Выпуски УФМ $\rightarrow$ Том 21, выпуск 4 (2020)

Изменение структурно-фазовых состояний и свойств длинномерных рельсов при экстремально длительной эксплуатации

В. Е. Громов$^1$, Ю. Ф. Иванов$^2$, В. Е. Кормышев$^1$, А. А. Юрьев$^3$, А. П. Семин$^1$, Ю. А. Рубанникова$^1$

$^1$Сибирский государственный индустриальный университет, ул. Кирова, 42, 654007 Новокузнецк, РФ
$^2$Институт сильноточной электроники СО РАН, просп. Академический, 2/3, 634055 Томск, РФ
$^3$АО «Евраз-Западно-Сибирский металлургический комбинат», Космическое шоссе, 19, 654043 Новокузнецк, РФ

Получена 03.06.2020; окончательный вариант — 01.10.2020 Скачать PDF logo PDF

Аннотация
Методами современного физического материаловедения выявлены закономерности и механизмы формирования структурно-фазовых состояний и свойств на различной глубине в головке рельсов по центральной оси и выкружке после дифференцированной закалки 100-метровых рельсов и экстремально длительной эксплуатации (пропущенный тоннаж — 1411 млн. тонн брутто). Показано, что дифференцированная закалка сопровождается формированием морфологически многоплановой структуры, представленной зёрнами пластинчатого перлита, феррито-карбидной смеси и структурно-свободного феррита. Структуру стали характеризовали параметром кристаллической решётки α-Fe, уровнем микронапряжений, размером областей когерентного рассеяния, величиной межпластинчатого расстояния, скалярной и избыточной плотности дислокаций. Показано, что экстремально длительная эксплуатация рельсов сопровождается множественным преобразованием структуры металла головки рельсов: во-первых, разрушением структуры пластинчатого перлита и формированием в объёме перлитных колоний субзёренной структуры субмикронных (100–150 нм) размеров; во-вторых, выделением по границам и в объёме субзёрен частиц карбидной фазы нанометрового диапазона; в-третьих, ростом микроискажений кристаллической решётки стали; в-четвёртых, деформационным наклёпом металла, приводящим к увеличению (в 1,5 раза относительно исходного состояния) скалярной и избыточной плотностей дислокаций. Длительная эксплуатация рельсов сопровождается формированием градиента структурных составляющих, заключающегося в закономерном изменении относительного содержания пластинчатого перлита, разрушенного перлита и структуры феррито-карбидной смеси по сечению головки рельсов. По мере приближения к поверхности выкружки рельсов относительное содержание объёма металла со структурой пластинчатого перлита снижается, а со структурой разрушенного перлита и феррито-карбидной смеси увеличивается. Установлено, что характерной особенностью структуры феррито-карбидной смеси является наноразмерный диапазон формирующих её зёрен, субзёрен и частиц карбидной фазы — размер зёрен и субзёрен, формирующих данный тип структуры, изменяется в пределах 40–70 нм; размер частиц карбидной фазы, расположенных по границам зёрен и субзёрен, изменяется в пределах 8–20 нм. Выявлен многофакторный характер упрочнения стали, что обусловлено: во-первых, субструктурным упрочнением, вызванным формированием субграниц фрагментов, границы которых стабилизированы частицами карбидной фазы; во-вторых, упрочнением частицами карбидной фазы, расположенными в объёме фрагментов и на элементах дислокационной субструктуры (дисперсионное упрочнение); в-третьих, упрочнением, обусловленным осаждением на дислокациях атомов углерода (формированием атмосфер Коттрелла); в-четвёртых, упрочнением, вносимым внутренними полями напряжений, вызванными несовместностью деформации кристаллических решёток структурных составляющих α-фазы и частиц карбидной фазы.

Ключевые слова: рельсы, микро-нанокристаллическая структура, пластинчатый перлит, длительная эксплуатация, механизмы упрочнения.

