Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Đánh giá ảnh hưởng của điều trị cryogenic nông đến tính chất ma sát và vi cấu trúc của thép mangan cao
International Journal of Metalcasting - Trang 1-12 - 2023
Tóm tắt
Mục tiêu của nghiên cứu này là điều tra ảnh hưởng của điều trị cryogenic nông đến tính chất cơ học và tiến hóa vi cấu trúc của một loại thép Hadfield với thành phần hóa học là (Fe-12Mn-1.2C). Một phôi thép đã được sản xuất bằng kỹ thuật đúc và xử lý nhiệt bằng cách austenit hóa ở 1050 °C trong 1 giờ, sau đó nhanh chóng làm nguội đến nhiệt độ phòng. Các mẫu được cắt từ phôi thép đã được xử lý nhiệt và chia thành ba bộ: H (không có xử lý thêm), HD (biến dạng 5%), và HDC (điều trị cryogenic ở −80 °C trong 2 giờ sau biến dạng). Các phép đo đặc trưng vi cấu trúc được thực hiện bằng kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử quét, và kính hiển vi điện tử truyền qua. X-ray nhiễu xạ được sử dụng để nhận diện các pha và carbide hình thành, cũng như xác định mật độ đứt gãy, kích thước tinh thể, giá trị biến dạng lưới, và hệ số kết cấu. Các mối quan hệ giữa lỗi xếp chồng và mật độ đứt gãy được điều tra, và tỷ lệ mài mòn cùng hệ số ma sát của các mẫu được tính toán. Các kết quả cho thấy rằng điều trị cryogenic và biến dạng đã gây ra sự sinh đôi cơ học, biến đổi austenite thành martensite α′(BCT), thay đổi hình dạng của carbide loại MC, và tăng mật độ đứt gãy lên khoảng 50%. Các lỗi xếp chồng rõ ràng hơn ở các mẫu được điều trị cryogenic, và giá trị biến dạng của các mặt phẳng tính toán bằng phân tích XRD là cao ở các mẫu đã được điều trị cryogenic. Tỷ lệ mài mòn của mẫu HDC cải thiện khoảng 20% so với mẫu H. Những phát hiện này cung cấp cái nhìn quan trọng về những thay đổi cấu trúc của thép mangan cao và có thể góp phần vào việc phát triển các vật liệu mới với tính chất cải thiện.
Từ khóa
#thép mangan cao #điều trị cryogenic #tính chất cơ học #vi cấu trúc #tỷ lệ mài mònTài liệu tham khảo
R. Harzallah, A. Mouftie, E. Felder, S. Harir, J.P. Maujean, Rolling contact fatigue of Hadfield steel X120Mn12. Wear 269(9–10), 647–654 (2010). https://doi.org/10.1016/j.wear.2010.07.001
D.V. Lychagin, A.V. Filippov, O.S. Novitskaia, Y.I. Chumlyakov, E.A. Kolubaev, O.V. Sizova, Friction-induced slip band relief of-Hadfield steel single crystal oriented for multiple slip deformation. Wear 374, 5–14 (2017). https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.12.028
A.K. Srivastava, K. Das, Microstructural characterization of Hadfield austenitic manganese steel. J. Mater. Sci. 43(16), 5654–5658 (2008). https://doi.org/10.1007/s10853-008-2759-y
C.H. Desch (1941). Robert Abbott Hadfield, 1858-1940. doi https://doi.org/10.1098/rsbm.1941.0027
M. Sabzi, M. Farzam, Hadfield manganese austenitic steel: a review of manufacturing processes and properties. Mater. Res. Express 6(10), 1065c2 (2019). https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab3ee3
M.K. El-Fawkhry, A.M. Fathy, M.M. Eissa, H. El-Faramway, Eliminating heat treatment of Hadfield steel in stress abrasion wear applications. Int. J. Met. 8(1), 29–36 (2014). https://doi.org/10.1007/BF03355569
M. Azadi, A.M. Pazuki, M.J. Olya, The effect of new double solution heat treatment on the High manganese Hadfield steel properties. Metall. Micros. Anlys 7(5), 618–626 (2018). https://doi.org/10.1007/s13632-018-0471-0
T.S. Wang, B. Lu, M. Zhang, R.J. Hou, F.C. Zhang, Nanocrystallization and α martensite formation in the surface layer of medium-manganese austenitic wear-resistant steel caused by shot peening. Mater. Sci. Eng. A 458(1–2), 249–252 (2007). https://doi.org/10.1016/j.msea.2006.12.066
R.W. Smith, A. DeMonte, W.B.F. Mackay, Development of high-manganese steels for heavy duty cast-to-shape applications. J. Mater. Process. Technol 211(4), 784–784 (2011). https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2010.11.016
