Influence of annealing temperature on the Charpy fracture characteristics of selective laser melted 316L steel at ambient and cryogenic temperatures

Editorial Board PCSS Journal; Богдан Єфременко; Юлія Чабак; Олена Цветкова; Інна Олійник; Василь Єфременко; Антоніна Джеренова

doi:10.15330/pcss.26.4.844-851

Автор(и)

Богдан Єфременко Приазовський державний технічний університет, Дніпро, Україна
Юлія Чабак Інститут матеріалознавства Словацької Академії наук, Кошице, Словаччина; Приазовський державний технічний університет, Дніпро, Україна
Олена Цветкова Приазовський державний технічний університет, Дніпро, Україна
Інна Олійник Приазовський державний технічний університет, Дніпро, Україна
Василь Єфременко Інститут матеріалознавства Словацької Академії наук, Кошице, Словаччина; Приазовський державний технічний університет, Дніпро, Україна
Антоніна Джеренова Приазовський державний технічний університет, Дніпро, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.26.4.844-851

Ключові слова:

316L, селективне лазерне плавлення, відпал, ударна в’язкість, поглинена енергія, мікроструктура

Анотація

Досліджено вплив відпалу на характеристики руйнування нержавіючої сталі 316L, виготовленої селективним лазерним плавленням (SLM), при Шарпі випробуваннях за кімнатної та кріогенної (–196 ^oC) температур. Зразки розміром 5×10×55 мм були надруковані вздовж Z-напрямку та відпалені впродовж 5 год при 900 ^оС, 1050 ^оC та 1200 ^оC з охолодженням у воді. Ударні випробування за Шарпі (V-надріз) проводили з реєстрацією кривих «cила-переміщення». Мікроструктуру аналізували методами оптичної та електронної мікроскопії, мікродифракції (EBSD) та енергодисперсійного аналізу. Ударна в’язкість (KСV) SLM-316L сталі становила приблизно третину від катаного аналога через комірчасту мікроструктуру та дефекти, характерні для SLM процесу. Відпал при 900 ^oC усунув комірчасту будову, що незначно підвищило в’язкість; подальше зростання температури до 1200 ^оС знизило в’язкість в 1,5 рази через виділення включень (MnCrSiAl)O₃. При –196 ^оC загальна поглинена енергія удару знизилася відносно 25 ^oC у 1.7-2.2 рази. За температури 25 ^оС енергія розповсюдження (KV_розп) тріщини переважала енергію її зародження для усіх режимів обробки. При –196 ^оС частка KV_розпу відпалених зразках зменшилась, що пов’язано з деформаційним мартенситним перетворенням g®a¢ при ударі. Комірчаста структура друкованої сталі сприяла збереженню високої частки KV_розп за низької температури. Співвідношення KCV_LNT/KCV_RT (0,46-0,59) вказує на відсутність різкого порогу хладноламкості, що підтверджує придатність SLM-виготовленої 316L сталі для кріогенних застосувань.

Посилання

N. M. Kibambe, B. A. Obadele, B. J. Babalola, U. S. Anamu, P. A. Olubambi, Corrosion characteristics of heat-treated biomedical grade 316L stainless steel in simulated body fluids. Results in Materials, 26, 100676 (2025); https://doi.org/10.1016/j.rinma.2025.100676.

L. Gao, S. A. Mantri, X. Zhang, Quantification of solution annealing effects on microstructure and property in a laser powder bed fusion 316H stainless steel, Materials & Design, 251, 113692 (2025); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.113692.

G. Bagliuk, M. Marych, Y. Shishkina, A. Mamonova, O. Gripachevsky, S. Kyryliuk,. Features of phase and structure formation in obtaining high-entropy alloy of Fe-Ti-Cr-Mn-Si-C system from a powder mixture of ferroalloys. Physics and Chemistry of Solid State, 23(3), 620 (2022); https://doi.org/10.15330/pcss.23.3.620-625.

V. Kulyk, I. Izonin, V. Vavrukh, R. Tkachenko, Z. Duriagina, B. Vasyliv, M. Kováčová, Prediction of hardness, flexural strength, and fracture tiyghness of ZrO2 based ceramics using ensemble learning algorithms, Acta Metallurgica Slovaca, 29 (2), 93 (2023); https://doi.org/10.36547/ams.29.2.1819.

