Structural Transformations of Carbon Ferritic-Pearlitic Steels under Conditions of High-Speed Loading

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Structure of ferritic-pearlitic steel subjected to explosive loading is investigated using the methods of light microscopy, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. Methods. Steel samples of various shapes and chemical composition are used for testing. Investigation materials are steel 20, 60, U7A in annealed condition. Dynamic loading of samples is performed by deformation schemes of flat plates (disks) using the phenomenon of energy focusing and tube deformation. Structural investigations are carried out by Carl Zeiss Axio Observer Z1m light microscope, EVO 50 XVP scanning electron microscope and FEI Tecnai G2 20 TWIN transmission electron microscope. Results And Discussion. The peculiarity characteristic belongs to the initial stage of deformation of the investigation materials is the twinning process, which takes place both in ferritic grains and in the colonies of lamellar pearlite. Analysis of the data obtained during transmission electron microscopy shows that the width of the twins has a great range. There are both the thin twins with a width of 10-15 nm order and the wide ones, the thickness of which is up to 100 nm. This range is observed in both ferritic grains and pearlitic colonies. Twins of deformation nature within a single colony can be represented as a set of multiple microtwins, separated by cementite plates. It is noted the through movement of twins which happened through grains of ferrite and adjacent colonies of pearlite. It indicates the unity of the ferrite matrix within these structural components. Heating of steel samples and increasing the density of twins are factors that impede the twinning process and initiate the mechanism of deformation by sliding. The change of the deformation mechanism is accompanied by the areas of curvature or even the complete degradation of the twins formed at the initial stage of loading.

About the authors

A. A. Bataev

Email: bataev@adm.nstu.ru
D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, bataev@adm.nstu.ru

I. A. Bataev

Email: ivanbataev@ngs.ru
Ph.D. (Engineering), Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, ivanbataev@ngs.ru

A. A. Nikulina

Email: _aelita27@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, _aelita27@mail.ru

A. I. Popelyukh

Email: aip13@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, aip13@mail.ru

I. Balagansky

Email: balagansky@craft.nstu.ru
D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, balagansky@craft.nstu.ru

N. V. Plotnikova

Email: plotnikova1975@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, plotnikova1975@mail.ru

