Influence of hydrogen saturation on the structure and mechanical properties of Fe-17Cr-13Ni-3Mo-0.01С austenitic steel during rolling at different temperatures

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The development of hydrogen energy implies a decrease in the dependence of various human activities on fossil energy sources and a significant reduction in carbon dioxide emission into the atmosphere. Therefore, the requirements for the quality of structural materials, which have the prospect of being used for storage and transportation of hydrogen, as well as for the creation of infrastructure facilities for hydrogen energy, are increasing. Therefore, the scientific researches on the hydrogen-assisted microstructure and mechanical behavior of structural materials in various loading schemes are of great importance. The aim of this work is to establish the effect of chemical-deformation treatment, including rolling combined with hydrogen saturation, on the microstructure, phase composition, and mechanical properties of 316L-type austenitic stainless steel. Methods. Transmission electron microscopy and backscattered electron diffraction, X-ray diffraction, X-ray phase and magnetic phase analysis, microindentation and uniaxial static tension are utilized. Results and Discussion. It is shown experimentally that after rolling with 25 and 50 % upset, the morphology of the defect structure and the phase composition of 316L steel substantially depends on the deformation temperature (at room temperature or with the cooling of the samples in the liquid nitrogen) and on hydrogen saturation rate (for 5 hours at a current density of 200 mA/cm2). The main deformation mechanisms of the steel in rolling are slip, twinning, and microlocalization of plastic flow, which all provide the formation of ultrafine grain-subgrain structure in the samples. In addition, deformation-induced ε and α' martensitic phases are formed in the structure of the rolled samples. Regardless of the regime of chemical-deformation processing, grain-subgrain structures with a high density of deformation defects are formed in steel, but its morphologies are dependent on the processing regime. The experimental data indicate that both preliminary hydrogen saturation and a decrease in the deformation temperature contribute to the more active development of mechanical twinning and deformation-induced phase transformations during rolling. Despite the discovered effects on the influence of hydrogen saturation on the deformation mechanisms and the morphology of a defective microstructure formed during rolling, preliminary hydrogenation has little effect on the mechanical properties of steel at a fixed degree and temperature of deformation.These data indicate that irrespective of the morphology of the defective grain-subgrain structure, grain refinement, accumulation of deformation defects and an increase in internal stresses lead to an increase in the strength characteristics of the steel.

About the authors

E. V. Melnikov

Email: melnickow-jenya@yandex.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4 pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, melnickow-jenya@yandex.ru

G. G. Maier

Email: galinazg@yandex.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics), Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4 pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, galinazg@yandex.ru

V. A. Moskvina

Email: valya_moskvina@mail.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4 pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, valya_moskvina@mail.ru

E. G. Astafurova

Email: elena.g.astafurova@ispms.ru
D.Sc. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4 pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, elena.g.astafurova@ispms.ru