D.L. Johannsen, A. Kyrolainen, P.J. Ferreira, Influence of annealing treatment on the formation of nano/submicron grain size AISI 301 austenitic stainless steels. Metall. Mater. Trans. A 37(8), 2325–2338 (2006). https://doi.org/10.1007/BF02586207
J. Jung, J.I. Yoon, J.G. Kim, M.I. Latypov, J.Y. Kim, H.S. Kim, Continuum understanding of twin formation near grain boundaries of FCC metals with low stacking fault energy. npj Computat. Mater. (2017). https://doi.org/10.1038/s41524-017-0023-1
S. Mahajan, G.Y. Chin, Formation of deformation twins in fcc crystals. Acta Metall. 21(10), 1353–1363 (1973). https://doi.org/10.1016/0001-6160(73)90085-0
S. Wei, L. Xu, Review on research progress of steel and iron wear-resistant materials. Acta Metall. Sın. 56(4), 523–538 (2019). https://doi.org/10.11900/0412.1961.2019.00370
B. Avishan, R. Karimkhani Shamloo, E. Akbarzadeh Chiniforoush, S. Yazdani, Ultrafine carbide-free bainite in high-carbon steel after continuous annealing with different cooling rates. J. Mater. Eng. Perform. 32, 1–10 (2022). https://doi.org/10.1007/s11665-022-07446-4
W. Yan, L. Fang, K. Sun, Y. Xu, Effect of surface work hardening on wear behavior of Hadfield steel. Mater. Sci. Eng. A 460, 542–549 (2007). https://doi.org/10.1016/j.msea.2007.02.094
M.M. Khruschov, Principles of abrasive wear. Wear 28(1), 69–88 (1974). https://doi.org/10.1016/0043-1648(74)90102-1
M. Lindroos, K. Valtonen, A. Kemppainen, A. Laukkanen, K. Holmberg, V.T. Kuokkala, Wear behavior and work hardening of high strength steels in high stress abrasion. Wear 322, 32–40 (2015). https://doi.org/10.1016/j.wear.2014.10.018
W.S. Owen, M. Grujicic, Strain aging of austenitic Hadfield manganese steel. Acta Mater. 47(1), 111–126 (1998). https://doi.org/10.1016/S1359-6454(98)00347-4
G. Altuntaş, O. Altuntaş, M.K. Öztürk, B. Bostan, Metallurgical and crystallographic analysis of different amounts of deformation applied to hadfield steel. Int. J. Metalcast. 962, 1–10 (2022). https://doi.org/10.1007/s40962-022-00860-3
P.R. Rao, V.V. Kutumbarao, Developments in austenitic steels containing manganese. Int. Mater. Rev 34(1), 69–92 (1989). https://doi.org/10.1179/imr.1989.34.1.69
V.N. Najafabadi, K. Amini, M.B. Alamdarlo, Investigating the effect of titanium addition on the wear resistance of Hadfield steel. Metall. Res. Technol. 111(6), 375–382 (2014). https://doi.org/10.1051/metal/2014044
D.H. Jeong, S.G. Lee, J.Y. Yoo, J.S. Lee, S. Kim, Comparative studies on near-threshold fatigue crack propagation behavior of high manganese steels at room and cryogenic temperatures. Mater. Charact 10, 28–36 (2015). https://doi.org/10.1016/j.matchar.2015.03.012
L.G. Korshunov, V.V. Sagaradze, N.L. Chernenko, Structural and phase transformations in Hadfield steel upon frictional loading in liquid nitrogen. Phys Met Metallogr 117(8), 828–833 (2016). https://doi.org/10.1134/S0031918X16080068
H. Kim, J. Park, J.E. Jung, S.S. Sohn, S. Lee, Interpretation of cryogenic-temperature Charpy fracture initiation and propagation energies by microstructural evolution occurring during dynamic compressive test of austenitic Fe–(0.4, 1.0) C–18Mn steels. Mater. Sci. Eng. A 641, 340–347 (2015). https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.05.095
D. Qi-Xun, W. An-Dong, C. Xiao-Nong, L. Xin-Min, Stacking fault energy of cryogenic austenitic steels. Chin. Phys. 11(6), 596 (2002). https://doi.org/10.1088/1009-1963/11/6/315
M.N. Yoozbashi, S. Yazdani, T.S. Wang, Design of a new nanostructured, high-Si bainitic steel with lower cost production. Mater. Des 32(6), 3248–3253 (2011). https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.02.031
R.F. Barron, Cryogenic treatment of metals to improve wear resistance. Cryogenics 22(8), 409–413 (1982). https://doi.org/10.1016/0011-2275(82)90085-6
Zurecki, Z. (2005) Cryogenic quenching of steel revisited. In Heat Treating: Proceedings of the 23rd ASM Heat Treating Society Conference.
