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Understanding crack growth within the γ′ Fe4N layer in a nitrided low carbon steel during monotonic and cyclic tensile testing

材料科学 渗氮 极限抗拉强度 冶金 复合材料 裂缝闭合 金属间化合物 穿晶断裂 图层(电子) 断裂力学 晶界 微观结构 晶间断裂 合金
作者
Rama Srinivas Varanasi,Motomichi Koyama,Mizuho Yokoi,Yusuke Ootani,Momoji Kubo,Kento Tanahara,Osamu Umezawa
出处
期刊:Journal of Materials Science [Springer Science+Business Media]
卷期号:59 (31): 14639-14652 被引量:4
标识
DOI:10.1007/s10853-024-10014-x
摘要

Abstract Nitriding is a cost-effective method to realize simultaneous improvements in tensile and fatigue properties and resistance to abrasion and corrosion. Previous studies reported that nitriding pure Fe enhances tensile strength by ~ 70% and fatigue limit by ~ 200%. It is due to the increase in surface hardness caused by the formation of γ′(Fe 4 N) and ε(Fe 2-3 N) nitrogen-containing intermetallic compound phases. However, the intermetallic compound layer is prone to brittle-like cracking. To better design nitrided steels, it is crucial to identify the crack growth mechanisms via analysis of the microstructural crack growth paths within the ~ 4–6 µm thick nitride layer. In the current work, we statistically evaluate the crack propagation behavior in the γ′ Fe 4 N layer during monotonic and cyclic tensile deformation in nitrided low-carbon steel (0.1 wt% C). Since nitriding typically results in the formation of columnar grains, the effect of morphology needs to be clarified. To this end, the steel was shot-peened and subsequently nitrided to promote equiaxed nitride grains morphology (~ 16% increase). Crack growth paths were comparatively evaluated for multiple cracks, and no significant effect of nitride morphology was observed. {100} γ′ is the predominant transgranular crack path in the monotonic tensile tested specimen, followed by {111} γ′ . It is despite the elastic modulus of {111} γ′ < {100} γ′ . This contrary behavior is explained by {100} γ′ plane having the lowest surface energy (density functional theory calculations). In the cyclic tensile loaded specimen, experiments revealed that transgranular cracking along {100} γ′ (cracking via symmetric dislocation emission) or {111} γ′ (slip plane cracking) is equally likely. Graphical abstract
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