References

  1. "Hybrid hydrogen storage vessel", a novel high pressure hydrogen storage vessel combined with hydrogen storage material / N. Takeichi, H. Senoh, T. Yokota, H. Tsuruta, K. Hamada, H.T. Takeshita, H. Tanaka, T. Kiyobayashi, T. Takano, N. Kuriyama // International Journal of Hydrogen Energy. – 2003. – Vol. 28, iss. 10. – P. 1121–1129. – doi: 10.1016/S0360-3199(02)00216-1.
  2. Duschek D., Wellnitz J. High pressure hydrogen storage system based on new hybrid concept // Sustainable Automotive Technologies. – Cham, 2013. – P. 27–33. – doi: 10.1007/978-3-319-01884-3_3.
  3. Effects of hydrogen pressure and test frequency on fatigue crack growth properties of Ni-Cr-Mo steel candidate for a storage cylinder of a 70 MPa hydrogen filling station / A. Macadre, M. Artamonova, S. Matsuoka, J. Furtado // Engineering Fracture Mechanics. – 2011. – Vol. 78, iss. 18. – P. 3196–3211. – doi: 10.1016/j.engfracmech.2011.09.007.
  4. Hydrogen environment embrittlement of stable austenitic steels / T. Michler, C.S. Marchi, J. Naumann, S. Weber, M. Martin // International Journal of Hydrogen Energy. – 2012. – Vol. 37. – P. 16231–16246. – doi: 10.1016/j.ijhydene.2012.08.071.
  5. Perng T.P., Altstetter C.J. Comparison of hydrogen gas embrittlement of austenitic and ferritic stainless steels // Metallurgical Transactions A. – 1987. – Vol. 18. – P. 123–134. – doi: 10.1007/BF02646229.
  6. Effect of large strain cold rolling and subsequent annealing on microstructure and mechanical properties of an austenitic stainless steel / I. Shakhova, V. Dudko, A. Belyakov, K. Tsuzaki, R. Kaibyshev // Materials Science and Engineering: A. – 2012. – Vol. 545. – P. 176–186. – doi: 10.1016/j.msea.2012.02.101.
  7. Cold rolled texture and microstructure in types 304 and 316L austenitic stainless steels / D.N. Wasnik, I.K. Gopalakrishnan, J.V. Yakhmi, V. Kain, I. Samajdar // ISIJ International. – 2003. – Vol. 43, N 10. – P. 1581–1589. – doi: 10.2355/isijinternational.43.1581.
  8. Padilha A.F., Plaut R.L., Rios P.R. Annealing of cold-worked austenitic stainless steels // ISIJ International. – 2003. – Vol. 43, N 2. – P. 135–143. – doi: 10.2355/isijinternational.43.135.
  9. Ghosh S.K., Mallick P., Chattopadhyay P.P. Effect of cold deformation on phase evolution and mechanical properties in an austenitic stainless steel for structural and safety applications // Journal of Iron and Steel Research International. – 2012. – Vol. 19, N 4. – P. 63–68 – doi: 10.1016/s1006-706x(12)60089-2.
  10. Ren-bo S., Jian-ying X., Dong-po H. Characteristics of mechanical properties and microstructure for 316l austenitic stainless steel // Journal of Iron and Steel Research International. – 2011 – Vol. 18, N 11. – P. 53–59. – doi: 10.1016/S1006-706X(11)60117-9.
  11. Фазовый состав и дефектная субструктура аустенитной стали 02X17Т14М2 после деформации прокаткой при комнатной температуре / И.Ю. Литовченко, Н.В. Шевченко, А.Н. Тюменцев, Е.П. Найден // Физическая мезомеханика. – 2006. – Т. 9, спец. вып. 1. – С. 137–140. – doi: 10.24411/1683-805X-2006-00050.
  12. Литовченко И.Ю., Тюменцев А.Н., Найден Е.П. Особенности мартенситных превращений и эволюция дефектной микроструктуры в процессе прокатки метастабильной аустенитной стали при комнатной температуре // Физическая мезомеханика. – 2014. – Т. 17, № 1. – С. 31–42. – doi: 10.24411/1683-805X-2014-00045.
  13. Hadji M., Badji R. Microstructure and mechanical properties of austenitic stainless steels after cold rolling // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2002. – Vol. 11. – P. 145–151. – doi: 10.1361/105994902770344204.
  14. The influence of austenite stability on the hydrogen embrittlement and stress-corrosion cracking of stainless steel / D. Eliezer, D.G. Chakrapani, C.J. Altstetter, E.N. Pugh // Metallurgical Transactions A. – 1979. – Vol. 10. – P. 935–941. – doi: 10.1007/BF02658313.
  15. Singh S., Altstetter C. Effects of hydrogen concentration on slow crack growth in stainless steels // Metallurgical Transactions A. – 1982. – Vol. 13. – P. 1799–1808. – doi: 10.1007/BF02647836.
  16. Rozenak P., Bergman R. X-ray phase analysis of martensitic transformations in austenitic stainless steels electrochemically charged with hydrogen // Materials Science and Engineering A. – 2006. – Vol. 437. – P. 366–378. – doi: 10.1016/j.msea.2006.07.140.
  17. Yang Q., Luo J.L. Martensite transformation and surface cracking of hydrogen charged and outgassed type 304 stainless steel // Materials Science and Engineering: A. – 2000. – Vol. 288, iss. 1. – P. 75–83. – doi: 10.1016/S0921-5093(00)00833-9.
