Effect of Frictional Treatment of the Aisi 321 Steel on the Change of Its Hardness and Magnetic Characteristics

E. A. Putilova; L. S. Goruleva; S. M. Zadvorkin

doi:10.17804/2410-9908.2022.5.040-049

E. A. Putilova, L. S. Goruleva, S. M. Zadvorkin

EFFECT OF FRICTIONAL TREATMENT OF THE AISI 321 STEEL ON THE CHANGE OF ITS HARDNESS AND MAGNETIC CHARACTERISTICS

DOI: 10.17804/2410-9908.2022.5.040-049

The friction treatment of corrosion-resistant metastable steels makes it possible to improve the strength properties and operational characteristics of such materials. This is mainly due to the formation of strain-induced martensite, a stronger ferromagnetic phase, in the surface layer. Besides, modification of the phase composition changes the magnetic state of the material. The paper presents the results of the effect of varying the normal load of the indenter during surface friction treatment on the change in the phase composition and the magnetic characteristics of the AISI 321 steel. The amount of the formed ferromagnetic phase and hardness are related to the normal load of the indenter. It is shown that magnetization can be used as an informative parameter for diagnosing the formation of strain-induced martensite during the friction treatment of the AISI 321 steel.

Acknowledgement: The work was performed under state assignment no. AAAA-A18-118020790148-1. The equipment of the Plastometriya shared research facilities.

Keywords: friction treatment, metastable corrosion-resistant austenitic steel, strain-induced martensite, specific magnetization, magnetic hysteresis loops

References:

Gol'dshtejn M.I., Grachev S.V., Veksler Yu.G. Spetsial'nye stali [Special steels]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1985, 408 p. (In Russian).
Lo K.H., Shek C.H., Lai J. Recent developments in stainless steels. Materials Science and Engineering: R: Reports, 2009, vol. 65, No. 4, pp. 39–104. DOI: 10.1016/J.MSER.2009.03.001.
Eskandari M.A., 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, pp. 2241–2249. DOI: 10.1007/S11661-009-9916-Z.
Arzamasov B.N., Sidorin I.I., Kosolapov G.F., Makarova V.I., Mukhin G.G., Ryzhov N.M., Silaeva V.I., and Ul’yanova N.V. Materialovedenie: uchebnik dlya vysshikh tekhnicheskikh uchebnykh zavedenii [Materials Science: Handbook for Technological Colleges]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1986. (In Russian).
Pradhan K.K., Matawale C.R., Murarka S. Analysis of erosion-corrosion resistance and various application in domestic and industrial field of stainless steel grade. International Journal of Research (IJR), 2015, vol. 2, iss. 4, pp. 807–811.
Novikov I.I. Teoriya termicheskoj obrabotki metallov, 2-e izd. [Theory of heat treatment of metals, 2nd ed.]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1974. 400 p. (In Russian).
Gulyaev A.P. Materials Science: A Textbook for Institutes of Higher Education, 6th ed., Metallurgiya, Moscow, 1986. (In Russian).
Wu Y., Guelorget B., Sun Z., Déturche R., Retraint D. Characterization of gradient properties generated by SMAT for a biomedical grade 316L stainless steel. Materials Characterization, 2019, vol. 155, 109788. DOI: 10.1016/j.matchar.2019.109788.
Makarov A.V., Savray R.A., Skorynina P.A., Volkova E.G. Development of Methods for Steel Surface Deformation Nanostructuring. Metal Science and Heat Treatment, 2020, vol. 62, pp. 61–69. DOI: 10.1007/s11041-020-00529-w.
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. International Journal of Fatigue, 2002, vol. 24, iss. 8, pp. 877–886. DOI: 10.1016/S0142-1123(01)00205-5.
De los Rios E.R., Walley A., Milan M.T., Hammersley G. Fatigue crack initiation and propagation on shot-peened surfaces in A316 stainless steel. International Journal of Fatigue, 1995, vol. 17, iss 7, pp. 493–499. DOI: 10.1016/0142-1123(95)00044-T.
Kermouche G., Pacquaut G., Langlade C., Bergheau J. Investigation of mechanically attrited structures induced by repeated impacts on an AISI1045 steel. Comptes Rendus Mécanique, 2011, vol. 339, iss 7–8, pp. 552–562. DOI: 10.1016/J.CRME.2011.05.012.
Lu K., Lu J. Nanostructured surface layer on metallic materials induced by surface mechanical attrition treatment. Materials Science and Engineering: A, 2004, vol. 375–377, pp. 38–45. DOI: 10.1016/J.MSEA.2003.10.261.
Makarov A.V. Nanostructuring Friction Treatment of Carbon and Low-Alloyed Steels. In: Perspektivnye materialy: Uchebnoe posobie [Perspective Materials, vol. 4: A Tutorial]. Merson, D.L., ed., Tolyatti, TGU Publ., 2011, pp. 123–207. (In Russian).
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. Materials Science and Engineering: A, 2021, vol. 802, 140679. DOI: 10.1016/j.msea.2020.140679.
Savrai R.A., Kolobylin, Y.M. & Volkova E.G. Micromechanical Characteristics of the Surface Layer of Metastable Austenitic Steel after Frictional Treatment. Phys. Metals Metallogr, 2021, vol. 122, No. 8, pp. 800–806. DOI: 10.1134/S0031918X21080123.
Savrai R.A., Makarov A.V., Malygina I.Yu., Rogovaya S.A., Osintseva A.L. Improving the Strength of the AISI 321 Austenitic Stainless Steel by Frictional Treatment. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2017, iss.5. Available at: http://dream-journal.org/DREAM_Issue_5_2017_Savrai_R.A._et_al._043_062.pdf (accessed 21.04.2022). DOI: 10.17804/2410-9908.2017.5.043-062.
Rusakov A.A. Rentgenografiya metallov [Radiography of metals]. Moscow, Atomizdat Publ., 1977, 480 p. (In Russian).
Dorofeev A.L. Vikhrevye toki [Eddy currents]. Moscow, Energiya Publ., 1977, 72 p. (In Russian).
Gorkunov É.S., Zadvorkin S.M., Mitropolskaya S.Yu., Vichuzhanin D.I., Solov’ev K.E. Change in magnetic properties of metastable austenitic steel due to elastoplastic deformation. Metal Science and Heat Treatment, 2009, vol. 51, pp. 423–428. DOI:10.1007/S11041-010-9185-X.
Filippov M.A., Litvinov V.S., Nemirovskij Yu. R. Stali s metastabil'nym austenitom [Steels with metastable austenite]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1988, 255 p. (In Russian).

