Исследование структуры, микротвердости и магнитных характеристик аустенитной стали 04Х17Н8Т при варьировании режимов поверхностного упрочнения

Поверхностное пластическое деформирование широко применяют в различных отраслях машиностроения для улучшения эксплуатационных свойств материалов. В работе представлены результаты исследования влияния режимов поверхностного пластического деформирования на структуру, микротвердость и магнитные характеристики аустенитной стали 04Х17Н8Т. Эксперименты включали изменение параметра поверхностного пластического деформирования — нормальной нагрузки на индентор. С использованием микроструктурного анализа, включая оптическую и электронную микроскопию, анализировали изменения в кристаллической структуре материала после деформации. Магнитные характеристики образцов определяли с помощью анализатора шумов Баркгаузена. Установлено, что твердость образцов в поперечном сечении практически одинакова при нагрузке на индентор 250 Н и более. Кроме того, между режимами деформации и твердостью существует взаимосвязь. Показано, что изменение режимов поверхностного пластического деформирования оказывает значительное влияние на структуру и магнитные характеристики стали. Фрикционная обработка приводит к формированию градиентной структуры с глубиной до 500 мкм, а на глубине до 25 мкм формируется сильнодеформированная дисперсная структура. Вследствие повышения величины нормальной нагрузки на индентор при фрикционной обработке растет содержание дефектов в материале, что влияет на его магнитные свойства. Полученные результаты могут быть использованы при совершенствовании технологий поверхностного пластического деформирования и оптимизации процессов обработки сталей для достижения необходимого уровня эксплуатационных характеристик и увеличения срока службы деталей и элементов конструкций.

1. Lo K., Shek C., Lai J. Recent developments in stainless steels / Materials Science and Engineering. 2009. Vol. 65. No. 4. P. 39 – 104. DOI: 10.1016/j.mser.2009.03.001

2. Eskandari M., Kermanpur A., Najafizadeh A. Formation of nanocrystalline structure in 301 stainless steel produced by martensite treatment / Metallurgical and Materials Transactions A. 2009. Vol. 40. No. 9. P. 2241 – 2249. DOI: 10.1007/S11661-009-9916-z

3. Pradhan K., Matawale C., Murarka S. Analysis of erosion-corrosion resistance and Various Application in domestic and Industrial field of Stainless Steel Grade 304 / Int. J. Res. 2015. Vol. 2. Issue 4. P. 807 – 811.

4. Skorynina P. A., Makarov A. V., Berezovskaya V. V., et al. Effect of nanostructuring frictional treatment on micromechanical and corrosion properties of stable austenitic chromium-nickel steel / Frontier Mater. Technol. 2021. No. 4. P. 80 – 88. DOI: 10.18323/2782-4039-2021-4-80-88

5. Slavov S., Dimitrov D., Konsulova-Bakalova M., et al. Impact of Ball Burnished Regular Reliefs on Fatigue Life of AISI 304 and 316L Austenitic Stainless Steels / Materials. 2021. Vol. 14. P. 25 – 29. DOI: 10/3390/ma14102529

6. Lezhnin N. V., Makarov A. V., Luchko S. N. The effect of ultrasonic impact-frictional treatment on the surface roughness and hardening of 09Mn2Si constructional steel / Lett. Mater. 2019. Vol. 3. Issue 35. P. 9. DOI: 10.22226/2410-3535-2019-3-310-315

7. Kuznetsov V. P., Kosareva A. V. Increase of Wear and Heat Resistance of the AISI 304 Steel Surface Layer by Multi-Pass Nanostructuring Burnishing / J. Mater. Eng. 2023. Vol. 1. Issue 2. P. 55 – 61. DOI: 10.61552/jme.2023.02.001

8. Torres M. A. S., Voorwald H. J. C. An evaluation of shot peening, residual stress and stress relaxation on the fatigue life of AISI 4340 steel / Int. J. Fatigue. 2002. Vol. 24. Issue 8. P. 877 – 886. DOI: 10.1016/S0142-1123(01)00205-5

9. Makarov A. V., Korshunov L. G. Metallophysical foundations of nanostructuring frictional treatment of steels / Physics of Metals and Metallography. 2019. Vol. 120. No. 3. P. 303 – 311 [in Russian]. DOI: 10.1134/S0015323018120124

