Martensitic Transformations in Plastic and Fracture Zones of the 05g20s2 Metastable Steel During Cyclic Tests

S. V. Gladkovsky; I. S. Kamantsev; V. E. Veselova; Yu. V. Khudorozhkova

doi:10.17804/2410-9908.2022.1.025-037

S. V. Gladkovsky, I. S. Kamantsev, V. E. Veselova, Yu. V. Khudorozhkova

MARTENSITIC TRANSFORMATIONS IN PLASTIC AND FRACTURE ZONES OF THE 05G20S2 METASTABLE STEEL DURING CYCLIC TESTS

DOI: 10.17804/2410-9908.2022.1.025-037

X-ray diffraction analysis, EBSD technique, and transmission electron microscopy are used to reveal the features of phase and microstructural transformations developing in plastic strain and fracture zones of the 05G20S2 metastable steel (Fe-20Mn-2Si). The dependence of the phase composition of the steel on the fatigue fracture surface on the value range of the stress intensity coefficient at the fatigue crack tip is determined.

Acknowledgement: The work was performed according to the state assignment for the IES UB RAS, theme No. AAAA-A18-118020790148-1. We express our gratitude to M. S. Khadyev, Ph.D., A. S. Patselov, and S. N. Sergeev for their assistance in conducting microstructural studies and X-ray diffraction analysis. Our thanks are also due to Prof. Yu. N. Simonov head of the Department of MHT PNRPU, for the opportunity to use the licensed SIAMS-700 program for quantitative metallographic analysis.

Keywords: microstructure, austenite, phase composition, strain-induces martensite, fatigue crack, plastic zone, cyclic fracture toughness, fracture microstructure

References:

Filippov M.A., Litvinov V.S., Nemirovskiy Yu.R. Stali s metastabilnym austenitom [Steels with metastable austenite]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1988. (In Russian).
Klevtsova N.A., Frolova O.A., Klevtsov G.V. Razrushenie austenitnykh staley i martensitnye prevrashcheniya v plasticheskikh zonakh [Fracture of Austenitic Steels and Martensitic Transformations in Plastic Zones]. Moscow, Izd-vo Akademii Estestvoznaniya Publ., 2005. (In Russian).
Ju Y.-B., Koyama M., Sawaguchi T., Tsuzaki K., Noguchi H. In situ microscopic observations of low-cycle fatigue-crackpropagation in high-Mn austenitic alloys with deformation-induced ε-martensitic transformation. Acta Materialia, 2016, No. 112, pp. 326–336. DOI: 10.1016/j.actamat.2016.04.042.
Hornbogen E. Martensitic transformation at a propagating crack. Acta Metallurgica, 1978, No. 26 (1), pp. 147–152. DOI: 10.1016/0001-6160(78)90211-0.
Bogachev I.N., Egolaev V.F. Struktura i svoystva zhelezomargantsevykh splavov [Structure and properties of Fe-Mn alloys]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1973. (In Russian).
Vintaykin E.Z. Martensite transformatons. Itogi Nauki i Tekhniki: Metallovedenie i termicheskaya obrabotka. T. 17 [Results of Science and Technology, Ser. Metal Science and Heat Treatment. Vol. 17]. Moscow, VINITI AN SSSR Publ., 1983, pp. 3–63. (In Russian).
Schumann H. Zeitschrift für Metallkunde, 1965, Bd. 56, Num. 3, s. 322–340.
Lysak L.I., Nikolin B.I. Fizicheskie osnovy termicheskoy obrabotki stali [Physical Basics of Steel Heat Treatment]. Kiev, Tekhnika Publ., 1975, 304 p. (In Russian).
Sokolov O.G., Katsov K.B. Zhelezomargantsevye splavy [Ferromanganese alloys]. Kiev, Nauk. Dumka Publ., 1982, 216 p. (In Russian).
Volynova T.F. Vysokomargantsevye stali i splavy [High Manganese Steels and Alloys]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1988, 343 p. (In Russian).
Georgieva I.Y., Gulyaev A.A., Kondrateva E.Y. Deformation twinning and mechanical properties of austenitic manganese steels. Metal Science and Heat Treatment, 1976, vol. 18 (7–8), pp. 723–726. DOI: 10.1007/BF00705115.
Zolotorevskij V.S. Mekhanicheskie svoystva metallov [Mechanical properties of metals]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1983, 352 p. (In Russian).
Panin V.E., Likhachev V.A., Grinyaev Yu.V. Strukturnye urovni deformatsii tverdykh tel [Structural levels of deformation of solids]. Novosibirsk, Nauka Publ., 1985, 229 p. (In Russian).
Malinov L.S., Harlanova E.Ya. Influence of alloying and preliminary deformation on the phase composition and mechanical properties of Fe-Mn alloys. Izv. AN SSSR. Metally. 1981, No. 6, pp. 141–147. (In Russian).
Ivanova B.C., Bot vina L.F., Saprykin Yu.V., Kozlov P.M. Structural-changes under fracture surface of Kh18N9T steel specimens. Fizika Metallov i Metallovedenie, 1975, vol. 39 (6), pp. 1251—1256. (In Russian).
Goritskiy V.M., Terent'ev V.F. Struktura i ustalostnoe razrushenie metallov [Structure and Disastrous Fatigue Failure of Metals]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1980, 208 p. (In Russian).
Botvina L.R. Kinetika razrusheniya konstruktsionnykh materialov [Fracture Kinetics of Construction Materials]. Moscow, Nauka Publ., 1989, 230 p. (In Russian).
Martin S., Wolf S., Martin U., Krüger L. Influence of temperature on phase transformation and deformation mechanisms of cast CrMnNi-TRIP/TWIP steel. Solid State Phenomena, 2011, vols 172–174, pp. 172–177. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.172-174.172. Available at: https://www.scientific.net/SSP.172-174.172
Martin S., Ullrich C., Rafaja D. Deformation of austenitic CrMnNi TRIP/TWIP steels: Nature and role of the Ɛ-martensite. Materials Today: Proceedings, 2015, vol. 2, suppl. 3, pp. S643–S646. DOI: 10.1016/j.matpr.2015.07.366.
Weidner А., Martin S., Klemm V., Martin U., Biermann H. Stacking faults in high-alloyed metastable austenitic cast steel observed by electron channelling contrast imaging. Scripta Materialia, 2011, pp. 513–516. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2010.11.028.
Weidner A., Biermann H. Microstructure evolution and phase transformation in a novel highalloyed TRIP steel observed during in-situ tensile and cyclic Deformation. Key Engineering Materials, 2011, No. 465, pp. 350–353. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.465.350.
Vinogradova A., Lazareva A., Linderova M., Weidnerb A., Biermannb H. Kinetics of deformation processes in high-alloyed cast transformation-induced plasticity/twinning-induced plasticity steels determined by acoustic emission and scanning electron microscopy: Influence of austenite stability on deformation mechanisms. Acta Materialia, 2013, No. 61 (7), pp. 2434–2449. DOI: 10.1016/j.actamat.2013.01.016.
Volkova E.G., Sagaradze V.V., Malygina I.Yu. Special Features of the Granular Structure of the Surface Zone in Pipe Steel 12kh18n12t. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2015, iss. 6, pp. 63–67. DOI: 10.17804/2410-9908.2015.6.063-067. Available at: https://dream-journal.org/DREAM_Issue_6_2015_Volkova_E.G._et_al._063_067.pdf
Pestrikov V.M. and Morozov E.M. Mekhanika razrusheniya. Kurs lektsii [Fracture Mechanics. Course of Lectures]. St. Petersburg, Izd-vo Professiya Publ., 2012, 552 p.

