Effect of γ→e Martensitic Transformation on the Tribological Properties of Chromium–manganese Austenitic Steels

L. G. Korshunov; N. L. Chernenko

doi:10.17804/2410-9908.2019.5.048-059

L. G. Korshunov, N. L. Chernenko

EFFECT OF γ→e MARTENSITIC TRANSFORMATION ON THE TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF CHROMIUM–MANGANESE AUSTENITIC STEELS

DOI: 10.17804/2410-9908.2019.5.048-059

The paper studies the effect of ε (hcp) martensite on the structure and tribological properties of chromium-manganese metastable austenitic steels. The effect of TiC carbide particles on the friction coefficient and wear resistance of Cr–Mn austenitic steels is considered. Structural transformations occurring in the surface layers of the steel in the course of frictional processing are studied via methods of metallography, X-ray diffraction and electron microscopy analysis. It has been found that the formation of nanocrystalline hcp martensite in the steels under study decreases considerably their friction coefficient and increases their resistance to adhesive wear in comparison with the cases of the 40Kh25N20 stable austenitic stainless steel and the 12Kh18N9 austenitic stainless steel, the latter being metastable to γ→α martensitic transformation. The presence of 1–4.5 wt % of TiC carbide particles in the structure of the steels increases the friction coefficient of the materials and decreased their wear resistance. The ε phase in chromium-manganese austenitic steels is more capable of strain-induced hardening under friction than the ε phase in iron-manganese alloys. Accumulation of fine TiC particles of in the surface layer of the titanium-alloyed chromium-manganese austenitic steels has been detected.

Acknowledgement: The work was performed under the state assignment on the theme Structure, No. AAAA-A18-118020190116-6, and project 18-10-2-39 of the UB RAS Complex Program; we used the equipment installed at the Testing Center of Nanotechnologies and Advanced Materials collective use center affiliated to IMP UB RAS.

Keywords: chromium-manganese metastable austenitic steels, friction effect, ε (hcp) martensite

References:

Korshunov L.G., Chernenko N.L. Structural transformatios during friction and the wear resistance of alloys of the Fe-Mn system containing ε-martensite. Fizika Metallov i Metallovedenie, 1987, vol. 63, no. 2, pp. 319–328. (In Russian).
Korshunov L.G. Structural transformatios during friction and the wear resistance of austenitic steel. Fizika Metallov i Metallovedenie, 1992, no. 8, pp. 3–21. (In Russian).
Buckley Donald H. Surface Effects in Adhesion, Friction, Wear, and Lubrication. Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam–Oxford–New York, 1981.
Аntonу К.С. Wеаr-rеsistant соbаlt-base alloys. Journal of Metals, 1983, vol. 35, no. 2, pp. 52–60. DOI: 10.1007/BF03338205.
Makarov А.V., Skorynina P.А., Volkova E.G., Osintseva А.L. Effect of Heating on the Structure, Phase Composition, and Micromechanical Properties of the Metastable Austenitic Steel Strengthened by Nanostructuring Frictional Treatment. Physics of Metals and Metallography, 2018, vol. 119, no. 12, pp. 1196–1203. DOI: 10.1134/S0015323018120112.
Saltykov S.А. Stereometricheskaya metallografiya [Stereometric Metallography]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1976, 271 p. (In Russian).
Moiseev V.F. The composition of steel and the percentage of carbide phase Steel composition and amount of carbide phase. Metal Science and Heat Treatment, 1970, vol. 12, no. 8, pp. 700–702. DOI: 10.1007/BF00654801.
Makarov A.V., Korshunov L.G., Osintseva A.L. Effect of tempering and friction heating on wear resistance of steel U8 hardened by laser. Friction and Wear, 1991, vol. 12, no. 5, pp. 870–878. (In Russian).
Bogachev I.N. and Egolaev V.F. Struktura i svoistva zhelezomargantsevykh splavov [The Structure and Properties of Ferrum-Manganese Alloys]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1973, 295 p. (In Russian).
Korshunov L.G., Sagaradze V.V., Chernenko N.L., Pecherkina N.L., Kalinin G.Yu., Mushnikova S.Yu., Kharkov O.A. Structure and tribological properties of nitrogen-containing stainless austenitic steels. Scientific and technical journal “Voprosy Materialovedeniya”, 2012, no. 3 (71), pp. 136–145. (In Russian).
Korshunov L.G., Makarov A.V., Chernenko N.L. Nanocrystalline friction structures in steels and alloys, their mechanical and tribological properties. In: Razvitie idey akademika V.D. Sadovskogo [Developing the Ideas of Academician V.D. Sadovsky]. Ekaterinburg, Institute of Metal Physics, UB RAS Publ., 2008, 409 p. (In Russian).
Неilmann Р., Сlаrk W.А., Rignеу D.А. Orientation determination of subsurfase cells generated by sliding. Acta Metallurgica, 1983, vol. 31, no. 8, pp. 1293–1305. DOI: 10.1016/0001-6160(83)90191-8.
Golego N.L. Skhvatyvanie v mashinakh i metody ego ustraneniya [Grip in Machines and Methods of its Removal]. Kiev, Tekhnika Publ., 1965.
Korshunov L.G., Sagaradze V.V., Tereshhenko N.А., Chernenko N.L. Influence of epsilon-martensite on friction and wear off of high-manganese alloys. Fizika Metallov i Metallovedenie, 1983, vol. 55, no. 2, pp. 341–348. (In Russian).

