Assessment of the effect of the steels structure dispersion on its magnetic and mechanical properties

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction: The control of the mechanical properties of structural steels is one of the main processes that regulate the service life of equipment. In most technical processes (pressure treatment, welding, rolling, thermal exposure), structure changes both in local areas and in the entire volume. Changes in the steel structure entail changes in its properties and as a result in local areas, at various stages of operation, the likelihood of the occurrence and development of critical defects increases. Its presence significantly affects the performance of the equipment, and leads to premature aging of the material and its failure. Precisely because the control of the mechanical properties of steel remains one of the urgent problems, new control methods are being developed. It is known that all properties of steel depend on the structure of the substance, however, studies on the effect of the dispersion of the structure under consideration on the mechanical properties are presented in an insignificant amount. Purpose: to analyze from a mathematical point of view the influence of the factor of different grain size, as a parameter reflecting the dispersity of the system, on the mechanical properties of structural steel. The paper studies a heat-treated planar samples of steels 15KhSND, 09G2S and St3. Methods of research: scanning electron and optical microscopes are used to study the grain structure and grain boundaries; SIAMS 700 software package is used for finding the boundaries and average data of the grain structure; portable X-ray fluorescence analyzer of metals and alloys X-MET 7000 is used to determine the chemical composition of the test samples in percentage; tensile testing machine IR-50 is used for measuring the tensile strength of samples; Vickers hardness tester is used to determine the hardness of samples. Results and discussion: it is found that there is a satisfactory correlation for the mechanical properties of structural steels (hardness and ultimate strength) and the grain size factor, which can be used to predict the hazardous states of structures and the operating time. The analysis of variance and regression of the detected dependencies is carried out. It is noted that the dropout of some values from the general regression dependence can most likely be associated with a decrease in the value of internal stresses as a result of a decrease in the distortions of the crystal lattice of steel occurring during heat treatment. It should be noted that the processes occurring and the degree of its influence on the properties of the structural steels under consideration can be different due to the presence of different amounts of alloying elements in the composition of the studied steels.

About the authors

R. A. Sokolov

Email: falcon.rs@mail.ru
Industrial University of Tyumen, 38 Volodarskogo str., Tyumen, 625000, Russian Federation, falcon.rs@mail.ru

V. F. Novikov

Email: novikovvf@tyuiu.ru
D.Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Industrial University of Tyumen, 38 Volodarskogo str., Tyumen, 625000, Russian Federation, novikovvf@tyuiu.ru

K. R. Muratov

Email: muratows@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Industrial University of Tyumen, 38 Volodarskogo str., Tyumen, 625000, Russian Federation, muratows@mail.ru

A. N. Venediktov

Email: annattoliy@gmail.com
Ph.D. (Engineering), Industrial University of Tyumen, 38 Volodarskogo str., Tyumen, 625000, Russian Federation, annattoliy@gmail.com