J.D. Darwin, D.M. Lal, G. Nagarajan, Optimization of cryogenic treatment to maximize the wear resistance of 18% Cr martensitic stainless steel by Taguchi method. J. Mater. Process. Technol 195(1–3), 241–247 (2008). https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2007.05.005
E. Curiel-Reyna, J. Contreras, T. Rangel-Ortis, A. Herrera, L. Baños, A.D. Real, M.E. Rodríguez, Effect of carbide precipitation on the structure and hardness in the heat-affected zone of Hadfield steel after post-cooling treatments. Mater. Manuf. Process 23(1), 14–20 (2007). https://doi.org/10.1080/10426910701524352
S. Ayadi, A. Hadji, Effect of chemical composition and heat treatments on the microstructure and wear behavior of manganese steel. Int. J. Metalcast. 15(2), 510–519 (2021). https://doi.org/10.1007/s40962-020-00479-2
R. Zellagui, L. Hemmouche, H. Ait-Sadi, A. Chelli, Effect of element addition, microstructure characteristics, mechanical properties, machining and welding processes of the hadfield austenitic manganese steel. Arch. Metall. Mater. 67(1), 863–868 (2022). https://doi.org/10.24425/amm.2022.139676
R. Zellagui, L. Hemmouche, H. Bouchafaa, R. Belrechid, H. Aitsadi, A. Chelli, N. Djalleb, Effect of heat treatments on the microstructure, mechanical, wear and corrosion resistance of casted hadfield steel. Int. J. Metalcast. 16(4), 2050–2064 (2022). https://doi.org/10.1007/s40962-021-00751-z
R.P. Reed, M. Golda, Cryogenics 37, 233 (1997). https://doi.org/10.1016/S0011-2275(97)00004-0
A. Bensely, A. Prabhakaran, D.M. Lal, G. Nagarajan, Cryogenics 45, 747 (2005). https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2005.10.004
D. Hull, D.J. Bacon (2001). Introduction to Dislocations.
B. Roy, N.K. Kumar, P.M.G. Nambissan, J. Das, Evolution and interaction of twins, dislocations and stacking faults in rolled α-brass during nanostructuring at sub-zero temperature. AIP Adv. 4(6), 067101 (2014). https://doi.org/10.1063/1.4881376
J.W. Martin, Micromechanisms in particle-hardened alloys (Cambridge University, Cambridge, 1980)
M.J. Whelan, P.B. Hirsch, R.W. Horne, W. Bollmann, Dislocations and stacking faults in stainless steel. Proc. Royal Soc. Lond. Ser. A Math. Phys. Sci. 240(1223), 524–538 (1957)
H. Schumann, K. Goodknecht, Pecularities in the structure of coldworked and annealed manganese steel. Prakt. Metall. 4(4), 178–180 (1967). https://doi.org/10.1515/pm-1967-040404
H.K.D.H. Bhadeshia, Cementite. Int. Mater. Rev. 65(1), 1–27 (2020)
N.C. Halder, C.N. Wagner, Separation of particle size and lattice strain in integral breadth measurements. Acta Cryst. 20(2), 312–313 (1966). https://doi.org/10.1107/S0365110X66000628
K.M. Rahman, V.A. Vorontsov, D. Dye, The effect of grain size on the twin initiation stress in a TWIP steel. Acta Mater. 89, 247–257 (2015). https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.02.008
G.B.X. Harris, Quantitative measurement of preferred orientation in rolled uranium bars. Lond. Edinb. Dublin Philos. Mag. J. Sci. 43(336), 113–123 (1952). https://doi.org/10.1080/14786440108520972
R.E. Smallman, Modern phys. Metall. 4(1), 355–491 (2016)
R. Xiong, H. Peng, S. Wang, H. Si, Y. Wen, Effect of stacking fault energy on work hardening behaviors in Fe–Mn–Si–C high manganese steels by varying silicon and carbon contents. Mater. Des 85, 707–714 (2015). https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.07.072
Y. Wang, C. Song, R. Song, Z. Ma, T. Taylor, Size effect of impact abrasive particles on wear and surface hardening behavior of high-manganese steel. Acta Metall. Sın. 1, 1–11 (2023). https://doi.org/10.1007/s40195-023-01540-9
T.S. Byun, On the stress dependence of partial dislocation separation and deformation microstructure in austenitic stainless steels. Acta Mater. 51(11), 3063–3071 (2003). https://doi.org/10.1016/S1359-6454(03)00117-4
H. Idrissi, L. Ryelandt, M. Veron, D. Schryvers, P.J. Jacques, Is there a relationship between the stacking fault character and the activated mode of plasticity of Fe-Mn-based austenitic steels? Scr. Mater 60(11), 941–944 (2009). https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2009.01.040
Q. Luo, M. Kitchen, J. Li, W. Li, Y. Li, Experimental investigation on the spalling failure of a railway turnout made from Hadfield steel. Wear 523, 204779 (2023). https://doi.org/10.1016/j.wear.2023.204779
S. Sevsek, C. Haase, W. Bleck, Strain-rate-dependent deformation behavior and mechanical properties of a multi-phase medium-manganese steel. Metals 9(3), 344 (2019). https://doi.org/10.3390/met9030344
A. Razavykia, C. Delprete, P. Baldissera, Correlation between microstructural alteration, mechanical properties and manufacturability after cryogenic treatment: A review. Mater. 12(20), 3302 (2019). https://doi.org/10.3390/ma12203302
A.R. Chintha, Metallurgical aspects of steels designed to resist abrasion, and impact-abrasion wear. Mater. Sci. Technol 35(10), 1133–1148 (2019). https://doi.org/10.1080/02670836.2019.1615669
R. Jacob, S.R. Sankaranarayanan, S.K. Babu, Recent advancements in manganese steels–A review. Mater. Today Proc. 27, 2852–2858 (2020). https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.01.296
J. Archard, Contact and rubbing of flat surfaces. J. Appl. Phys. 24(8), 981–988 (1953). https://doi.org/10.1063/1.1721448
L. Chen, Y. Zhao, X. Qin, Some aspects of high manganese twinning-induced plasticity (TWIP) steel, a review. Acta Metall. Sin. (Eng. Lett.) 26, 1–15 (2013). https://doi.org/10.1007/s40195-012-0501-x
M.N. Shiekhelsouk, V. Favier, K. Inal, M. Cherkaoui, Modelling the behaviour of polycrystalline austenitic steel with twinning-induced plasticity effect. Int. J. Plast. 25(1), 105–133 (2009). https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2007.11.004
M. Soleimani, A. Kalhor, H. Mirzadeh, Transformation-induced plasticity (TRIP) in advanced steels: a review. Mater. Sci. Eng. A 795, 140023 (2020). https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140023
R. Diekman, Deep cryogenic treatment. Therm. Process. Gear Solut. 2, 52–55 (2013)
T. Sonar, S. Lomte, C. Gogte, Cryogenic treatment of metal–a review. Mater. Today Proc. 5(11), 25219–25228 (2018). https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.10.324
A. Razavykia, C. Delprete, P. Baldissera, Correlation between microstructural alteration, mechanical properties and manufacturability after cryogenic treatment: a review. Materials 12(20), 3302 (2019). https://doi.org/10.3390/ma12203302
E.G. Moghaddam, N. Varahram, P. Davami, On the comparison of microstructural characteristics and mechanical properties of high-vanadium austenitic manganese steels with the Hadfield steel. Mater. Sci. Eng. A 532, 260–266 (2012). https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.10.089