$Fig. 2. X-ray diffraction patterns for the AISI 321 steel: in the initial state (a), after friction treatment at a normal indenter load of 10 kg (b), and after friction treatment at a normal indenter load of 40 kg (c)$

Е. А. Путилова, Л. С. Горулева, С. М. Задворкин

ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ ФРИКЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ НА ТВЕРДОСТЬ И МАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАЛИ AISI 321

Фрикционная обработка коррозионностойких метастабильных аустенитных сталей позволяет добиться улучшения прочностных свойств и эксплуатационных характеристик подобных материалов. В основном этот результат достигается благодаря образованию в поверхностном слое более прочной ферромагнитной фазы – мартенсита деформации. При этом изменение фазового состава приводит также к изменению магнитного состояния материала. В статье приведены результаты влияния варьирования нормальной нагрузки на индентор при поверхностной фрикционной обработке на изменение фазового состава, твердости и уровня магнитных характеристик стали AISI 321. Установлены зависимости количества образовавшейся ферромагнитной фазы и твердости от нормальной нагрузки на индентор. Показано, что удельная намагниченность может быть использована в качестве информативного параметра для диагностики образования мартенсита деформации в процессе фрикционной поверхностной обработки стали AISI 321.

Благодарность: Работа выполнена в рамках государственного задания № государственной регистрации АААА-А18-118020790148-1. При проведении исследований использовано оборудование ЦКП «Пластометрия».

Ключевые слова: фрикционная обработка, коррозионностойкая метастабильная аустенитная сталь, мартенсит деформации, удельная намагниченность, петли магнитного гистерезиса

Библиография:

