Microstructural Characterization of the expanded austenite formed on the plasma nitrided AISI 316 L steel

¹ Laboratoire de Technologie des Matériaux, Département SDM, Faculté de Génie Mécanique et Génie des Procédés, USTHB, B.P N° 32, 16111, El-Alia, Bab-Ezzouar, Alger, Algérie
keddam@yahoo.fr
² Institut Jean Lamour (IJL), École des Mines de Nancy, Parc de Saurupt, CS 14234, 54042 Nancy, France

Received: 9 March 2013
Accepted: 16 April 2013

Abstract

In this work, the AISI 316 L stainless steel was plasma nitrided at 420 °C for different times ranging from 0.5 to 8 h in a 90% N₂-10% H₂ gas mixture. The observations by optical microscope (OM) revealed the presence of the expanded austenite γ_N with a mean layer thickness lying between 2.8 and 9.7 μm. The growth kinetics of γ_N layer was also studied. The XRD and GDOES analyses were used to experimentally characterize the γ_N layer. A mechanical model, based on the XRD data, was applied to determine the compressive stresses in the γ_N layer and strains induced by the nitrogen diffusion. The estimated values of compressive stresses inside the γ_N layer (in absolute values) were in the range of 2.10 to 3.70 GPa with the strains located between 6.3 and 7.94%. Based on the XRD data, it was found that the expanded austenite can dissolve up to 32 at.%N.

Résumé

Dans ce travail, l’acier 316 L a été nitruré ioniquement à 420 °C durant des temps allant de 0,5 à 8 h dans un mélange de gaz (90 % N₂-10 % H₂). Les observations par microscopie optique (MO) ont révélé la présence de l’austénite expansée γ_N avec une épaisseur moyenne comprise entre 2,8 et 9,7 μm.

La cinétique de croissance de la couche γ_N a été également étudiée. Les analyses DRX et SDL ont été utilisées pour caractériser expérimentalement la couche γ_N.

Un modèle mécanique basé sur les résultats de la DRX a été appliqué pour estimer les contraintes de compression dans la couche γ_N et les déformations induites par la diffusion de l’azote. Les valeurs estimées des contraintes de compression (en valeurs absolues) sont comprises entre 2,10 et 3,70 GPa avec des valeurs de déformations entre 6,3 et 7,94 %. Sur la base des résultats de DRX, on a trouvé que l’austénite expansée peut dissoudre jusqu’à 32 at.% en azote.