Выпуски УФМ »  Том 17, выпуск 3

Деградация структуры и свойств металла рельсов при длительной эксплуатации

В. Е. Громов$^{1}$, Ю. Ф. Иванов$^{2,3}$, О. А. Перегудов$^{1}$, К. В. Морозов$^{4}$, А. П. Семин$^{1}$

$^1$Сибирский государственный индустриальный университет, ул. Кирова, 42, 654007 Новокузнецк, РФ
$^2$Национальный исследовательский Томский политехнический университет, просп. Академический, 2/3, 634055 Томск, РФ
$^3$Институт сильноточной электроники СО РАН, просп. Академический, 2/3, 634055 Томск, РФ
$^4$ОАО «ЕВРАЗ — Объединённый Западно-Сибирский металлургический комбинат», шоссе Космическое, 16, 654043 Новокузнецк, РФ

Получена: 16.03.2016. Скачать: PDF

Методами оптической, сканирующей, просвечивающей электронной дифракционной микроскопии и измерения микротвёрдости и трибологических параметров установлены закономерности изменения структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры поверхностных слоев рельсов до 10 мм по центральной оси и выкружке после длительной эксплуатации (пропущенный тоннаж 500 и 1000 миллионов тонн брутто). Показано, что скорость износа по центральной оси увеличивается в 3 и 3,4 раза при пропущенном тоннаже 500 и 1000 миллионов тонн, соответственно, а коэффициент трения снижается в 1,4 и 1,1 раза. По характеру излома и уровню дефектности выделены и проанализированы 3 слоя: поверхностный, переходный и основной объём металла. После 500 миллионов тонн пропущенного тоннажа пластины цементита полностью разрушаются и формируются частицы цементита округлой формы размерами 10–50 нм. После 1000 миллионов тонн отмечено протекание начальной стадии динамической рекристаллизации. Обсуждены возможные причины наблюдаемых закономерностей. Отмечено, что при эксплуатации рельсов возможно протекание двух конкурирующих процессов. (1) Процесс разрезания частиц цементита с последующим выносом их в объём ферритных зёрен или пластин (в структуре перлита). (2) Процесс разрезания, последующего растворения частиц цементита, перехода атомов C на дислокации (атмосферы Коттрелла), перенос атомов C дислокациями в объём зёрен (или пластин) феррита с последующим формированием наноразмерных частиц цементита. Деформационное преобразование стали приводит к увеличению скалярной и избыточной плотности дислокаций, величины кривизны-кручения кристаллической решётки и амплитуды внутренних полей напряжений. Выявлены элементы структуры, способные являться концентраторами напряжений. Выполнен количественный анализ механизмов упрочнения рельсов на различном расстоянии от поверхности катания по центральной оси и по выкружке после длительной эксплуатации. Показано, что упрочнение носит многофакторный характер и обусловлено субструктурным упрочнением, вызванным формированием наноразмерных фрагментов; дисперсионным упрочнением частицами карбидной фазы; упрочнением, обусловленным формированием на дислокациях атмосфер Коттрелла и Сузуки; внутренними полями напряжений, формирующимися внутри- и межфазными границами.

Ключевые слова: структура, поверхность, рельсы, эксплуатация, фазовый состав, дефектная субструктура.

PACS: 61.72.Lk, 62.20.Qp, 81.40.Ef, 81.40.Np, 81.40.Pq, 81.65.Lp, 81.70.Bt

Citation: V. E. Gromov, Yu. F. Ivanov, O. A. Peregudov, K. V. Morozov, and A. P. Semin, Degradation of Structure and Properties of Metal of Rails at the Long-Term Operation, Usp. Fiz. Met., 17, No. 3: 253—296 (2016) (in Russian), doi: 10.15407/ufm.17.03.253