С. В. Гладковский, И. С. Каманцев, В. Е. Веселова, Ю. В. Худорожкова

МАРТЕНСИТНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ЗОНАХ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ МЕТАСТАБИЛЬНОЙ СТАЛИ 05Г20С2 НА ЦИКЛИЧЕСКУЮ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ

Методами рентгеноструктурного и EBSD – анализа, а также просвечивающей электронной микроскопии выявлены особенности фазовых и структурных превращений, развивающихся в зонах пластической деформации и разрушения при циклическом нагружении в метастабильной стали 05Г20С2. Определена зависимость фазового состава стали на поверхности усталостного излома от размаха коэффициента интенсивности напряжений в вершине усталостной трещины.

Благодарность: Работа выполнена в рамках государственного задания ИМАШ УрО РАН по теме № АААА-А18-118020790148-1. Авторы выражают благодарность к.т.н. Хадыеву М. С., к.ф.-м.н. Пацелову А. С. и Сергееву С. Н. за помощь в проведении микроструктурных исследований и рентгено-структурного анализа. Авторы выражают благодарность зав. кафедрой МТО ПНИПУ проф., д.т.н. Симонову Ю.Н. за предоставленную возможность использования лицензированной программы SIAMS-700 для проведения количественного металлографического анализа.

Ключевые слова: структура, фазовый состав, аустенит, мартенсит деформации, рост усталостной трещины, пластическая зона, циклическая трещиностойкость, строение изломов

Библиография:

Филиппов М. А., Литвинов В. С., Немировский Ю. Р. Стали с метастабильным аустенитом. – М. : Металлургия, 1988. – 256 с.
Клевцова Н. А., Фролова О. А., Клевцов Г. В. Разрушение аустенитных сталей и мартенситные превращения в пластических зонах. – М. : Изд-во Академии Естествознания, 2005. – 155 с.
In situ microscopic observations of low-cycle fatigue-crackpropagation in high-Mn austenitic alloys with deformation-induced ε-martensitic transformation / Y.-B. Ju, M. Koyama, T. Sawaguchi, K. Tsuzaki, H. Noguchi // Acta Materialia. – 2016. – No. 112. – P. 326–336. – DOI: 10.1016/j.actamat.2016.04.042.
Hornbogen E. Martensitic transformation at a propagating crack // Acta Metallurgica. – 1978. – No. 26 (1). – P. 147–152. – DOI:10.1016/0001-6160(78)90211-0.
Богачев И. Н., Еголаев В. Ф. Структура и свойства железомарганцевых сплавов. – М. : Металлургия, 1973. – 295 с.
Винтайкин Е. З. Мартенситные превращения // Итоги науки и техники : Серия «Металловедение и термическая обработка» / Гос. ком. Совета Министров СССР по науке и технике. ВИНИТИ, АН СССР. – Москва : 1972. – Т. 17. – 1983. – С. 3–63.
Schumann H. // Zeitschrift für metallkunde. – Bd. 56 (3). – 1965. – S. 322–340.
Лысак Л. И., Николин Б. И. Физические основы термической обработки стали. – Киев : Технiка, 1975. – 304 с.
Соколов О. Г., Кацов К. Б. Железомарганцевые сплавы. – Киев : Наук. думка, 1982. – 216 с.
Волынова Т. Ф. Высокомарганцевые стали и сплавы. – М. : Металлургия, 1988. – 343 с.
Georgieva I. Y., Gulyaev A. A., Kondrateva E. Y. Deformation twinning and mechanical properties of austenitic manganese steels // Metal Science and Heat Treatment. – 1976. – Vol. 18 (7–8). – P. 723–726. DOI: 10.1007/BF00705115.
Золоторевский В. С. Механические свойства металлов. – М. : Металлургия, 1983. – 352 с.
Панин В. Е., Лихачев В. А., Гриняев Ю. В. Структурные уровни деформации твердых тел. – Новосибирск : Наука, 1985. – 229 с.
Малинов Л. С., Харланова Е. Я. Влияние легирования и предварительной деформации на фазовый состав и механические свойства сплавов Fe-Mn // Изв. –АН СССР. Металлы. – 1981. – № 6. – С.141–147.
Структурные изменения под поверхностью разрушения образцов из стали Х18Н9Т / B. C. Иванова, Л. Р. Ботвина, Ю. В. Сапрыкин, П. М. Козлов // ФММ. – 1975. – Т. 39, вып. 6. – С. 1251–1256.
Горицкий В. М., Терентьев В. Ф. Структура и усталостное разрушение металлов. – М. : Металлургия, 1980. – 208 с.
Ботвина Л. Р. Кинетика разрушения конструкционных материалов. – M. : Наука,1989. – 230 с.
Influence of temperature on phase transformation and deformation mechanisms of cast CrMnNi-TRIP/TWIP steel / S. Martin, S. Wolf, U. Martin, L. Krüger // Solid State Phenomena. – 2011. – Vols. 172–174. – P. 172–177. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.172-174.172. – URL: https://www.scientific.net/SSP.172-174.172
Martin S., Ullrich C., Rafaja D. Deformation of austenitic CrMnNi TRIP/TWIP steels:Nature and role of the Ɛ-martensite // Materials Today : Proceedings. – 2015. – P. 643–646. – DOI: 10.1016/j.matpr.2015.07.366.
Stacking faults in high-alloyed metastable austenitic cast steel observed by electron channelling contrast imaging / А.Weidner, S. Martin, V. Klemm, U. Martin, H. Biermann // Scripta Materialia. – 2011. – P. 513–516. DOI: –10.1016/j.scriptamat.2010.11.028
Weidner A., Biermann H. Microstructure evolution and phase transformation in a novel highalloyed TRIP steel observed during in-situ tensile and cyclic Deformation // Key Engineering Materials. – 2011. – No. 465. – P. 350–353. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.465.350.
Kinetics of deformation processes in high-alloyed cast transformation-induced plasticity/twinning-induced plasticity steels determined by acoustic emission and scanning electron microscopy: Influence of austenite stability on deformation mechanisms / A. Vinogradova, A. Lazareva, M. Linderova, A. Weidnerb, H. Biermannb // Acta Materialia. – 2013. – No. 61 (7). – P. 2434–2449. – DOI: 10.1016/j.actamat.2013.01.016.
Volkova E. G., Sagaradze V. V., Malygina I. Yu. Special Features of the Granular Structure of the Surface Zone in Pipe Steel 12kh18n12t // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2015. – Iss. 6. – P. 63–67. – DOI: 10.17804/2410-9908.2015.6.063-067. – URL: https://dream-journal.org/DREAM_Issue_6_2015_Volkova_E.G._et_al._063_067.pdf
Пестриков В. М., Морозов Е. М. Механика разрушения : курс лекций. – СПб. : Изд-во Профессия, 2012. – 552 с.

Библиографическая ссылка на статью

Martensitic Transformations in Plastic and Fracture Zones of the 05g20s2 Metastable Steel During Cyclic Tests / S. V. Gladkovsky, I. S. Kamantsev, V. E. Veselova, Yu. V. Khudorozhkova // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2022. - Iss. 1. - P. 25-37. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2022.1.025-037. -
URL: http://dream-journal.org/issues/2022-1/2022-1_354.html
(accessed: 21.12.2024).