Citation: V. E. Gromov, Yu. F. Ivanov, V. E. Kormyshev, A. A. Yuriev, A. P. Semin, and Yu. A. Rubannikova, Change in Structural-Phase States and Properties of Lengthy Rails during Extremely Long-Term Operation, Progress in Physics of Metals, 21, No. 4: 527–553 (2020); doi: 10.15407/ufm.21.04.527

Цитированная литература (60)  
  1. V.E. Gromov, O.A. Peregudov, Yu.F. Ivanov, S.V. Konovalov, and A.A. Yuriev, Evolution of Rail Structural Phase States in Long Operation (Novosibirsk: SB RAS: 2017) (in Russian).
  2. V.E. Gromov, A.B. Yuriev, K.V. Morozov, and Y.F. Ivanov, Microstructure of Quenched Rails (Cambridge: CISP Ltd: 2016).
  3. Yu. Ivanisenko and H.J. Fecht, Steel Tech., 3, No. 1: 19 (2008).
  4. Yu. Ivanisenko, I. Maclaren, X. Souvage, R.Z. Valiev, and H.J. Fecht, Acta Mater., 54: 1659 (2006). https://doi.org/10.1016/j.actamat.2005.11.034
  5. J.-li. Ning, E. Courtois-Manara, L. Kormanaeva, A.V. Ganeev, R.Z. Valiev, C. Kubel, and Yu. Ivanisenko, Mater. Sci. Eng. A, 581: 8 (2013). https://doi.org/10.1016/j.msea.2013.05.008
  6. V.G. Gavriljuk, Mater. Sci. Eng. A, 345: 81 (2003). https://doi.org/10.1016/S0921-5093(02)00358-1
  7. Y.J. Li, P. Chai, C. Bochers, S. Westerkamp, S. Goto, D. Raabe, and R. Kirchheim, Acta Mater., 59: 3965 (2011). https://doi.org/10.1016/j.actamat.2011.03.022
  8. V.G. Gavriljuk, Scripta Mater., 45: 1469 (2001). https://doi.org/10.1016/S1359-6462(01)01185-X
  9. J.-W. Seo, H.-K. Jun, S.-J. Kwon, and D.-H. Lee, Int. J. Fatigue, 83: 184 (2016). https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2015.10.012
  10. R. Lewis, P. Christoforou, W.J. Wang, A. Beagles, M. Burstow, and S.R. Lewis, Wear, 430–431: 383 (2019). https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.05.030
  11. J. Kalousek, D.M. Fegredo, and E.E. Laufer, Wear, 105: 199 (1985). https://doi.org/10.1016/0043-1648(85)90068-7
  12. R. Skrypnyk, M. Ekh, J.C.O. Nielsen, and B.A. Pålsson, Wear, 428–429: 302 (2019). https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.03.019
  13. D. Kim, L. Quagliato, D. Park, and N. Kim, Wear, 420–421: 184 (2019). https://doi.org/10.1016/j.wear.2018.10.015
  14. Y.B. Huang, L.B. Shi, X.J. Zhao, Z.B. Cai, Q.Y. Liu, and W.J. Wang, Wear, 400–401: 62 (2018). https://doi.org/10.1016/j.wear.2017.12.020
  15. V.E. Gromov, Yu.F. Ivanov, O.A. Peregudov, K.V. Morozov, X.L. Wang, W.B. Dai, Yu.V. Ponomareva, and O.A. Semina, Materials and Electronics Engineering, 2, No. 4: 1 (2015).
  16. Yu.F. Ivanov, V.E. Gromov, O.A. Peregudov, K.V. Morozov, and A.B. Yuriev, Steel Transl., 45, No. 4: 245 (2015).
  17. O.A. Peregudov, V.E. Gromov, Yu.F. Ivanov, K.V. Morozov, K.V. Alsaraeva, and O.A. Semina, AIP Conf Proc., 1683: 020179 (2015).
  18. V.E. Gromov, K.V. Morozov, A.B. Yuriev, and O.A. Peregudov, Steel Transl., 45, No. 10: 759 (2015). https://doi.org/10.3103/S0967091215100058
  19. Yu.F. Ivanov, O.A. Peregudov, K.V. Morozov, V.E. Gromov, N.A. Popova, and E.N. Nikonenko, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 112: 012038 (2016). https://doi.org/10.1088/1757-899X/112/1/012038