Цитированная литература (45)  
  1. Е. А. Шур, Повреждения рельсов (Москва: Интекст: 2012).
  2. Е. Шейнман, Трение и износ, 33, № 4: 413 (2012).
  3. В. Е. Громов, А. Б. Юрьев, К. В. Морозов, Ю. Ф. Иванов, Микроструктура закалённых рельсов (Новокузнецк: ИнтерКузбасс: 2014).
  4. Дж. Кристиан, Железные дороги мира, № 10: 16 (2005) (пер. с англ.).
  5. К. В. Григорович, А. С. Трушкникова, А. М. Арсенкин, С. С. Шибаев, А. К. Гарбер, Металлы, № 5: 72 (2006).
  6. Д. В. Сталинский, Д. К. Нестеров, А. С. Рудюк, В. Е. Сапожков, Металлургическая и горнорудная промышленность, № 4: 64 (2009).
  7. Yu. Ivanisenko and H. J. Fecht, Steel Tech., 3, No. 1: 19 (2008).
  8. Yu. Ivanisenko, I. MacLaren, X. Sauvage, R. Z. Valiev, and H.-J. Fecht, Acta Mater., 54: 1659 (2006). Crossref
  9. Yu. Ivanisenko, W. Lojkowski, and H.-J. Fecht, Materials Science Forum, 539–543: 4681 (2007). Crossref
  10. M. A. Meyers, A. Mishra, and D. J. Benson, Progress in Materials Science, 51: 427 (2006). Crossref
  11. Д. Брандон, У. Каплан, Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля (Москва: Техносфера: 2004) (пер. с англ.).
  12. Л. М. Утевский, Дифракционная электронная микроскопия в металловедении (Москва: Металлургия: 1973).
  13. Г. Томас, М. Дж. Гориндж, Просвечивающая электронная микроскопия материалов (Москва: Наука: 1983) (пер. с англ.).
  14. М. М. Хрущов, Трение, износ и микротвёрдость материалов (Москва: Красанд: 2012).
  15. В. С. Чернявский, Стереология в металловедении (Москва: Металлургия: 1977).
  16. С. А. Салтыков, Стереометрическая металлография (Москва: Металлургия: 1970).
  17. П. Хирш, А. Хови, Р. Николсон, Д. Пэшли, М. Уэлан, Электронная микроскопия тонких кристаллов (Москва: Мир: 1968) (пер. с англ.).
  18. К. Эндрюс, Д. Дайсон, С. Кноун, Электронограммы и их интерпретация (Москва: Мир: 1970) (пер. с англ.).
  19. В. Е. Громов, Э. В. Козлов, В. И. Базайкин, В. Я. Целлермаер, Ю. Ф. Иванов, Физика и механика волочения и объемной штамповки (Москва: Недра: 1997).
  20. Л. И. Тушинский, А. А. Батаев, Л. Б. Тихомирова, Структура перлита и конструктивная прочность стали (Новосибирск: ВО Наука: 1993).
  21. В. С. Иванова, А. А. Шанявский, Количественная фрактография. Усталостное разрушение (Челябинск: Металлургия: 1988).
  22. В. Ф. Терентьев, Усталость металлических материалов (Москва: Наука: 2002).
  23. Л. Энгеле, Г. Клингеле, Растровая электронная микроскопия. Разрушение (Москва: Металлургия: 1986) (пер. с англ.).
  24. Г. В. Курдюмов, Л. М. Утевский, Р. И. Энтин, Превращения в железе и стали (Москва: Наука: 1977).
  25. Ю. Ф. Иванов, Е. В. Корнет, Э. В. Козлов, В. Е. Громов, Закаленная конструкционная сталь: Структура и механизмы упрочнения (Новокузнецк: Изд-во СибГИУ: 2010).
  26. Б. З. Беленький, Б. М. Фарбер, М. И. Гольдштейн, Физика металлов и металловедение, 39, № 3: 403 (1975).
  27. Т. Прнка, Металловедение и терм. обр. стали, № 7: 3 (1979).
  28. Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, Е. Н. Никитина, Бейнитная конструкционная сталь: структура и механизмы упрочнения (Новокузнецк: СибГИУ: 2015).
  29. В. И. Трефилов, В. И. Моисеев, Э. П. Печковский, И. Д. Горная, А. Д. Васильев, Деформационное упрочение и разрушение поликристаллических металлов (Киев: Наукова думка: 1987).
  30. Статическая прочность и механика разрушения сталей: Сб. научных трудов (Ред. В. Даль, В. Антон) (Москва: Металлургия: 1986) (пер. с нем.).
  31. Ю. Ф. Иванов, К. В. Морозов, О. А. Перегудов, В. Е. Громов, Н. А. Попова, Е. Н. Никоненко, Проблемы чёрной металлургии и материаловедения, № 3: 49 (2015).
  32. В. Е. Громов, О. А. Перегудов, Ю. Ф. Иванов, К. В. Морозов, К. В. Алсараева, Вопросы материаловедения, № 3: 41 (2015).
  33. В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, К. В. Морозов, О. А. Перегудов, К. В. Алсараева, Н. А. Попова, Е. Н. Никоненко, Фундаментальные проблемы современного материаловедения, 12, № 2: 203 (2015).
  34. Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, О. А. Перегудов, К. В. Морозов, А. Б. Юрьев, Изв. вузов. Чёрная металлургия, 58, № 4: 262 (2015).
  35. О. А. Перегудов, К. В. Морозов, В. Е. Громов, А. М. Глезер, Ю. Ф. Иванов, Деформация и разрушение материалов, № 11: 34 (2015).
  36. М. И. Гольдштейн, Б. М. Фарбер, Дисперсионное упрочнение стали (Москва: Металлургия: 1979).
  37. М. А. Штремель, Прочность сплавов. Часть II: Деформация (Москва: МИСиС: 1997).
  38. Д. Мак Лин, Механические свойства металлов (Москва: Металлургия: 1965) (пер. с англ.).
  39. А. А. Предводителев, Проблемы современной кристаллографии (Москва: Наука: 1975), с. 262.
  40. J. D. Embury, Strengthening Methods in Crystals (Eds. A. Kelly and R. B. Nicholson) (London: Applied Science Publishers: 1971), p. 331.
  41. V. E. Gromov, Yu. F. Ivanov, S. V. Vorobiev, and S. V. Konovalov, Fatigue of Steels Modified by High Intensity Electron Beams (Cambridge: CISP Ltd.: 2015).
  42. Н. А. Конева, Э. В. Козлов, Структурные уровни пластической деформации и разрушения (Новосибирск: Наука, Сибирское отделение: 1990), с. 123.
  43. Ф. Б. Пикеринг, Физическое металловедение и разработка сталей (Москва: Металлургия: 1982).
  44. N. F. Mott and F. R. N. Nabarro, Proc. Phys. Soc., 52, No. 1: 86 (1940). Crossref
  45. П. П. Бабичев, Н. А. Бабушкина, А. М. Братковский и др., Физические величины: Справочник (Ред. И. С. Григорьев, Е. 3. Мейлихов) (Москва: Энергоатомиздат: 1991).
Цитируется (1)
  1. V. E. Gromov, A. A. Yur’ev, Yu. F. Ivanov, S. V. Konovalov et al., Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 39, 1599 (2018).

© 2013–2018 «ИМФ НАН Украины»