Influence of negative temperatures on crystal structure, properties, and fracture of Cr–Mn–C–N steel

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The structure of casting austenitic Cr–Mn–C–N steel at low enviromental and cryogenic temperatures has been investigated by means of X-ray diffraction analysis and transmission electron microscopy. The results demonstrate that the parameters of the crystal structure undergo a change during cooling of the quenched steel. During the cooling process from 20 to –90°C, the austenite lattice parameter undergoes a decrease, whereas the concentration of stacking faults remains unaltered. At lower temperatures, the FCC lattice parameter exhibits a stabilizing effect, while the concentration of stacking faults increases sharply. It was observed that there are temperature-dependent displacements of atoms belonging to the FCC lattice from their equilibrium positions. In close-packed planes with the {111} orientation, the observed displacements are larger than in planes with the {200} orientation, along the entire temperature range. The alterations in the crystal structure parameters are indicative of the relaxation process of internal stresses. The steel exhibited a set of high strength properties within the temperature range from –105 to 20°C, with σ0.2 of 800 MPa and σu of 1100 MPa. Additionally, the steel demonstrated satisfactory ductility of 10% and a ductile nature of fracture. At a temperature of –96°C, steel fracture is alwaya of brittle character.

Full Text

Restricted Access

About the authors

N. A. Narkevich

Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS

Author for correspondence.
Email: natnark@list.ru
Russian Federation, Tomsk, 634055