10. Kermouche G., Pacquaut G., Langlade C., et al. Investigation of mechanically attrited structures induced by repeated impacts on an AISI1045 steel / Comptes Rendus Mécanique. 2011. Vol. 339. Issue 7 – 8. P. 552 – 562. DOI: 10.1016/j.crme.2011.05.012

11. Lu K., Lu J. Nanostructured surface layer on metallic materials induced by surface mechanical attrition treatment / Mater. Sci. Eng. 2004. Vol. 375 – 377. P. 38 – 45. DOI: 10.1016/j.msea.2003.10.261

12. Ulutan M., Celik O., Gasan H., et al. Effect of Different Surface Treatment Methods on the Friction and Wear Behavior of AISI 4140 Steel / J. Mater. Sci. Technol. 2010. Vol. 26. Issue 3. P. 251 – 257. DOI: 10.1016/S1005-0302(10)60042-4

13. Chen X., Gussev M., Balonis M., et al. Emergence of micro-galvanic corrosion in plastically deformed austenitic stainless steels / Mater. Design. 2021. Vol. 203. P. 109614. DOI: 10.1016/j.matdes.2021.109614

14. Korneev A. E., Korneev A. A., Gugenko A. S., et al. Study of the effect of the deformation martensite on the corrosion resistance of NPP equipment and pipelines made of austenitic steels / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2021. Vol. 87. No. 3. P. 29 – 34 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-3-29-34

15. Makarov A. V. Nanostructured friction treatment of carbon and low-alloy steels. — Moscow: MISIS, 2011 [in Russian].

16. Savrai R. A., Osintseva A. L. Effect of hardened surface layer obtained by frictional treatment on the contact endurance of the AISI 321 stainless steel under contact gigacycle fatigue tests / Mater. Sci. Eng. 2021. Vol. 802. P. 140679. DOI: 10.1016/j.msea.2020.140679

17. Savrai R. A., Kolobylin Yu. M., Volkova E. G. Micromechanical characteristics of the surface layer of metastable austenitic steel after frictional treatment / Physics of Metals and Metallography. 2021. Vol. 122. No. 8. P. 800 – 806 [in Russian]. DOI: 10.31857/S001532302108012X

18. Jamalian M., Field D. Gradient microstructure and enhanced mechanical performance of magnesium alloy by severe impact loading / J. Mater. Sci. Technol. 2020. Issue 36. P. 45 – 49. DOI: 10.1016/j.jmst.2019.06.013

19. Dorofeev A. L. Eddy currents. — Moscow: Énergiya, 1977. — 72 p. [in Russian].

20. Wang P., Han Z. Friction and wear behaviors of a gradient nano-grained AISI 316L stainless steel under dry and oil-lubricated conditions / J. Mater. Sci. Technol. 2018. Issue 34. P. 1835 – 1842. DOI: 10.1016/j.jmst.2018.01.013

21. Schwartz A., Kumar M., Adams B., et al. Electron Backscatter Diffraction in Materials Science. — Springer, 2009. DOI: 10.2298/PAC1201001S

22. Samih Y., Beausir B., Bolle B., et al. In-depth quantitative analysis of the microstructures produced by Surface Mechanical Attrition Treatment (SMAT) / Materials Characterization. 2013. Issue 83. P. 129 – 138. DOI: 10.1016/j.matchar.2013.06.006

23. Heilmann I., Clark W., Rigney D. Orientation determination of subsurface cells generated by sliding / Acta Metallurgica. 1983. Vol. 31. No. 8. P. 1293 – 1305. DOI: 10.1016/0001-6160(83)90191-8

24. Panin V. E., Vityaz P. A. Physical Mesomechanics of Fracture and Wear on the Friction Surface of Solids / Phys. Mesomech. 2002. Vol. 5. No. 1. P. 5 – 13 [in Russian].

25. Jordan Moering, Xiaolong Ma, Guizhen Chen, et al. The role of shear strain on texture and microstructural gradients in low carbon steel processed by Surface Mechanical Attrition Treatment / Scripta Materialia. 2015. Issue 108. P. 100 – 103. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2015.06.027

26. Belomyttsev M. Yu., Kuzko E. I. Magnetometric determination of the percentage ratio of paramagnetic-ferromagnetic phase / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2024. Vol. 90. No. 1. P. 34 – 41 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2024-90-1-34-41

27. Belomyttsev M. Yu., Kuzko E. I., Prokofiev P. A. Magnetometric method in analysis of ferritic-martensitic steels / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2017. Vol. 83. No. 11. P. 41 – 46 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2017-83-11-41-46