  18. Effects of high-pressure hydrogen charging on the structure of austenitic stainless steels / M. Hoelzel, S.A. Danilkin, H. Ehrenberg, D.M. Toebbens, T.J. Udovic, H. Fuessa, H. Wipf // Materials Science and Engineering: A. – 2004. – Vol. 384, iss. 1–2. – P. 255–261. – doi: 10.1016/j.msea.2004.06.017.
  19. Schramm R., Reed R. Stacking fault energies of seven commercial austenitic stainless steels // Metallurgical Transactions A. – 1975. – Vol. 6. – P. 1345–1351. – doi: 10.1007/bf02641927.
  20. Rhodes C., Thompson A. The composition dependence of stacking fault energy in austenitic stainless steels // Metallurgical Transactions A. – 1977. – Vol. 8. – P. 1901–1906. – doi: 10.1007/BF02646563.
  21. Piatti G., Schiller P. Thermal and mechanical properties of the Cr-Mn-(Ni-free) austenitic steels for fusion reactor applications // Journal of Nuclear Materials. – 1986. – Vol. 141–143. – P. 417–426. – doi: 10.1016/S0022-3115(86)80076-9.
  22. Stacking fault energy of cryogenic austenitic steels / D. Qi-Xun, W. Xiao-Nong, A.-D. Cheng, L. Xin-Min, L. Xin-Min // Chinese Physics. – 2002. – Vol. 11, N 6. – P. 596–600. – doi: 10.1088/1009-1963/11/6/315.
  23. Hydrogen-assisted quasi-cleavage fracture in a single crystalline type 316 austenitic stainless steel / M. Koyama, E. Akiyama, T. Sawaguchi, K. Ogawa, I.V. Kireeva, Yu.I. Chumlyakov, K. Tsuzaki // Corrosion Science. – 2013. – Vol. 75. – P. 345–353. – doi: 10.1016/j.corsci.2013.06.018.
  24. Structure, phase composition and mechanical properties of austenitic steel Fe–18Cr–9Ni–0.5Ti–0.08C subjected to chemical deformation processing / E. Melnikov, G. Maier, V. Moskvina, E. Astafurova // AIP Conference Proceedings. – 2016. – Vol. 1783. – P. 020151-1 – 020151-4. – doi: 10.1063/1.4966444.
  25. Influence of hydrogenation regime on structure, phase composition and mechanical properties of Fe18Cr9Ni0.5Ti0.08C steel in cold rolling / E. Melnikov, G. Maier, V. Moskvina, E. Astafurova // AIP Conference Proceedings. – 2017. – Vol. 1909. – P. 020136-1 – 020136-4. – doi: 10.1063/1.5013817.
  26. Креслин В.Ю., Найден Е.П. Автоматизированный комплекс для исследования характеристик магнитожестких материалов // Приборы и техника эксперимента. – 2002. – № 1. – С. 83–86.
  27. Утевский Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. – М.: Металлургия, 1973. – 584 с.
  28. Christian J.W., Mahajan S. Deformation twinning // Progress in Materials Science. – 1995. – Vol. 39, N 1–2. – P. 1–157. – doi: 10.1016/0079-6425(94)00007-7.
  29. Unusual strain-induced martensite and absence of conventional grain refinement in twinning induced plasticity high-entropy alloy processed by high-pressure torsion / P. Sathiyamoorthi, P. Asghari-Rad, G.M. Karthik, A. Zargaran, H.S. Kim // Materials Science and Engineering: A. – 2021. – Vol. 803. – P. 140570. – doi: 10.1016/j.msea.2020.140570.
  30. Microstructure and mechanical response of single-crystalline high-manganese austenitic steels under high-pressure torsion: the effect of stacking-fault energy / E.G. Astafurova, M.S. Tukeeva, G.G. Maier, E.V. Melnikov, H.J. Maier // Materials Science and Engineering: A. – 2014. – Vol. 604. – P. 166–175. – doi: 10.1016/j.msea.2014.03.029.
  31. Киреева И.В., Чумляков Ю.И., Лузгинова Н.В. Скольжение и двойникование в монокристаллах аустенитных нержавеющих сталей с азотом // Физика металлов и металловедение. – 2002. – Т. 94, № 5. – С. 92–104.
  32. Двойникование в монокристаллах стали Гадфильда / Е.И. Литвинова, И.В. Киреева, Е.Г. Захарова, Н.В. Лузгинова, Ю.И. Чумляков, Х. Сехитоглу, И. Караман // Физическая мезомеханика. – 1999. – Т. 7 (1–2). – С. 115–121.
  33. Механизмы деформации монокристаллов аустенитных нержавеющих сталей, легированных азотом / А.А. Шульмина, Н.В. Лузгинова, И.В. Киреева, Ю.И. Чумляков, В.Ф. Ульянычева // Физическая мезомеханика. – 2004. – Т. 7, спец. вып., ч. 1. – С. 253–265.
  34. Astafurova E.G., Zakharova G.G., Maier H.J. Hydrogen-induced twinning in ‹001› Hadfield steel single crystals // Scripta Materialia. – 2010. – Vol. 63, iss. 12. – P. 1189–1192. – doi: 10.1016/j.scriptamat.2010.08.029.
  35. Effect of hydrogen charging on mechanical twinning, strain hardening, and fracture of ‹111› and ‹144› hadfield steel single crystals / E.G. Astafurova, G.G. Maier, E.V. Melnikov, V. Moskvina, V. Vojtsik, G. Zakharov, A. Smirnov, V. Bataev // Physical Mesomechanics. – 2018. – Vol. 21. – P. 263–273. – doi: 10.1134/S1029959918030116.
  36. Основы пластической деформации наноструктурных материалов / Э.В. Козлов, А.М. Глезер, Н.А. Конева, Н.А. Попова, И.А. Курзина; под ред. А.М. Глезера. – М.: Физматлит, 2016. – 304 с. – ISBN 978-5-9221-1689-3.

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».