N. Haghdadi, M. Laleh, M. Moyle, S. Primig, Additive manufacturing of steels: A review of achievements and challenges, Journal of Materials Science, 56, 64 (2021); https://doi.org/10.1007/s10853-020-05109-0.

V. G. Efremenko, A. G. Lekatou, Yu. G. Chabak, B. V. Efremenko, I. Petryshynets, V. I. Zurnadzhy, S. Emmanouilidou, M. Vojtko, Micromechanical, corrosion and wet sliding wear behaviours of Co-28Cr-6Mo alloy: Wrought vs. SLM, Materials Today Communications, 35, 105936 (2023); https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.105936.

M. O. Vasylyev, B. M. Mordyuk, S. M. Voloshko, Wire-feeding based additive manufacturing of the Ti–6Al–4V alloy. Part I. Microstructure, Progress in Physics of Metals, 24 (1), 5 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.01.005.

J. Yang, B. Li, Y. Zheng, G. Chen, X. Chen, Low cycle fatigue behavior of additive manufactured 316LN stainless steel at 550 ◦C: Effect of solution heat treatment. Int. J. Fatigue, 179, 108066 (2024); https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2023.108066.

B.V. Efremenko, V.I. Zurnadzhy, Yu. G. Chabak, V. G. Efremenko, K. V. Kudinova, V. A. Mazur, A comparison study on the effect of counter ball material on sliding wear response of SLM-printed biomedical 316L steel, Materials Today: Proceedings, 66, 2587 (2022); https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.07.112.

O. O. Salman, C. Gammer, A. K. Chaubey, J. Eckert, S. Scudino, Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of 316L steel synthesized by selective laser melting. Mater. Sci. Eng. A, 748, 205 (2019); https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.01.110.

E. Ura-Binczyk, A. Dobkowska, P. Bazarnik, J. Ciftci, A. Krawczynska, W. Chrominski, T. Wejrzanowski, R. Molak, R. Sitek, T. Płocinski, J. Jaroszewicz, J. Mizera, Effect of annealing on the mechanical and corrosion properties of 316L stainless steel manufactured by laser powder bed fusion. Mater. Sci. Eng. A, 860, 144263 (2022); https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.144263.

D. Kong, C. Dong, X. Ni, L. Zhang, J. Yao, C. Man, X. Cheng, K. Xiao, X. Li, Mechanical properties and corrosion behaviour of selective laser melted 316L stainless steel after different heat treatment processes. J. Mater. Sci. Technol., 35, 1499 (2019);

B. Efremenko, Y. Chabak, I. Petryshynets, T. Zhao, V. Efremenko, K. Wu, T. Xia, M. Džupon, S. Arshad, Evaluation of the Suitability of High-Temperature Post-Processing Annealing for Property Enhancement in SLM 316L Steel: A Comprehensive Mechanical and Corrosion Assessment. Metals, 15, 684 (2025); https://doi.org/10.3390/met15060684.

W. Liu, C. Liu, Y. Wang, H. Zhang, H. Ni, Effect of heat treatment on the corrosion resistance of 316L stainless steel manufactured by laser powder bed fusion. J. Mater. Res. Technol., 32, 3896 (2024); https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.08.194.

N. Abu-warda, J. Bedmar, S. García-Rodriguez, B. Torres, M.V. Utrilla, J. Rams, Effect of post-processing heat treatments on the high-temperature oxidation of additively manufactured 316L stainless steel. J. Mater. Res. Technol., 29, 3465 (2024); https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.01.270.

J. Bedmar, S. García-Rodríguez, M. Roldán, B. Torres J. Rams, Effects of the heat treatment on the microstructure and corrosion behavior of 316L stainless steel manufactured by Laser Powder Bed Fusion. Corros. Sci. 209, 110777 (2022); https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110777.

X. Wang, O. Sanchez-Mata, S.E. Atabay, J.A. Muñiz-Lerma, M.A. Shandiz, M. Brochu, Crystallographic orientation dependence of Charpy impact behaviours in stainless steel 316L fabricated by laser powder bed fusion, Additive Manufacturing, 46, 102104 (2021); https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102104.

S. Li, P.J. Withers, S. Kabra, K. Yan, The behaviour and deformation mechanisms for 316L stainless steel deformed at cryogenic temperatures, Mater. Sci. Eng., A, Volume 880, 145279 (2023); https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145279.