References

  1. Новиков В.Ф., Нерадовский Д.Ф., Соколов Р.А. Использование квазистатических петель магнитного гистерезиса для контроля структуры стали // Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение. – 2016. – Т. 18, № 2. – С. 38–50. – DOI: 10/15593/2224-9877/2016.2.03.
  2. Experimental determination and prediction of the mechanical properties of steel 1.7225 / J. Brnic, G. Turkalj, M. Canadija, J. Niu // Materials Science and Engineering: A. – 2014. – Vol. 600. – P. 47–52. – doi: 10.1016/j.msea.2014.01.097.
  3. Zambrano O.A., Coronado J.J., Rodríguez S.A. Mechanical properties and phases determination of low carbon steel oxide scales formed at 1200° C in air // Surface and Coatings Technology. – 2015. – Vol. 282. – P. 155–162. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2015.10.028.
  4. Surface morphology characteristics and mechanical properties of corroded cold-formed steel channel sections / B. Nie, S. Xu, Z. Zhang, A. Li // Journal of Building Engineering. – 2021. – Vol. 42. – P. 102786. – doi: 10.1016/j.jobe.2021.102786.
  5. Determination of surface mechanical property and residual stress stability for shot-peened SAF2507 duplex stainless steel by in situ X-ray diffraction stress analysis / M. Chen, Sh. Xing, H. Liu, Ch. Jiang, K. Zhan, V. Ji // Journal of Materials Research and Technology. – 2020. – Vol. 9, iss. 4. – P. 7644–7654. – doi: 10.1016/j.jmrt.2020.05.028.
  6. Determination of the mechanical properties of surface-modified layer of 18CrNiMo7-6 steel alloys after carburizing heat treatment / M.H. Zhao, X.C. Han, G. Wang, G.T. Xu // International Journal of Mechanical Sciences. – 2018. – Vol. 148. – P. 84–93. – doi: 10.1016/j.ijmecsci.2018.08.021.
  7. Сандомирский С.Г. Корреляционные зависимости между механическими свойствами и магнитным параметром стали 40Х // Механика машин, механизмов и материалов. – 2019. – № 3 (48). – С. 43–50.
  8. Исследование деформации и оценка напряжений в материалах с упрочненным поверхностным слоем магнитными методами / Э.С. Горкунов, С.Ю. Митропольская, А.Л. Осинцева, Д.И. Вичужанин // Физическая мезомеханика. – 2009. – Т. 12, № 2. – С. 95–104.
  9. Об ультразвуковом контроле неоднородности механических свойств горячекатаной стали / И.М. Полетика, Н.М. Егорова, О.А. Куликова, Л.Б. Зуев // Журнал технической физики. – 2001. – Т. 71, № 3. – С. 37–40.
  10. Relationship between microstructure and yield strength for plain carbon steel with ultrafine or fine (ferrite+cementite) structure / Ch. Zheng, L. Li, W. Yang, Z. Sun // Materials Science and Engineering: A. – 2014. – Vol. 617. – P. 31–38. –  doi: 10.1016/j.msea.2014.08.050.
  11. Zheng Ch., Li L. Effect of microstructure on mechanical behavior for eutectoid steel with ultrafine- or fine-grained ferrite+cementite structure // Materials Science and Engineering: A. – 2017. – Vol. 688. –P. 83–91. – doi: 10.1016/j.msea.2017.01.082.
  12. Tensile properties and twinning behavior of high manganese austenitic steel with fine-grained structure / R. Ueji, N. Tsuchida, D. Terada, N. Tsuji, Y. Tanaka, A. Takemura, K. Kunishige // Scripta Materialia. – 2008. – Vol. 59, iss. 9. – P. 963–966. – doi: 10.1016/j.scriptamat.2008.06.050.
  13. Substructure hardening in duplex low density steel / H.R. Abedi, A. Zarei Hanzaki, K.-L. Ou, C.-Y. Yu // Materials and Design. – 2017. – Vol. 116. – P. 472–480. – doi: 10.1016/j.matdes.2016.12.020.
  14. Elastoplastic transition in a metastable β-Titanium alloy, Timetal-18 – An in-situ synchrotron X-ray diffraction study / J.J. Bhattacharyya, S. Nair, D.C. Pagan, V. Tari, R.A. Lebensohn, A.D. Rollett, S.R. Agnew // International Journal of Plasticity. – 2021. – Vol. 139. – P. 102947. – doi: 10.1016/j.ijplas.2021.102947.
  15. Motaman S.A.H., Haase Ch. The microstructural effects on the mechanical response of polycrystals: a comparative experimental-numerical study on conventionally and additively manufactured metallic materials // International Journal of Plasticity. – 2021. – Vol. 140. – P. 102941. – doi: 10.1016/j.ijplas.2021.102941.
  16. Motaman S.A.H., Roters F., Haase Ch. Anisotropic polycrystal plasticity due to microstructural heterogeneity: a multi-scale experimental and numerical study on additively manufactured metallic materials // Acta Materialia. – 2020. – Vol. 185. – P. 340–369. – doi: 10.1016/j.actamat.2019.12.003.
  17. ГОСТ 6996–66. Сварные соединения. Методы определения механических свойств. – Введ. 1967–01–01. – М.: Стандартинформ, 2005. – 62 с.
  18. Гроховский В.И. Возможности цифровой микроскопии в металлографии // Цифровая микроскопия: Материалы школы семинара. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001. – С. 18–20.
  19. Помазова А.В., Панова Т.В., Геринг Г.И. Влияние разнозернистости структуры на коррозионную стойкость наружной поверхности труб из углеродистой стали 20, применяемых в теплоэнергетике // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия. – 2014. – Т. 14, № 4. – С. 37–44.
