vsgiuВестник Сибирского государственного индустриального университетаBulletin of the Siberian State Industrial University2304 - 44972307-1710Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет"10.57070/2304-4497-2024-2(48)-43-52vsgiu-59Research ArticleРаздел 1. Физика конденсированного состоянияSection 1. Condensed Matter PhysicsСТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ СОСТОЯНИЯ И СВОЙСТВА БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ ПОСЛЕ ИМПУЛЬСНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙSTRUCTURAL-PHASE STATES AND PROPERTIES OF HIGH-SPEED STEEL AFTER PULSED ENERGY EFFECTSВолодинТарас ВитальевичVolodinTaras V.

начальник Управления научных исследований

Head of Scientific Department

volodin_tv@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7032-9029НевскийСергей АндреевичNevskiiSergey A.

д.т.н., доцент, профессор кафедры естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля

Dr. Sci. (Eng.), Assist. Professor, Professor of the Department of Natural Sciences named after Professor V.M. Finkel

nevskiy.sergei@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5147-5343ГромовВиктор ЕвгеньевичGromovVictor E.

д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля

Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof., Head of the Department of Science named after V.M. Finkel’

gromov@physics.sibsiu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1878-909XБащенкоЛюдмила ПетровнаBashchenkoLyudmila P.

к.т.н., доцент кафедры теплоэнергетики и экологии

Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department. of Thermal Power Engi-neering and Ecology

luda.baschenko@gmail.comШамсутдиноваДиана ВитальевнаShamsutdinovaDiana V.

студент Института педагогического образования

student of Institute of Pedagogical Education

dianas1009hamsutdinova@gmail.comСибирский государственный индустриальный университетSiberian State Industrial University202430062024024352Copyright © Володин Т.В., Невский С.А., Громов В.Е., Бащенко Л.П., Шамсутдинова Д.В., 20252025Володин Т.В., Невский С.А., Громов В.Е., Бащенко Л.П., Шамсутдинова Д.В.Volodin T., Nevskii S., Gromov V., Bashchenko L., Shamsutdinova D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.sibsiu.ru/jour/article/view/59

Методами современного физического материаловедения проведен сравнительный анализ структуры, фазового состава и механических свойств (микротвердости) быстрорежущей стали марки Р18 после магнитно-импульсной и электронно-пучковой обработок. Магнитно-импульсная обработка образцов стали в отожженном состоянии проводилась на установке МИУ 10/30 при значении энергии магнитного поля индуктора 40 кДж, количество импульсов 6, длительность импульса 200 мкс, частота следования 20 кГц. Электронно-пучковой обработке подвергали образцы, полученные плазменно-дуговой наплавкой и подвергнутые четырехкратному высокотемпературному отпуску. Режим электронно-пучковой обработки: плотность энергии пучка электронов 30 Дж/см2, длительность импульса пучка электронов 50 мкс, количество импульсов облучения 5 имп., частота следования импульсов 0,3 с-1. При воздействии импульсного магнитного поля в поверхностном слое стали толщиной примерно 100 мкм наблюдалось измельчение карбидов с 13,2 до 2,9 мкм и формирование мелкоигольчатого мартенсита размерами от 200 до 1 нм, объемная доля которого составляет 0,54. Это обуславливает высокие значения микротвердости: до 5,7 ГПа. Электронно-пучковая обработка отпущенных образцов также приводит к дроблению карбидов в поверхностном слое 50 мкм до размеров 10 – 45 нм и формированию ячеистой субмикроструктуры размерами 100 – 250 нм. Установлено, что основными механизмами упрочнения являются упрочнение мартенситной структурой в случае магнитно-импульсной обработки и ячеистой субструктурой при обработке электронным пучком. Полученные результаты могут быть использованы для разработки комбинированных видов обработки, которые сочетают импульсное магнитное поле и электронных пучок.

Using the methods of modern physical materials science, a comparative analysis of the structure, phase composition and mechanical properties (micro-confirmation) of high-speed steel P18 after magnetic pulse and electron beam treatments was carried out. Magnetic pulse treatment was carried out for annealed steel samples at the MIU 10/30 installation at the value of the magnetic field energy of the inductor 40 kJ and the number of pulses 6, pulse duration 200 microseconds, repetition frequency 20 kHz. Electron beam processing was carried out on samples obtained by plasma arc surfacing and subjected to fourfold high temperature tempering. Electron beam processing mode: electron beam energy density 30 J/cm2, electron beam pulse duration 50 microseconds, number of irradiation pulses 5 pulses, pulse repetition rate 0.3 s-1. Under the action of a pulsed magnetic field in a surface layer of steel with a thickness of ~ 100 microns, the grinding of carbides from 13.2 microns to 2.9 microns and the formation of small-needle martensite with sizes from 200 to 1 nm, the volume fraction of which is 0.54, was observed. This causes high microhardness values up to 5.7 GPa. Electron beam processing of the released samples also leads to fragmentation of the carbides in the surface layer of 50 microns to the size of 10 – 45 nm and the formation of a cellular submicrostructure with dimensions of 100 – 250 nm. It has been established that the main mechanisms of hardening are the hardening of the martensitic structure in the case of magnetic pulse treatment and the cellular substructure during electron beam treatment. The obtained results can be used to develop combined types of processing that combine a pulsed magnetic field and an electron beam.