E. de Sonis, S. Dépinoy, P.-F. Giroux, H. Maskrot, P. Wident, F. Villaret, A.-F. Gourgues-Lorenzon, Impact toughness at room and cryogenic temperatures of 316L stainless steel processed by wire arc additive manufacturing, Mater. Sci. Eng., A, 933, 148276 (2025); https://doi.org/10.1016/j.msea.2025.148276.

L. T. H. Nguyen, J. -S. Hwang, M. -S. Kim, J. -H. Kim, S. -K. Kim, J. -M. Lee, Charpy Impact Properties of Hydrogen-Exposed 316L Stainless Steel at Ambient and Cryogenic Temperatures. Metals, 9, 625 (2019); https://doi.org/10.3390/met9060625.

X. Lou, P.L. Andresen, R.B. Rebak, Oxide inclusions in laser additive manufactured stainless steel and their effects on impact toughness and stress corrosion cracking behavior, Journal of Nuclear Materials, 499, 182 (2018); https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.11.036.

C.A. Sumanariu, C.G. Amza, F.Baciu, M.I. Vasile, A.I. Nicoara, Comparative Analysis of Mechanical Properties: Conventional vs. Additive Manufacturing for Stainless Steel 316L. Materials, 17, 4808 (2024); https://doi.org/10.3390/ma17194808.

J. Mao, Q. Xu, J. Yang, C. Cao, D. Wang, F. Zhong, M. Chen, Nonlinear Impact Damage Evolution of Charpy Type and Analysis of Its Key Influencing Factors. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 37, 3 (2024); https://doi.org/10.1186/s10033-023-00986-3.

Y. Takashi, M. Nishioka, A. Kato, S. Hikasa, H. Iwabuki, K. Nagata, A. Asano, Atsushi. Nano Structure of Polyketon/Polyamide Polymer Alloy, Kobunshi Ronbunshu, 66(12), 577 (2009). https://doi.org/10.1295/koron.66.577.

D. Riabov, A. Leicht, J. Ahlström, E. Hryha, Investigation of the strengthening mechanism in 316L stainless steel produced with laser powder bed fusion. Mater. Sci. Eng. A, 822, 141699 (2021); https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141699.

О. V. Sukhova, V. А. Polonskyy, К. V. Ustinоvа, Influence of Si and B on structure and corrosion properties of quasi-crystalline Al–Cu–Fe alloys in solutions of salts, Metallofizika i Noveishie Tekhnologii, 40(11), 1475 (2018); https://doi.org/10.15407/mfint.40.11.1475.

T. Loskutova, M. Scheffler, I. Pavlenko, K. Zidek, I. Pohrebova, N. Kharchenko, I. Smokovych, O. Dudka, V. Palyukh, I. Ivanov, Y. Kononenko, Corrosion Resistance of Coatings Based on Chromium and Aluminum of Titanium Alloy Ti-6Al-4V, Materials, 17(15), 3880 (2024); https://doi.org/10.3390/ma17153880.

V.G. Efremenko, K. Shimizu, A. P. Cheiliakh, T. V. Kozarevs’ka, Yu. G. Chabak, H. Hara, K. Kusumoto, Abrasive wear resistance of spheroidal vanadium carbide cast irons. Journal of Friction and Wear, 34(6), 466 (2013); https://doi.org/10.3103/S1068366613060068.

F. Yan, W. Xiong, E. Faierson, G.B. Olson, Characterization of nano-scale oxides in austenitic stainless steel processed by powder bed fusion, Scr. Mater., 155, 104 (2018); https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2018.06.011.

E. de Sonis, S. Dépinoy, P.-F. Giroux, H. Maskrot, P. Wident, F. Villaret, A.-F. Gourgues-Lorenzon, Microstructure – Toughness relationships in 316L stainless steel produced by laser powder bed fusion, Mater. Sci. Eng., A, 877, 145179 (2023); https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145179.

M. J. Paul, Q. Liu, X. Li, J. J. Kruzic, U. Ramamurty, B. Gludovatz, Impact of micro and mesostructure on the fatigue crack growth in laser powder bed fusion fabricated AlSi10Mg, Acta Materialia, 293, 121070 (2025); https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121070.