  20. Определение взаимосвязи фактора разнозернистости и скорости коррозии конструкционной стали / Р.А. Соколов, В.Ф. Новиков, К.Р. Муратов, А.Н. Венедиктов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2020. – Т. 22, № 3. – С. 106–125. – doi: 10.17212/1994-6309-2020-22.3-106-125.
  21. ГОСТ 5639–82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна. – Введ. 1983–01–01. – М.: Изд-во стандартов, 2003. – 45 с.
  22. Влияние структурно–фазового состояния нанокомпозитов железо – цементит на процессы локальной активации / А.В. Сюгаев, С.Ф. Ломаева, С.М. Решетников, А.С. Шуравин, Е.Ф. Шарафеева, Д.В. Сурнин // Физикохимия поверхности и защита материалов. – 2008. – Т. 44, № 4. – С. 395–399.
  23. Счастливцев В.М., Мирзаев Д.А., Яковлева И.Л. Структура термически обработанной стали. – М.: Металлургия, 1994. – 288 с.
  24. Callister W.D. Materials science and engineering: an introduction. – 6th ed. – Hoboken, NJ: Wiley, 2020. – 848 p. – ISBN 978-0471135760.
  25. Influence of surface treatment of construction steels on determination of internal stresses and grain sizes using X-ray diffractometry method / R.A. Sokolov, V.F. Novikov, K.R. Muratov, A.N. Venediktov // Materials Today: Proceedings. – 2019. – Vol. 19, pt. 5. – P. 2584–2585. – doi: 10.1016/j.matpr.2019.09.015.
  26. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. – М.: Металлургия, 1978. – 568 с.
  27. Чулкина А.А., Ульянов А.И. Влияние магнитных свойств цементита на коэрцитивную силу высокоуглеродистых сталей после закалки и отпуска // Физика металлов и металловедение. – 2009. – Т. 108, № 6. – С. 581–588.
  28. Щербинин В.Е., Горкунов Э.С. Магнитные методы структурного анализа и неразрушающего контроля. – Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 1996. – 266 с.
  29. Михеев М.Н., Горкунов Э.С. Магнитные методы неразрушающего контроля структурного состояния и прочностных характеристик термически обработанных изделий (обзор) // Дефектоскопия. – 1985. – № 3. – С. 3–21.
  30. Михеев М.Н., Горкунов Э.С. Магнитные методы структурного анализа и неразрушающего контроля. – М.: Наука, 1993. – 252 с.
  31. Бида Г.В., Ничипурук А.П. Магнитные свойства термообработанных сталей. – Екатеринбург: УрО РАН, 2005. – 218 с.
  32. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. – М.: Металлургия, 1978. – 392 с.
  33. Ryan T.P. Modern regression methods. – 2nd ed. –Hoboken, NJ: Wiley, 2008. – 672 p.
  34. Sprent P., Smeeton N.C. Applied nonparametric statistical methods. – 3rd ed. – London, UK: Chapman & Hall/CRC, 2001. – 470 p.
  35. Scheffe H. The analysis of variance. – New York: Wiley, 1959. – 267 p.
  36. Faraway J.J. Practical regression and anovausing R. – URL: https://cran.r-project.org/doc/contrib/Faraway-PRA.pdf (accessed: 24.09.2021).
  37. The R Manuals / ed. by the R Development Core Team. – URL: https://cran.r-project.org/manuals.html (accessed: 24.09.2021).
  38. Влияние зернограничных сегрегаций на температуры мартенситного превращения в бикристаллах NiTi / Р.И. Бабичева, А.С. Семенов, С.В. Дмитриев, К. Жоу // Письма о материалах. – 2019. – Т. 9, № 2. – С. 162–167. – На англ. яз.
  39. Wollenberger H.J. Point defects // Physical metallurgy / ed. by R.W. Cahn, P. Haasen. – Amsterdam: Elsevier, 1996. – Vol. 2. – P. 1621–1721. – ISBN 978-0-444-89875-3. – doi: 10.1016/B978-044489875-3/50023-5.
  40. Rohrer G.S. Structure and bonding in crystalline materials. – Cambridge: Cambridge University Press, 2004. – 552 p. – ISBN 9780511816116. – doi: 10.1017/CBO9780511816116.
  41. Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов. – М.: Металлургия, 1975. – 208 с.
  42. Фазовые и структурные превращения в низкоуглеродистых мартенситных сталях / Л.М. Клейнер, Д.М. Ларинин, Л.В. Спивак, А.А. Шацов // Физика металлов и металловедение. – 2009. – Т. 108, № 2. – С. 161–168.
  43. Gao F., Heinisch H., Kurtz R.J. Diffusion of He interstitials in grain boundaries in α-Fe // Journal of Nuclear Materials. – 2006. – Vol. 351. – P. 133–140. – doi: 10.1016/j.jnucmat.2006.02.015.
  44. Hart E.W. On the role of dislocations in bulk diffusion // Acta Metallurgica. – 1957. – Vol. 5, iss. 10. – P. 597. – doi: 10.1016/0001-6160(57)90127-X.
  45. Courtney Т.Н. Mechanical behavior of materials. – Singapore: McGraw Hill, 2000. – 752 p. – ISBN 978-1577664253.
  46. Study of defect evolution by TEM with in situ ion irradiation and coordinated modeling / M. Li, M.A. Kirk, P.M. Baldo, D. Xu, B.D. Wirth // Philosophical Magazine. – 2012. – Vol. 92. – P. 2048–2078. – doi: 10.1080/14786435.2012.662601.
  47. Noyan I.C., Cohen J.B. Residual stress – measurement by diffraction and interpretation. –New York: Springer, 1987. – 285 p. – ISBN 978-1-4613-9570-6.

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».