быстрорежущая стальмагнитно-импульсная обработкаэлектронно-пучковая обработкаисследованиеhigh speed steelpulsed magnetic treatmentelectron beam processingstudyReferencesWang Y., Mao B., Chu S., Chen S., Xing H., Zhao H., Wang S., Wang Y., Zhang J., Sun B. Advanced manufacturing of high-speed steels: A critical review of the process design, micro-structural evolution, and engineering perfor-mance. Journal of Materials Research and Technology. 2023;24:8198‒8240.Wang Y., Mao B., Chu S., Chen S., Xing H., Zhao H., Wang S., Wang Y., Zhang J., Sun B. Advanced manufacturing of high-speed steels: A critical review of the process design, micro-structural evolution, and engineering perfor-mance. Journal of Materials Research and Technology. 2023;24:8198‒8240. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.04.269https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.04.269Zhipeng C., Xinquan H. Residual stress reduc-tion by combined treatment of pulsed magnet-ic field and pulsed current. Materials Science and Engineering: A. 2011;528(19-20):6287‒6292. https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.04.078Zhipeng C., Xinquan H. Residual stress reduc-tion by combined treatment of pulsed magnet-ic field and pulsed current. Materials Science and Engineering: A. 2011;528(19-20):6287‒6292. https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.04.078Yang Y., Yang Y., Liao C., Yang G., Qin Y., Li Q., Wu M. Enhancing tribological perfor-mance of cemented carbide (WC-12Co) by pulsed magnetic field treatment and magneto-fluid. Tribology International. 2021;161:107086.Yang Y., Yang Y., Liao C., Yang G., Qin Y., Li Q., Wu M. Enhancing tribological performance of ce-mented carbide (WC-12Co) by pulsed magnetic field treatment and magnetofluid. Tribology International. 2021;161:107086.https://doi.org/10.1016/j.triboint.2021.107086https://doi.org/10.1016/j.triboint.2021.107086Yongfang Zhang, Chongyang Fang, Yanfei Huang, Weiling Guo, Zhiguo Xing, Haidou Wang, Zhinan Zhang. Enhancement of fa-tigue performance of 20Cr2Ni4A gear steel treated by pulsed magnetic treatment: influ-ence mechanism of residual stress. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2021;540:168327.Yongfang Zhang, Chongyang Fang, Yanfei Huang, Weiling Guo, Zhiguo Xing, Haidou Wang, Zhinan Zhang. Enhancement of fa-tigue performance of 20Cr2Ni4A gear steel treated by pulsed magnetic treatment: influ-ence mechanism of residual stress. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2021;540:168327. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2021.168327https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2021.168327Shao Q., Wang G., Wang H., Xing Z., Fang C., Cao Q. Improvement in uniformity of al-loy steel by pulsed magnetic field treatment. Materials Science and Engineering: A. 2021;799:140143. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140143Shao Q., Wang G., Wang H., Xing Z., Fang C., Cao Q. Improvement in uniformity of al-loy steel by pulsed magnetic field treatment. Materials Science and Engineering: A. 2021;799:140143. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140143Qian C., Li K., Rui S.-S., Hou M., Zhang X., Wu Y., Cai Z. Magnetic induced re-dissolution and microstructure modifications on mechanical properties of Cr4Mo4V steel subjected to pulsed magnetic treatment. Jour-nal of Alloys and Compounds. 2021;881:160471.Qian C., Li K., Rui S.-S., Hou M., Zhang X., Wu Y., Cai Z. Magnetic induced re-dissolution and micro-structure modifications on mechanical properties of Cr4Mo4V steel subjected to pulsed magnetic treat-ment. Journal of Alloys and Compounds. 2021;881:160471.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160471https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160471Алифанов А.В., Попова Ж.А. Механизм упрочнения легированных сталей в импуль-сном магнитном поле. Литье и металлур-гия. 2012;(4(68)):151‒155.Alifanov A.V., Popova Zh.A. The mechanism of hardening of alloy steels in a pulsed mag-netic field. Casting and metallurgy. 2012;(4(68)):151‒155. (In Russ.).Алифанов А.