Л. Г. Коршунов, Н. Л. Черненко

ВЛИЯНИЕ МАРТЕНСИТНОГО γ → ε-ПРЕВРАЩЕНИЯ НА ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХРОМОМАРГАНЦЕВЫХ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ

Изучено влияние ε(ГПУ)-мартенсита на структуру и трибологические свойства хромомарганцевых метастабильных аустенитных сталей. Рассмотрено влияние карбидных частиц TiC на сопротивление изнашиванию и коэффициент трения хромомарганцевых аустенитных сталей. Методами металлографии, рентгеновского и электронно-микроскопического анализа изучены структурные превращения, происходящие в поверхностных слоях сталей при фрикционном воздействии. Установлено, что образование в исследуемых сталях нанокристаллического ГПУ-мартенсита обеспечивает им значительно меньший коэффициент трения и большее сопротивление адгезионному изнашиванию по сравнению с нержавеющими стабильной аустенитной сталью 40Х25Н20 и метастабильной к γ → α-мартенситному превращению аустенитной сталью 12Х18Н9. Присутствие в структуре исследуемых сталей карбидных частиц TiC в количестве 1.0-4.5 об.% повышает коэффициент трения и снижает сопротивление изнашиванию данных материалов. Эпсилон-фаза хромомарганцевых аустенитных сталей обладает большей способностью к деформационному упрочнению при трении, чем ε-фаза железомарганцевых сплавов. Обнаружено накопление дисперсных карбидных частиц TiC в поверхностном слое хромомарганцевых аустенитных сталей, легированных титаном.

Благодарность: Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Испытательный центр нанотехнологий и перспективных материалов» ИФМ УрО РАН. Работа выполнена в рамках государственного задания по теме «Структура» № АААА-А18-118020190116-6 и проекту № 18-10-2-39 комплексной программы УрО РАН.

Ключевые слова: хромарганцевые метастабильные аустенитные стали, фрикционное воздействие, ε(ГПУ)-мартенсит

Библиография:

Коршунов Л. Г., Черненко Н. Л. Структурные превращения при трении и износостойкость сплавов системы Fe-Mn, содержащих -мартенсит // ФММ. – 1987. – Т. 63, вып. 2. – С. 319–328.
Коршунов Л. Г. Структурные превращения при трении и износостойкость аустенитных сталей // ФММ. – 1992. – № 8. – С. 3–21.
Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии. – М. : Машиностроение, 1986. – 359 с.
Аntonу К. С. Wеаr-rеsistant соbаlt-base alloys // Journal of Metals. – 1983. – Vol. 35, no. 2. – Р. 52–60. – DOI: 10.1007/BF03338205.
Effect of Heating on the Structure, Phase Composition, and Micromechanical Properties of the Metastable Austenitic Steel Strengthened by Nanostructuring Frictional Treatment / А. V. Makarov, P. А. Skorynina, E. G. Volkova, А. L. Osintseva // Physics of Metals and Metallography. – 2018. – Vol. 119, no. 12. – P. 1196–1203. – DOI: 10.1134/S0015323018120112.
Салтыков С. А. Стереометрическая металлография. – М. : Металлургия, 1976. – 271 с.
Moiseev V. F. The composition of steel and the percentage of carbide phase Steel composition and amount of carbide phase // Metal Science and Heat Treatment. – 1970. – Vol. 12, no. 8. – P. 700–702. – DOI: 10.1007/BF00654801.
Макаров А. В., Коршунов Л. Г, Осинцева А. Л. Влияние отпуска и фрикционного нагрева на износостойкость стали У8, закаленной лазером // Трение и износ. – 1991. – Т. 12, № 5. – С. 870–878.
Богачев И. Н., Еголаев В. Ф. Структура и свойства железомарганцевых сплавов. – М. : Металлургия, 1973. – 295с.
Структура и трибологические свойства азотсодержащих нержавеющих аустенитных сталей / Л. Г. Коршунов, В. В. Сагарадзе, Н. Л. Черненко, Н. Л. Печеркина, Г. Ю. Калинин, С. Ю. Мушникова, О. А. Харьков // Вопросы материаловедения. – 2012. – № 3 (71). – С. 136–145.
Коршунов Л. Г., Макаров А. В., Черненко Н. Л. Нанокристаллические структуры трения в сталях и сплавах, их прочностные и трибологические свойства // Развитие идей академика В. Д. Садовского : сб. науч. труд. – Екатеринбург, 2008. – С. 218–241.
Неilmann Р., Сlаrk W. А., Rignеу D. А. Orientation determination of subsurfase cells generated by sliding // Acta Metallurgica – 1983. – Vol. 31, no. 8. – Р. 1293–1305. – DOI: 10.1016/0001-6160(83)90191-8.
Голего Н. Л. Схватывание в машинах и методы его устранения. – Киев : Техника, 1965. – 231 с.
Влияние ɛ-мартенсита на трение и изнашивание высокомарганцовистых сплавов / Л. Г. Коршунов, В. В. Сагарадзе, Н. А. Терещенко, Н. Л. Черненко // ФММ. – 1983. – Т. 55, вып. 2. – С. 341–348.

Библиографическая ссылка на статью

Korshunov L. G., Chernenko N. L. Effect of γ→e Martensitic Transformation on the Tribological Properties of Chromium–manganese Austenitic Steels // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2019. - Iss. 5. - P. 48-59. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2019.5.048-059. -
URL: http://dream-journal.org/issues/content/article_263.html
(accessed: 30.03.2025).