  20. V.E. Gromov, K.V. Morozov, Yu.F. Ivanov, K.V. Aksenova, O.A. Peregudov, and A.P. Semin, Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures, 1: 38 (2016). https://doi.org/10.17804/2410-9908.2016.1.038-044
  21. V.E. Gromov, O.A. Peregudov, Y.F. Ivanov, A.M. Glezer, K.V. Morozov, K.V. Aksenova, and O.A. Semina, AIP Conf. Proc., 1783: 020069 (2016).
  22. Yu.F. Ivanov, V.E. Gromov, A.M. Glezer, O.A. Peregudov, and K.V. Morozov, Bull. Russ. Acad. Sci.: Physics, 80, No. 12: 1483 (2016). https://doi.org/10.3103/S1062873816120078
  23. O.A. Peregudov, V.E. Gromov, Y.F. Ivanov, K.V. Morozov, S.V. Konovalov, Steel Transl., 46, No. 4: 260 (2016).
  24. O.A. Peregudov, K.V. Morozov, V.E. Gromov, A.M. Glezer, and Yu.F. Ivanov, Russ. Metall., 2016, No. 4: 371 (2016). https://doi.org/10.1134/S0036029516040182
  25. V.E. Gromov, Y.F. Ivanov, K.V. Morozov, O.A. Peregudov, and O.A. Semina, J. Synch. Investig., 10, No. 5: 1101 (2016). https://doi.org/10.1134/S1027451016050281
  26. V.E. Gromov, A.A. Yuriev, K.V. Morozov, Yu.F. Ivanov, S.V. Konovalov, O.A. Peregudov, and A.M. Glezer, Fundamental Problems of Modern Material Science, 14, No. 2: 267 (2017) (in Russian).
  27. V.E. Gromov, A.A. Yuriev, Yu.F. Ivanov, V.A. Grishunin, and S.V. Konovalov, Izvestiya. Ferrous Metallurgy, 61, No. 6: 454 (2018) (in Russian). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-6-454-459
  28. A.A. Yuriev, V.E. Gromov, K.V. Morozov, and O.A. Peregudov, Izvestiya. Chernaya Metallurgiya, 60, No. 10: 826 (2017) (in Russian). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-10-826-830
  29. Yu.F. Ivanov, V.E. Gromov, A.A. Yuriev, A.M. Glezer, N.A. Popova, O.A. Peregudov, and S.V. Konovalov, Deformation and Failure of Metals, No. 4: 24 (2018) (in Russian).
  30. V.E. Gromov, A.A. Yuriev, Yu.F. Ivanov, N.A. Popova, O.A. Peregudov, A.M. Glezer, and S.V. Konovalov, Problems of Ferrous Metallurgy and Materials Science, No. 3: 76 (2017) (in Russian).
  31. Yu.F. Ivanov, V.E. Gromov, A.A. Yuriev, O.A. Peregudov, S.V. Konovalov, K.V. Morozov, and V.A. Grishunin, Fundamental Problems of Modern Materials Science, 14, No. 3: 297 (2017) (in Russian).
  32. A.A. Yuriev, V.E. Gromov, V.A. Grishunin O.A. Peregudov, Y.F. Ivanov, E.N. Nikitina, and L.P. Bashenko, Fundamental Problems of Modern Material Science, 14, No. 4: 438 (2017) (in Russian).
  33. Yu.F. Ivanov, A.A. Yuriev, V.E. Gromov, S.V. Konovalov, and O.A. Peregudov, Izvestiya. Chernaya Metallurgiya, 61, No. 2: 140 (2018) (in Russian). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-2-140-148
  34. V.E. Gromov, A.A. Yuriev, Yu.F. Ivanov, Konovalov, and O.A. Peregudov, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 39, No. 12: 1599 (2017) (in Russian). https://doi.org/10.15407/mfint.39.12.1599
  35. F.R. Egerton, Physical Principles of Electron Microscopy (Basel: Springer International Publishing: 2016).
  36. C.S.S.R. Kumar, Transmission Electron Microscopy. Characterization of Nanomaterials (New York: Springer: 2014).
  37. C.B. Carter and D.B. Williams, Transmission Electron Microscopy (Berlin: Springer International Publishing: 2016).