Гольдштейн М. И., Грачев С. В., Векслер Ю. Г. Специальные стали. – М. : Металлургия, 1985. – 408 с.
Lo K. H., Shek C. H., Lai J. Recent developments in stainless steels // Materials Science and Engineering: R: Reports. – 2009. – Vol. 65, No. 4. – P. 39–104. DOI: 10.1016/J.MSER.2009.03.001.
Eskandari M. A., Kermanpur A., Najafizadeh A. Formation of naNo.crystalline 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.
Материаловедение : учебник для высших технических учебных заведений / Б. Н. Арзамасов, И. Сидорин, Г. Косолапов, В. Макарова, Г. Мухин, Н. Рыжов, В. Силаева, Н. Ульянова – М. : Машиностроение, 1986. – 384 с.
Pradhan K. K., Matawale C. R., Murarka S. Analysis of erosion-corrosion resistance and Various Application in domestic and Industrial field of Stainless Steel Grade 304 // International Journal of Research (IJR). – 2015. – Vol. 2, iss. 4 – P. 807–811.
Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. – 2-е изд. – М. : Металлургия, 1974. – 400 с.
Гуляев А. П. Металловедение : учебник для втузов. – 6-е изд. – М. : Металлургия, 1986. – 544 с.
Characterization of gradient properties generated by SMAT for a biomedical grade 316L stainless steel / Y. Wu, B. Guelorget, Z. Sun, R. Déturche, D. Retraint // Materials Characterization. – 2019. – Vol. 155. – 109788. – DOI: 10.1016/j.matchar.2019.109788.
Развитие методов поверхностного деформационного наноструктурирования сталей / А. В. Макаров, Р. А. Саврай, П. А. Скорынина, Е. Г. Волкова // МиТОМ. – 2020. – № 1 (775). – С. 62–69. – DOI: 10.30906/mitom.2020.1.62-69.
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 // International Journal of Fatigue. – 2002. – Vol. 24. iss 8. – P. 877–886. – DOI: 10.1016/S0142-1123(01)00205-5.
Fatigue crack initiation and propagation on shot-peened surfaces in A316 stainless steel / E. R. de los Rios, A. Walley, M. T. Milan, G. Hammersley // International Journal of Fatigue. – 1995. – Vol. 17. iss 7. – P. 493–499. – DOI: 10.1016/0142-1123(95)00044-T.
Investigation of mechanically attrited structures induced by repeated impacts on an AISI1045 steel / G. Kermouche, G. Pacquaut, C. Langlade, Jean-Michel Bergheau // Comptes Rendus Mécanique. – 2011. – Vol. 339, iss. 7–8. – P. 552–562. – DOI: 10.1016/J.CRME.2011.05.012.
Lu K., Lu J. Nanostructured surface layer on metallic materials induced by surface mechanical attrition treatment // Materials Science and Engineering: A. – 2004. – Vol. 375–377. – P. 38–45. – DOI: 10.1016/J.MSEA.2003.10.261.
Макаров А. В. Наноструктурирующая фрикционная обработка углеродистых и низколегированных сталей // Перспективные материалы : учеб. пособие / под ред. Д. Л. Мерсона. – Тольятти, ТГУ, 2011. – C. 123–208. – Т. IV.
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 // Materials Science and Engineering: A. – 2021. – Vol. 802. – 140679. – DOI: 10.1016/j.msea.2020.140679.
Savrai R. A., Kolobylin Y. M. & Volkova E. G. Micromechanical Characteristics of the Surface Layer of Metastable Austenitic Steel after Frictional Treatment // Phys. Metals Metallogr. – 2021. – Vol. 122, No. 8. – P. 800–806. – DOI: 10.1134/S0031918X21080123.
Improving the Strength of the AISI 321 Austenitic Stainless Steel by Frictional Treatment / R. A. Savrai, A. V. Makarov, I. Yu. Malygina, S. A. Rogovaya, A. L. Osintseva // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2017. – Iss. 5. – URL: http://dream-journal.org/DREAM_Issue_5_2017_Savrai_R.A._et_al._043_062.pdf (accessed 21.04.2022). – DOI: 10.17804/2410-9908.2017.5.043-062.
Русаков А. А. Рентгенография металлов. – М. : Атомиздат, 1977. – 480 с.
Дорофеев А. Л. Вихревые токи. – М. : Энергия, 1977. – 72 с.
Change in magnetic properties of metastable austenitic steel due to elastoplastic deformation / É. S. Gorkunov, S. M. Zadvorkin, S. Yu. Mitropolskaya, D. I. Vichuzhanin, K. E. Solov’ev // Metal Science and Heat Treatment. – 2009. – Vol. 51. – P. 423–428. – DOI:10.1007/S11041-010-9185-X.
Филиппов М. А., Литвинов В. С., Немировский Ю. Р. Стали с метастабильным аустенитом. – М. : Металлургия, 1988. – 255 с.

Библиографическая ссылка на статью

Putilova E. A., Goruleva L. S., Zadvorkin S. M. Effect of Frictional Treatment of the Aisi 321 Steel on the Change of Its Hardness and Magnetic Characteristics // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2022. - Iss. 5. - P. 40-49. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2022.5.040-049. -
URL: http://dream-journal.org/issues/2022-5/2022-5_364.html
(accessed: 21.12.2024).