В., Ционенко Д.А., Милюкова А.М., Ционенко Н.М. Магнитострикционный ме-ханизм образования мелкодисперсной структуры в стальных изделиях при маг-нитно-импульсном воздействии. Весці На-цыянальнай акадэміі навук Беларусі. Серыя фізіка-тэхнічных навук. 2016;(4):31–36.Alifanov A.V., Zionenko D.A., Milyukova A.M., Tsyganenko N.M. Magnetostrictive mechanism of formation of a fine structure in steel products under magnetic pulse action. Vesci National Academy of Sciences of Belarus. Gray fizika-tehnichnykh navuk. 2016;4:31–36. (In Russ.).Полетаев В.А., Потемкин Д.А. Энергетиче-ский анализ влияния магнитного поля на механические свойства стали. Вестник ИГЭУ. 2007;(3):1–4.Poletaev V.A., Potemkin D.A. Energy analysis of the influence of a magnetic field on the mechanical properties of steel. Vestnik IGEU. 2007;(3):1–4. (In Russ.).Ma L., Zhao W., Liang Z., Wang X., Xie L., Jiao L., Zhou T. An investigation on the me-chanical property changing mechanism of high speed steel by pulsed magnetic treat-ment. Materials Science and Engineering: A. 2014;609:16–25. https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.04.100Ma L., Zhao W., Liang Z., Wang X., Xie L., Jiao L., Zhou T. An investigation on the me-chanical property changing mechanism of high speed steel by pulsed magnetic treat-ment. Materials Science and Engineering: A. 2014;609:16–25.Формирование структурно-фазовых состоя-ний металлических сплавов при магнитно-импульсной обработке / В.Л. Володин, О.Л. Хасанов, Т.В. Володин, В.Е. Громов, С.В. Коновалов. Новокузнецк: Изд-во «Интер-Кузбасс», 2011:221.https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.04.100Гагарин А.Ю., Сарычев В.Д., Черемушкина Е.В., Грановский А.Ю., Громов В.Е. Им-пульсное магнитное поле для создания на поверхности металлов полей высоких тем-ператур. Вестник Тамбовского университе-та. Серия Естественные и технические науки. 2016;21(3):926–929.Volodin V.L., Khasanov O.L., Volodin T.V., Gromov V.E., Konovalov S.V. Formation of struc-tural and phase states of metal alloys during magnetic pulse processing. Novokuznetsk: Publishing house "Inter-Kuzbass", 2011:221. (In Russ.).Gao B., Hu L., Li S., Y. Hao, Y. Zhang, Tu G. Study on the nanostructure formation mechanism of hypereutectic Al–17.5 Si alloy induced by high current pulsed electron beam. Applied Surface Science. 2015;346:147‒157.Gagarin A.Yu. Sarychev V.D., Cheremushkina E.V., Granovsky A.Yu., Gromov V.E. Pulsed mag-netic field for creating high temperature fields on the surface of metals. Bulletin of the Tam-bov University. A series of Natural and tech-nical sciences. 2016;21(3):926–929. (In Russ.).Cao X., Hu J., Huo W., Xi X., Zhao W. Sur-face microstructure and property modifica-tions in AISI 304 stainless steel induced by pseudospark pulsed electron beam treatments. Vacuum. 2021;184:109914.Gao B., Hu L., Li S., Y. Hao, Y. Zhang, Tu G. Study on the nanostructure formation mechanism of hypereutectic Al–17.5 Si alloy induced by high current pulsed electron beam. Applied Surface Science. 2015;346:147‒157.https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2020.109914Cao X., Hu J., Huo W., Xi X., Zhao W. Sur-face microstructure and property modifica-tions in AISI 304 stainless steel induced by pseudospark pulsed electron beam treatments. Vacuum. 2021;184:109914. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2020.109914Maier A.E., Yalovets A.P. Mechanical stresses in an irradiated target with a disturbed sur-face. Tech. Phys. 2006;51:459–465.Maier A.E., Yalovets A.P. Mechanical stresses in an irradiated target with a disturbed sur-face. Tech. Phys. 2006;51:459–465.Wang R., Cui H., Huang J., Jiang H. Effect of the continuous electron beam process treat-ment in the surface modification of T10 steel. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2018;436:29–34. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2018.09.004Wang R., Cui H., Huang J., Jiang H. Effect of the continuous electron beam process treat-ment in the surface modification of T10 steel. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2018;436:29–34Ormanova M., Petrov P., Kovacheva D. Elec-tron beam surface treatment of tool steels. Vacuum. 2017;135:7‒12.https://doi.org/10.1016/j.nimb.2018.09.004https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2016.10.022Ormanova M., Petrov P., Kovacheva D. Elec-tron beam surface treatment of tool steels. Vacuum. 2017;135:7‒12. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2016.10.022Wei Y., Qi S., Wang Y., Chu X., Sun Z., Wang J., Zhang L., Jia W., Yang X., Liu S. Microstructural evolution and tribological properties of M2 high-speed steel fabricated under various selective electron beam melting processing parameters. Tribology Internation-al. 2023;187:108749. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2023.108749Wei Y., Qi S., Wang Y., Chu X., Sun Z., Wang J., Zhang L., Jia W., Yang X., Liu S. Microstructural evolution and tribological properties of M2 high-speed steel fabricated under various selective electron beam melting processing parameters. Tribology Internation-al. 2023;187:108749. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2023.108749Малушин Н.Н., Романов Д.А., Ковалев А.П., Осетковский В.Л., Бащенко Л.П. Структурно-фазовое состояние теплостой-кого сплава высокой твердости, сформиро-ванного плазменной наплавкой в среде азо-та и высокотемпературным отпуском. Изве-стия вузов. Физика. 2019;62(10(742)):106–111.Malushin N.N., Romanov D.A., Kovalev A.P., Osetkovsky V.L., Bashchenko L.P. Structural and phase state of a heat-resistant alloy of high hardness formed by plasma surfacing in a nitrogen medium and high-temperature tem-pering. Izvestiya vuzov. Physics. 2019;62(10(742)):106–111.Egerton F.R. Physical Principles of Electron Microscopy. Basel: Springer International Publishing, 2016:196.Egerton F.R. Physical Principles of Electron Microscopy. Basel: Springer International Publishing, 2016:196.Saltykov S.A. Stereometric Metallography. Fort Belvoir: Defense Technical Information Center. 1976;3:376.Saltykov S.A. Stereometric Metallography. Fort Belvoir: Defense Technical Information Center. 1976;3:376.Гайдук В.В., Роккель В.Р., Гайдук Д.В., Володин В.Л., Володин Т.В. Поверхностное упрочнение материалов с помощью магнито-импульсной установки. Сталь. 2004(7):87–89.Gaiduk V.V., Rokkel V.R., Gaiduk D.V., Vo-lodin V.L., Volodin T.V. Surface hardening of materials using a magnetic pulse installation. Steel. 2004;(7):87–89. (In Russ.).Гольдштейн М.И., Фарбер В.М. Дисперси-онное упрочнение стали. Москва: Метал-лургия, 1979:208.Goldstein M.I., Farber V.M. Dispersion hardening of steel. Moscow: Metallurgy, 1979:208. (In Russ.).Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. Ленинград: Энергия, 1974:264.Slushotsky A.E., Ryskin S.E. Inductors for induction heating. Leningrad: Energiya, 1974:264. (In Russ.).Samokhin A.A., Il’ichev N.N., Pivovarov P.A., Sidorin A.V. Laser vaporisation of ab-sorbing liquid under transparent cover. Bulle-tin of the Lebedev Physics Institute. 2016;43(5):156‒159.Samokhin A.A., Il’ichev N.N., Pivovarov P.A., Sidorin A.V. Laser vaporisation of ab-sorbing liquid under transparent cover. Bulle-tin of the Lebedev Physics Institute. 2016;43(5):156‒159.Иванов Ю.Ф., Чапайкин А.С., Гусева Т.П., Романов Д.А., Громов В.Е. Преобразование структуры и свойств наплавки Р18Ю после высокотемпературного отпуска и электрон-но-пучковой обработки. Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2023;3:62–79.Ivanov Yu.F., Chapaykin A.S., Guseva T.P., Romanov D.A., Gromov V.E. Transformation of the structure and properties of R18YU sur-facing after high temperature tempering and electron beam processing. Problems of ferrous metallurgy and materials science. 2023;(3):62–79. (In Russ.).Трефилов В.И., Моисеев В.Ф., Печковский Э.П., Горная И.Д., Васильев А.Д. Деформацион-ное упрочнение и разрушение поликристал-лических материалов. Киев: Наукова думка, 1989:256.Trefilov V.I., Moiseev V.F., Pechkovsky E.P., Gornaya I.D., Vasiliev A.D. Deformation hardening and destruction of polycrystalline materials. Kiev: Naukova dumka, 1989:256. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.