  38. G. Thomas, M.J. Goringe, Transmission Electron Microscopy of Materials (Moscow: Nauka: 1983) (Russian translation).
  39. P. Hirsch, A. Hovy, R. Nickolson, D. Pashley, and M. Whelan, Electron Microscopy of Fine Crystals (Moscow: Mir: 1968) (Russian translation).
  40. N.A. Koneva, Eh.V. Kozlov, L.I. Trishkina, and D.V. Lychagin, Proc. Int. Conf. on the New Methods in Physics and Mechanics of a Deformable Solid (Tomsk: TGU: 1990), p. 83 (in Russian).
  41. V.E. Gromov, Eh.V. Kozlov, V.I. Bazaikin, V.Ya. Tsellermayer, and Yu.F. Ivanov, Physics and Mechanics of Drawing and Die Forging (Moscow: Nedra: 1997) (in Russian).
  42. N.A. Koneva and Eh.V. Kozlov, Proceedings of Higher Schools. Physics, No. 8: 3(1982) (in Russian).
  43. V.G. Kurdyumov, L.M. Utevsky, and R.I. Entin, Transformations in Iron and Steel (Moscow: Nauka: 1977) (in Russian).
  44. Eh.V. Kozlov, V.A. Starenchenko, and N.A. Koneva, Metals, No. 5: 152 (1993) (in Russian).
  45. Yu.F. Ivanov, V.E. Gromov, N.A. Popova, S.V. Konovalov, and N.A. Koneva, Structural Phase States and Strengthening Mechanisms of Deformed Steel (Novokuznetsk: Polygraphist: 2016) (in Russian).
  46. Yu.F. Ivanov, E.V. Kornet, Eh.V. Kozlov, and V.E. Gromov, Quenched Structural Steel: Structure and Mechanisms of Strengthening (Novokuznetsk: SibSIU: 2010) (in Russian).
  47. M.I. Goldstein and B.M. Farber, Dispersion Strengthening of Steel (Moscow: Metallurgy: 1979) (in Russian).
  48. F.B. Pickering, Physical Metal Science and Treatment of Steels (Moscow: Metallurgy: 1982).
  49. A.A. Predvoditelev, Modern State of Research of Dislocation Ensembles. Problems of Modern Crystallography (Moscow: Nauka: 1975) (in Russian).
  50. D. Mc. Lin, Mechanical Properties of Metals (Moscow: Metallurgy: 1965) (Russian translation).
  51. I.D. Embyri, Strengthening Method in Crystals. Applied Science Publications, 331 (1971).
  52. Yu.F. Ivanov, V.E. Gromov, and E.N. Nikitina, Bainite Structural Steel: Structure and Mechanisms of Strengthening (Novokuznetsk: SibSIU: 2015) (in Russian).
  53. N.A. Koneva and Eh.V. Kozlov, Physical Nature of Stage Development of Plastic Deformation (Novosibirsk: Nauka: 1990) (in Russian).
  54. M.A. Shtremel, Strength of Alloys. Part II. Deformation. Textbook for Higher Schools (Moscow: MISiS: 1997) (in Russian).
  55. N.F. Mott and F.R.N. Nabarro, Proc. Phys. Soc., 52, No. 1: 86 (1940).
  56. B.Z. Belen’kii, B.M. Farber, and M.I. Goldstein, Fiz. Met. Metalloved., 39, No. 3: 403 (1975) (in Russian).
  57. T. Ridley, H. Stuart, and L. Zwell, Trans. Met. Soc. AIME, 246, No. 8: 1834 (1969).
  58. O. Vohringer and E. Macherauch, Hart.-Tech. Mitt., 32, No. 4: 153 (1977).
  59. T. Prnka, Metal Science and Thermal Treatment of Steel, 7: 3 (1979).
  60. V.E. Gromov, Yu. F. Ivanov, O.A. Peregudov, K.V. Morozov, and A.P. Semin, Usp. Fiz. Met., 17, No. 3: 253 (2016) (in Russian). https://doi.org/10.15407/ufm.17.03.253

Лицензия Creative Commons
Эта статья доступна по Лицензии Creative Commons “Attribution-NoDerivatives” («атрибуция — без производных статей») 4.0 Всемирная
© 2000 Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины