкому разрушению перлитных и мартенситных сталей при термическом воздействии на морфологию карбидной фазы // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2013. – № 10 (700). – С. 22–29.
  10. Рыбин В.В., Малышевский В.А., Хлусова Е.И. Структура и свойства хладостойких сталей для конструкций северного исполнения // Вопросы материаловедения. – 2006. – № 1 (45). – С. 24–44.
  11. Костина М.В., Банных О.А., Блинов В.М. Новый немагнитный Fe–Cr–N высокопрочный коррозионно- и износостойкий сплав. Ч. 1. Влияние хрома и азота на структуру и фазовый состав Fe–Cr–N сплавов // Электрометаллургия. – 2005. – № 12. – С. 26–32.
  12. Production technology for arctic pipeline and marine steel / V.V. Orlov, V.A. Malyshevskii, E.I. Khlusova, S.A. Golosienko // Steel in Translation. – 2014. – Vol. 9, iss. 44. – P. 696–705. – doi: 10.3103/S0967091214090113.
  13. Structure and mechanical properties of high-strength structural steels / O.A. Bannykh, I.O. Bannykh, E.I. Lukin, A.M. Sorokin // Russian Metallurgy (Metally). – 2018. – N 6. – P. 528–532. – doi: 10.1134/S0036029518060046.
  14. Industrial use of austenitic and duplex HNS- manufacture, application and properties / T. Schneiders, R. Ritzenhoff, H. Jung, C. Herrera, A. Bauch // Proceedings of 12th International Conference on High Nitrogen Steels. – Hamburg, 2014. – P. 120–127.
  15. Kostina M.V., Bannykh O.A., Blinov V.M. New nonmagnetic chromium-nitrogen iron-based steel // Proceedings of 7th International Conference “High Nitrogen Steels”, Belgium, Ostende, 19–22 September, 2004. – Belgium, 2004. – P. 395–403.
  16. High strength stainless austenitic Cr-Mn-C-N steels – Part I: Alloy design and properties / H. Berns, V.G. Gavriljuk, S. Riedner, A. Tyshchenko // Steel Research International. – 2007. – Vol. 78, N 9. – P. 714–719.
  17. Высокоазотистые стали / Ц.В. Рашев, А.В. Елисеев, Л.Ц. Жекова, П.В. Богев // Известия вузов. Черная металлургия. – 2019. – Т. 62, № 7. – С. 503–510.
  18. The effect of cold rolling regime on microstructure and mechanical properties of AISI 304L stainless steel / A. Hedayati, A. Najafizadeh, A. Kermanpur, F. Forouzan // Journal of Materials Processing Technology. – 2010. – Vol. 210, iss. 8. – P. 1017–1022. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2010.02.010.
  19. Получение мартенситной стали 10Х3А со сверхравновесной концентрацией азота методом ЭШПД / М.В. Костина, Л.Г. Ригина, В.М. Блинов, С.О. Мурадян // Сборник трудов XV Международного конгресса сталеплавильщиков. – Тула, 2018. – С. 166–172.
  20. Corrosion stability of austenitic steels 05Kh22AG15N8M2F and 12Kh18N10T in chloride-containing media / S.V. Gnedenkov, S.L. Sinebryukhov, V.S. Egorkin, I.E. Vyaliy, I.M. Imshinetskiy, M.V. Kostina, S.O. Muradyan, V.I. Sergienko // Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. – 2017. – Vol. 53, N 5. – P. 910–915.
  21. Сравнительный анализ данных при оценке свойств материалов сварных соединений / С.А. Вологжанина, А.П. Петкова, А.Ф. Иголкин, А.А. Перегудов // Научно-технический вестник Поволжья. – 2019. – № 8. – С. 23–27.
  22. Stein G., Hucklenbroich I. Manufacturing and applications of high nitrogen steels // Materials and Manufacturing Processes. – 2004. – Vol. 19, iss. 1. – P. 7–17. – doi: 10.1081/AMP-120027494.
  23. Gavriljuk V.G., Berns H. High nitrogen steels: structure, properties, manufacture, applications. – Berlin; Heidelberg; New York: Springer, 1999. – 378 p. – doi: 10.1007/978-3-662-03760-7. – ISBN 978-3-642-08567-3 (softcover). – ISBN 978-3-540-66411-6 (hardcover). – ISBN 978-3-662-03760-7 (ebook).
  24. Fretting fatigue behaviour of Ni-free high-nitrogen stainless steel in a simulated body fluid / N. Maruyama, S. Hiromoto, E. Akiyama, M. Nakamura // Science and Technology of Advanced Materials. – 2013. – Vol. 14, iss. 2. – Art. 025002. – doi: 10.1088/1468-6996/14/2/025002.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


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».