References

  1. Конева H.A. Природа стадий пластической деформации // Соросовский образовательный журнал. – 1998. – № 10. – С. 99–105.
  2. Структурные уровни деформации твердых тел / В.Е. Панин, Ю.В. Гриняев, Т.Ф. Елсукова, А.Г. Иванчин // Известия высших учебных заведений. Физика. – 1982. – Т. 25, № 6. – С. 5–27.
  3. Панин В.Е., Панин A.B. Фундаментальная роль наномасштабного структурного уровня пластической деформации твердых тел // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2006. – № 12. – С. 5–10.
  4. Яковлева С.П., Махарова С.Н., Мордовской П.Г. Влияние комбинированной мегапластической деформации на структуру и свойства стали 09Г2С // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2016. – № 1 (70). – С. 52–59. – doi: 10.17212/1994-6309-2016-1-52-59.
  5. Панин В.Е., Панин A.B. Масштабные уровни пластической деформации разрушения наноструктурированных материалов // Нанотехника. – 2005. – № 3. – C. 28–42.
  6. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. – М.: Металлургия, 1986. – 224 с.
  7. Конева H.A., Козлов Э.В. Физическая природа стадийности пластической деформации // Структурные уровни пластической деформации и разрушения. – Новосибирск: Наука, 1990. – С. 123–186.
  8. Моисеев В.Ф., Трефилов В.И. Пластичность при двойниковании // Физическая природа пластической деформации и разрушения металлов. – Киев: Наукова думка, 1969. – C. 7–15.
  9. Орлов Л.Г., Утевский Л.М. О микродвойниках в железе, деформированном при низких температурах // Физика металлов и металловедение. – 1963. – Т. 16, № 4. – С. 627–629.
  10. Moiseev V.F., Trefilov V.I. Change of the deformation mechanism (slip twinning) in polycrystalline α-Iron // Physica Status Solidi. – 1966. – Vol. 18, N 2. – P. 881–895.
  11. Тушинский Л.И., Батаев А.А., Тихомирова Л.Б. Структура перлита и конструктивная прочность стали. – Новосибирск: Наука, 1993. – 280 с.
  12. Перлит в углеродистых сталях / В.М. Счастливцев, Д.А. Мирзаев, И.Л. Яковлева, К.Ю. Окишев, Т.И. Табатчикова, Ю.В. Хлебникова. – Екатеринбург: УРО РАН, 2006. – 402 с.
  13. Sundoquist B.E. The edgewise growth of pearlite // Acta Metallurgica. – 1968. – N 16. – P. 1413–1426.
  14. Счастливцев В.М., Яковлева И.Л. Электронномикроскопическое исследование структурных превращений в перлите // Физика металлов и металловедение. – 1974. – Т. 38, № 3. – С. 571–579.
  15. Hackney S.A., Shiflet G.J. Pearlite growth mechanism // Acta Metallurgica. – 1987. – Vol. 35, N 5. – P. 1019–1028.
  16. Thompson S.W., Howell P.R. On the early stages of pearlite formation in hypoeutectoid steels // Scripta Metallurgica. – 1988. – № 22. – P. 1775–1778.
  17. Батаев А.А., Тушинский Л.И., Батаев В.А. Особенности разрушения цементита при деформации сталей со структурой пластинчатого перлита // Физика металлов и металловедение. – 1995. – Т. 80, № 5. – С. 148–154.
  18. Особенности пластической деформации сталей со структурой пластинчатого перлита / А.А. Батаев, Л.И. Тушинский, В.А. Батаев, Л.Б. Зуев // Известия высших учебных заведений. Физика. – 1996. – № 7. – С. 3–10.
  19. Howell P.R. The pearlite reaction in steels mechanisms and crystallography: Pt. 1. From H.C. Sorby to R.F. Mehl // Materials Characterization. – 1998. – N 40. – P. 227–260.
  20. Caballero F.G., García de Andrés C., Capdevila C. Characterization and morphological analysis of pearlite in a eutectoid steel // Materials Characterization. – 2000. – N 45. – P. 111–116.
  21. Кристаллографический анализ дефектов в структуре пластинчатого перлита углеродистой стали после холодной пластической деформации / Ю.В. Хлебникова, И.Л. Яковлева, Л.Е. Карькина, В.М. Счастливцев, Т.И. Табатчикова // Известия Российской академии наук. Серия физическая. – 2004. – Т. 68, № 5. – С. 661–664.
  22. Zhang M.-X., Kelly P.M. The morphology and formation mechanism of pearlite in steels // Materials Characterization. – 2009. – N 60. – P. 545–554. – doi: 10.1016/j.matchar.2009.01.001.
  23. Yi H.L. Full pearlite obtained by slow cooling in medium carbon steel // Material Science and Engineering A. – 2010. – N 527. – P. 7600–7604. – doi: 10.1016/j.msea.2010.08.009.
  24. Experimental and theoretical study of the formation and growth of pearlite colonies in eutectoid steels / V.G. Vaks, A.Yu. Stroev, V.N. Urtsev, A.V. Shmakov // Journal of Experimental and Theoretical Physics. – 2011. – N 112. – P. 961–978. – doi: 10.1134/S1063776111050098.
  25. Особенности роста пластинчатого перлита в зоне сварки разнородных сталей / А.А. Никулина, А.И. Смирнов, И.А. Батаев, А.А. Батаев, А.И. Попелюх // Физика металлов и металловедение. – 2016. – Т. 117, № 1. – С. 8–64.
  26. Особенности выделения наноразмерных частиц ε-фазы меди в ферритных промежутках пластинчатого перлита / И.А. Батаев, Н.В. Степанова, А.А. Батаев, А.А. Никулина, А.А. Разумаков // Физика металлов и металловедение. – 2016. – Т. 117, № 9. – С. 932–937.
  27. Структурные особенности поведения высокоуглеродистой перлитной стали при циклическом нагружении / А.В. Макаров, Р.А. Саврай, В.М. Счастливцев, Т.И. Табатчикова, И.Л. Яковлева, Л.Ю. Егорова // Физика металлов и металловедение. – 2011. – Т. 111, № 1. – С. 97–111.
  28. Bowden H.K., Kelly P.M. Deformation twinning in shock-loaded pearlite // Acta Metallurgica. – 1957. – Vol. 15. – P. 105–111.
  29. Ударные волны и явления высокоскоростной деформации металлов / под ред. М.А. Мейерса, Л.Е. Мурра. – М.: Металлургия, 1984. – 512 с.
  30. Mach stem formation in explosion systems, which include high modulus elastic elements / I.A. Balagansky, K. Hokamoto, P. Manikandan, A.D. Matrosov, I.A. Stadnichenko, H. Miyoshi, A.A. Bataev // Journal of Applied Physics. – 2011. – N 110. – P. 123516. – doi: 10.1063/1.3671063.
  31. Эффекты локализации деформации в сплавах на основе Cu, Ti и Fe при нагружении сходящимися ударными волнами / И.В. Хомская, В.И. Зельдович, Б.В. Литвинов, Н.П. Пурыгин // Физика металлов и металловедение. – 2004. – Т. 98, № 4. – С. 88–95.
  32. Дерибас А.А. Физика упрочнения и сварки взрывом. – Новосибирск: Наука, 1972. – 188 с.
  33. Обработка металлов взрывом / А.В. Крупин, В.Я. Соловьев, Г.С.Попов, М.Р. Кръстев. – М.: Металлургия, 1991. – 496 с.
  34. Захаренко  И.Д. Сварка металлов взрывом. – Минск: Навука i тэхнiка, 1990. – 205 с.
  35. Гольдштейн М.И., Литвинов В.С., Бронфин Б.М. Металлофизика высокопрочных сплавов. – М.: Металлургия, 1986. – 312 с.
  36. Electron-microscopic investigation of high-strain-rate deformation produced by shock waves in the pearlitic structure of the grade 40Kh steel / V.I. Zel’;dovich, A.E. Kheifets, N.Yu. Frolova, B.V. Litvinov // The Physics of Metals and Metallography. – 2007. – Vol. 103, N 2. – P. 213–217.

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

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).