Yu. P. Mironov

Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS

Email: natnark@list.ru
Russian Federation, Tomsk, 634055

N. V. Badulin

The National Research Tomsk Polytechnic University

Email: natnark@list.ru
Russian Federation, Tomsk, 634050

References

  1. Berns H., Gavriljuk V., Riedner S., Tyshchenco A. High Strength Stainless Austenitic CrMnCN Steels – Part I: Alloy Design and Properties // Steel Res. Int. 2007. V. 78. P. 714–719.
  2. Lo K.H., Shek C.H., Lai J.K.L. Recent developments in stainless steels // Mater. Sci. Eng.: R. 2009. V. 65. P. 39–104.
  3. Simmons J.W. Overview: high-nitrogen alloying of stainless steels // Mater. Sci. Eng.: A. 1996. V. 207. P. 159–169.
  4. Банных И.О., Глезер А.М. Основные принципы легирования и обработки высокоазотистых аустенитных коррозионностойких сталей // Деформация и разрушение материалов. 2018. № 6. С. 2–6.
  5. Talha M., Behera C.K., Sinha O.P. Promising in vitro performances of nickel-free nitrogen containing stainless steels for orthopaedic applications // Bull. Mater. Sci. 2014. V. 37. P. 1321–1330.
  6. Astafurov S., Astafurova E., Reunova K., Melnikov E., Panchenko M., Moskvina V., Maier G., Rubtsov V., Kolubaev E. Electron-beam additive manufacturing of high-nitrogen steel: Microstructure and tensile properties // Mater. Sci. Eng.: A. 2021. V. 826. Р. 141951.
  7. Panin V.E., Narkevich N.A., Durakov V.G., Shulepov I.A. Control of the Structure and Wear Resistance of a Carbon-Nitrogen Austenitic Steel Coating Produced by Electron Beam Cladding // Phys. Mesomech. 2021. V. 24. P. 53–60.
  8. Shen H., Zou J., Li Y., Li D., Yu Y., Wang X. Effects of nitrogen on predominant sintering mechanism during the initial stage of high nitrogen nickel-free stainless steel powder // J. Alloys. Comp. 2023. V. 945. Р. 169230.
  9. Kostina M.V., Polomoshnov P. Yu., Blinov V.M., Muradyan S.O., Kostina V.S. Cold Resistance of New Casting Cr–Mn–Ni–Co Steel with 0.5% of N. Part One // Steel Transl. 2019. V. 49. P. 761–770.
  10. Kumar A., Sharma A., Goel S.K. Effect of heat treatment on microstructure, mechanical properties and erosion resistance of cast 23–8-N nitronic steel // Mater. Sci. Eng.: A. 2015. V. 637. P. 56–62.
  11. Kazakov A.A., Kolpishon E., Shakhmatov A., Badrak R. As-Cast Structure and Metallurgical Inheritance of High Nitrogen Austenitic Stainless Steel // Microsc. Microanal. 2015. V. 21. P. 1753–1754.
  12. Gürol U. Welding of High Manganese Austenitic Cast Steels Using Stainless Steel Covered Electrode // Int. J. Metalcast. 2023. V. 17. P. 1021–1033.
  13. Mittemeijer E.J., Scardi P. (Eds) Diffraction Analysis of the Microstructure of Materials. Berlin: Springer Verlag, 2004. P. 333–499.
  14. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. М.: МИСиС, 2002. 357 с.
  15. Перевалова O.Б., Коновалова E.В., Конева Н.A., Козлов Э.В. Влияние атомного упорядочения на зернограничные ансамбли ГЦК-твердых растворов. Томск: НТЛ, 2014. 248 с.
  16. Qiao Y., Chen J., Zhou H., Wang Y., Song Q., Li H., Zheng Z. Effect of solution treatment on cavitation erosion behavior of high-nitrogen austenitic stainless steel // Wear. 2019. V. 424–425. P. 70–77.
  17. Tagiltseva D.N., Narkevich N.A., Moiseenko D.D., Shulepov I.A. Relaxation capacity and cracking resistance of nitrous coating produced by electron-beam facing of 0.6C-24Cr-0.7N-16Mn steel powder during wear by hard abrasive under heavy loads // J. Frict. Wear. 2014. V. 35. P. 104–110.
  18. Gottstein G. Physical Foundations of Material Science. Berlin: Springer, 2004. Р. 209–212.
  19. Dai Qi-X., Wang An-D., Cheng X.-N., Luo X.-M. Stacking fault energy of cryogenic austenitic steels // Chin. Phys. 2002. V. 11. № 6. P. 596–600.
  20. Gavriljuk V.G., Sozinov A.L., Foct J., Petrov Ju.N., Polushkin Yu.A. Effect of nitrogen on the temperature dependence of the yield strength of austenitic steels // Acta Mater. 1998. V. 46. № 4. P. 1157–1163.
  21. Lenel U.R., Knott B.R. Structure and properties of corrosion and wear resistant Cr–Mn–N steels // Metall. Trans. A. 1987. V. 18. P. 847–855.
  22. Altuntas G., Bostan B., Altuntas O. Evaluation of the effect of shallow cryogenic treatment on tribological properties and microstructure of high manganese steel // Inter. Metalcast. 2023. V. 18. P. 1523–1534.
  23. Сагарадзе В.В., Уваров А.И. Упрочнение и свойства аустенитных сталей. Екатеринбург: РИО УрО РАН, 2013. 720 с.
  24. Warnes A.A., King H.W. The low temperature magnetic properties of austenitic Fe-Cr-Ni alloys. The prediction of Neel temperatures and maximum susceptibilities // Cryogenics. 1976. V. 16. P. 659–667.
  25. Torres-Meji´a L.G., Paredes-Gil K., Parra Vargas C.A., Lentz J., Weber S., Mujica-Roncery L. Effect of Deformation on the Magnetic Properties of C + N Austenitic Steel // Metall. Mater. Trans. A. 2024. V. 55A. P. 150–160.
  26. International Centre for Diffraction Data (ICDD), USA. http://www.icdd.com/, 2020.
  27. Шабашов В.А., Ляшков К.А., Катаева Н.В., Коршунов Л.Г., Сагарадзе В.В., Заматовский А.Е. Инверсия перераспределения азота в аустенитной стали при сверхвысокой пластической деформации // ФММ. 2021. Т. 122. № 7. С. 705–712.
  28. Tanaka М., Onomoto Т., Tsuchiyama T., Higashida K. Brittle-to-ductile transition in nickel-free austenitic stainless steels with high nitrogen // ISIJ Int. 2012. V. 52. P. 915–921.
  29. Kim J-M., Kim S-J., Kang J-H. Effects of short-range ordering and stacking fault energy on tensile behavior of nitrogen-containing austenitic stainless steels // Mater. Sci. Eng.: A. 2022. V. 836. Р. 142730.
  30. Hwang B., Lee T.H., Park S.J., Oh C.S., Kim S.J. Ductile-to-Brittle Transition Behavior of High-Nitrogen 18Cr-10Mn-0.35N Austenitic Steels Containing Ni and Cu // Proceed. Mater. Sci. Forum. 2010. V. 654–656. Р. 158–161.
  31. Наркевич Н.А., Власов И.В., Гоморова Ю.Ф., Сыртанов М.С., Толмачев А.И., Волочаев М.Н. Характер разрушения нержавеющей Cr–Mn–N–стали с наноструктурированными поверхностными слоями при криогенной температуре // ЖТФ. 2024. Т. 94. № 1. С. 90–98.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Structure of cast Cr–Mn–C–N steel after annealing and hardening.

Download (366KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Diffraction patterns of Cr–Mn–C–N steel studied in situ at 20 and –190°C (a); temperature dependences of the lattice parameter a and the DU concentration a (b); extrapolation dependences of the austenite lattice parameters solid lines (c). (Dashed lines connect the points corresponding to the lattice parameter values ​​for the (200) and (400) planes).

Download (351KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. TEM image of the structure after cooling to –196°C: DU (a) and the electron diffraction pattern corresponding to this section of the foil (b); dislocation network (c) and the electron diffraction pattern corresponding to this section of the foil (d); carbides Cr3C2 and DU (d): the electron diffraction pattern (e) was obtained from the section selected by the selector diaphragm (marked with a circle). Austenite reflections belong to the zone axis z=[552]g and the zone axis z=[332]g, reflections of Cr3C2 carbide belong to the zone axis z=[5 12 ]Cr3C2.

Download (398KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Temperature dependences of atomic displacements in the fcc lattice in the planes (111) and (222), as well as (200) and (400).

Download (101KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. σ–ε curves of Cr–Mn–C–N steel tested in tension at different temperatures (a); temperature dependences of ultimate strength σв and yield strength σ0.2 (b) and relative deformation ε (c).

Download (267KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Fracture surfaces of specimens after tensile tests at temperatures of 20°C (a), 90°C (b), 105°C (c) and 196°C (d).

Download (1MB)
Indexing metadata


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».