Розробка сплава сталі Fe-11Al-xMN за кріогенних температур

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.243236

Ключові слова:

Fe-11Al-Mn, мікроструктура, механічні характеристики, удар, корозійна стійкість, кріогенна температура

Анотація

Дане дослідження спрямоване на підвищення надійності Fe-11Al-Mn за рахунок поєднання властивостей Mn та переваги Fe-Al-C при кріогенних температурах. Було досліджено три сплави Fe-11Al-Mn із складами 15 масових % Mn (F15), 20 масових % Mn (F20) та 25 масових % Mn (F25). У кріогенному процесі використовують рідкий азот у діапазоні температур 0–196 °C. Для аналізу мікроструктури використовували випробування на твердість з використанням методу Віккерса та електронного скануючого мікроскопа. Випробування дифракції рентгенівських променів були проведені для підтвердження наявності фази сплаву Fe-11Al-Mn, а випробування на корозію були проведені з використанням методу поляризації триелектродного осередку. При додаванні Mn твердість по Віккерс сплаву Fe-11Al-Mn знизилася з 331,50 VHN при 15 масових % до 297,91 VHN при 25 масових %. Значення міцності на розрив та відносного подовження при розриві склали 742,21 МПа, 35,3 % EI; 789,03 МПа, 41,2 % EI; та 894,42 МПа, 50,2 % EI, для F15, F20 та F25 відповідно. Важливим фактором покращення характеристик кріогенних матеріалів є ударний механізм. В результаті ударна в'язкість збільшилася на 2,85 Дж/мм2 до 3,30 Дж/мм2 F.15 і F25 відповідно. Додавання елемента Mn підвищує корозійну стійкість металу Fe-11Al-Mn. Найнижча швидкість корозії спостерігається масою від 25 % Mn до 0,016 мм/год. Згідно з результатами, сплав F25 має найвищу механічну та корозійну стійкість із трьох типів сплавів, еквівалентних нержавіючої сталі SS 304. Мікроструктура сплаву Fe-11Al-Mn була аналогічною до та після кріогенної температурної обробки, ця умова показала, що мікроструктура не змінилася під час процесу. Судячи із загальних результатів, сплав Fa-11Al-Mn є перспективним кандидатом для застосування в матеріалах, що працюють при кріогенних температурах, за рахунок оптимізації вмісту Mn

Біографії авторів

Ratna Kartikasari, Institut Teknologi Nasional Yogyakarta

Doctor of Mechanical Engineering, Associate Professor

Department of Mechanical Engineering

Adi Subardi, Institut Teknologi Nasional Yogyakarta

Doctor of Materials Science and Engineering, Assistance Professor

Department of Mechanical Engineering

Andy Erwin Wijaya, Institut Teknologi Nasional Yogyakarta

Doctor of Mines Engineering, Assistance Professor

Department of Mines Engineering

Посилання

  1. Qiu, Y., Yang, H., Tong, L., Wang, L. (2021). Research Progress of Cryogenic Materials for Storage and Transportation of Liquid Hydrogen. Metals, 11 (7), 1101. doi: https://doi.org/10.3390/met11071101
  2. Gao, L., Yang, L., Qian, S., Tang, Z., Qin, F., Wei, Q. et. al. (2016). Cryosurgery would be An Effective Option for Clinically Localized Prostate Cancer: A Meta-analysis and Systematic Review. Scientific Reports, 6 (1). doi: https://doi.org/10.1038/srep27490
  3. Tjong, S. C. (1986). Stress corrosion cracking behaviour of the duplex Fe-10Al-29Mn-0.4C alloy in 20% NaCl solution at 100° C. Journal of Materials Science, 21 (4), 1166–1170. doi: https://doi.org/10.1007/bf00553248
  4. Kartikasari, R., Subardi, A., Wijaya, A. E. (2021). Development of Fe-5Al-1C alloys for grinding ball. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (12 (109)), 29–35. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.225421
  5. Shackelford, J. K. (1992). Introduction to Material Science for Engineers. New York: McMillan Publishing Company.
  6. Zimmer, J. M., Bailey, W. D. (2006). Pat. No. US4865662A. Aluminum-manganese-iron stainless steel alloy. No. 164,055; declareted: 03.03.1988; published: 12.09.1989. Available at: https://patentimages.storage.googleapis.com/7b/f1/c8/d968e628ccaeeb/US4865662.pdf
  7. Frommeyer, G., Drewes, E. J., Engl, B. (2000). Physical and mechanical properties of iron-aluminium-(Mn, Si) lightweight steels. Revue de Métallurgie, 97 (10), 1245–1253. doi: https://doi.org/10.1051/metal:2000110
  8. Baligidad, R. G., Prasad, V. V. S., Rao, A. S. (2007). Effect of Ti, W, Mn, Mo and Si on microstructure and mechanical properties of high carbon Fe–10•5 wt-%Al alloy. Materials Science and Technology, 23 (5), 613–619. doi: https://doi.org/10.1179/174328407x158631
  9. Heo, Y.-U., Song, Y.-Y., Park, S.-J., Bhadeshia, H. K. D. H., Suh, D.-W. (2012). Influence of Silicon in Low Density Fe-C-Mn-Al Steel. Metallurgical and Materials Transactions A, 43 (6), 1731–1735. doi: https://doi.org/10.1007/s11661-012-1149-x
  10. Kim, H., Suh, D.-W., Kim, N. J. (2013). Fe–Al–Mn–C lightweight structural alloys: a review on the microstructures and mechanical properties. Science and Technology of Advanced Materials, 14 (1), 014205. doi: https://doi.org/10.1088/1468-6996/14/1/014205
  11. Charles, J., Berghezan, A. (1981). Nickel-free austenitic steels for cryogenic applications: The Fe-23% Mn-5% Al-0.2% C alloys. Cryogenics, 21 (5), 278–280. doi: https://doi.org/10.1016/0011-2275(81)90003-5
  12. Charles, J., Berghezan, A., Lutts, A. (1984). High manganese - aluminum austenitic steels for cryogenic applications, some mechanical and physical properties. Le Journal de Physique Colloques, 45 (C1), C1-619–C1-623. doi: https://doi.org/10.1051/jphyscol:19841126
  13. Kim, Y. G., Park, Y. S., Han, J. K. (1985). Low temperature mechanical behavior of microalloyed and controlled-rolled Fe-Mn-Al-C-X alloys. Metallurgical Transactions A, 16 (9), 1689–1693. doi: https://doi.org/10.1007/bf02663026
  14. Sohn, S. S., Hong, S., Lee, J., Suh, B.-C., Kim, S.-K., Lee, B.-J. et. al. (2015). Effects of Mn and Al contents on cryogenic-temperature tensile and Charpy impact properties in four austenitic high-Mn steels. Acta Materialia, 100, 39–52. doi: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.08.027
  15. Yan, N., Di, H., Misra, R. D. K., Huang, H., Li, Y. (2019). Enhancing austenite stability in a new medium-Mn steel by combining deep cryogenic treatment and intercritical annealing: An experimental and theoretical study. Materials Science and Engineering: A, 753, 11–21. doi: https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.01.026
  16. Zhirafar, S., Rezaeian, A., Pugh, M. (2007). Effect of cryogenic treatment on the mechanical properties of 4340 steel. Journal of Materials Processing Technology, 186 (1-3), 298–303. doi: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2006.12.046
  17. Kim, H., Ha, Y., Kwon, K. H., Kang, M., Kim, N. J., Lee, S. (2015). Interpretation of cryogenic-temperature Charpy impact toughness by microstructural evolution of dynamically compressed specimens in austenitic 0.4C–(22–26)Mn steels. Acta Materialia, 87, 332–343. doi: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.11.027
  18. Czarkowski, P., Krawczyńska, A. T., Brynk, T., Nowacki, M., Lewandowska, M., Kurzydłowski, K. J. (2014). Cryogenic strength and microstructure of a hydrostatically extruded austenitic steel 1.4429 (AISI 316LN). Cryogenics, 64, 1–4. doi: https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2014.07.014
  19. Koyama, M., Lee, T., Lee, C. S., Tsuzaki, K. (2013). Grain refinement effect on cryogenic tensile ductility in a Fe–Mn–C twinning-induced plasticity steel. Materials & Design, 49, 234–241. doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2013.01.061
  20. Ren, J., Chen, Q., Chen, J., Liu, Z. (2020). Enhancing strength and cryogenic toughness of high manganese TWIP steel plate by double strengthened structure design. Materials Science and Engineering: A, 786, 139397. doi: https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139397
  21. Koga, N., Nameki, T., Umezawa, O., Tschan, V., Weiss, K.-P. (2021). Tensile properties and deformation behavior of ferrite and austenite duplex stainless steel at cryogenic temperatures. Materials Science and Engineering: A, 801, 140442. doi: https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140442
  22. Nadig, D. S., Bhat, M. R., Pavan, V. K., Mahishi, C. (2017). Effects of Cryogenic Treatment on the Strength Properties of Heat Resistant Stainless Steel (07X16H6). IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 229, 012014. doi: https://doi.org/10.1088/1757-899x/229/1/012014
  23. Kim, J.-S., Jeon, J. B., Jung, J. E., Um, K.-K., Chang, Y. W. (2014). Effect of deformation induced transformation of ɛ-martensite on ductility enhancement in a Fe-12 Mn steel at cryogenic temperatures. Metals and Materials International, 20 (1), 41–47. doi: https://doi.org/10.1007/s12540-014-1010-4
  24. Baligidad, R. G., Prasad, K. S. (2007). Effect of Al and C on structure and mechanical properties of Fe–Al–C alloys. Materials Science and Technology, 23 (1), 38–44. doi: https://doi.org/10.1179/174328407x158389
  25. Honeycombe, R., W. K., Bhadeshia, H. K. D. (1995). Steels: microstructure and properties. London: Edward Arnold. Available at: https://www.worldcat.org/title/steels-microstructure-and-properties/oclc/33045504
  26. Zuazo, I., Brechet, Y. (2009). Microstructure Evolution in Fe-Al-Mn-C lightweight alloys. Laboratory of Science and Engineering of Materials and Processes (SIMAP). Grenoble Institute of Technology (INGP).
  27. Rigaud, V., Daloz, D., Drillet, J., Perlade, A., Maugis, P., Lesoult, G. (2007). Phases Equilibrium Study in Quaternary Iron-rich Fe-Al-Mn-C Alloys. ISIJ International, 47 (6), 898–906. doi: https://doi.org/10.2355/isijinternational.47.898
  28. Leslie, W. C., Hornbogen, E. (1996). Physical metallurgy of steels. Physical Metallurgy, 1555–1620. doi: https://doi.org/10.1016/b978-044489875-3/50022-3
  29. Huang, B. X., Wang, X. D., Rong, Y. H., Wang, L., Jin, L. (2006). Mechanical behavior and martensitic transformation of an Fe–Mn–Si–Al–Nb alloy. Materials Science and Engineering: A, 438-440, 306–311. doi: https://doi.org/10.1016/j.msea.2006.02.150

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-10-31

Як цитувати

Kartikasari, R., Subardi, A., & Wijaya, A. E. (2021). Розробка сплава сталі Fe-11Al-xMN за кріогенних температур. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(12(113), 60–68. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.243236

Номер

Том 5 № 12(113) (2021): Матеріалознавство

Розділ

Матеріалознавство

Ліцензія

Авторське право (c) 2021 Ratna Kartikasari, Adi Subardi, Andy Erwin Wijaya

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.