Выпуски МФиНТ »  Том 39, выпуск 12

Эволюция структуры и свойств дифференцированно закалённых рельсов в процессе длительной эксплуатации

В. Е. Громов$^{1}$, А. А. Юрьев$^{1}$, Ю. Ф. Иванов$^{2,3}$, С. В. Коновалов$^{4}$, О. А. Перегудов$^{5}$

$^{1}$Сибирский государственный индустриальный университет, ул. Кирова, 42, 654007 Новокузнецк, РФ
$^{2}$Институт сильноточной электроники СО РАН, просп. Академический, 2/3, 634055 Томск, РФ
$^{3}$Национальный исследовательский Томский государственный университет, просп. Ленина, 36, 634050 Томск, РФ
$^{4}$Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева, Московское шоссе, 34, Самара, РФ
$^{5}$Омский государственный технический университет, просп. Мира, 11, корп. 8, 644050 Омск, Россия

Получена: 30.08.2017. Скачать: PDF

Используя методы современного физического материаловедения, выявлены закономерности формирования и проведён сравнительный анализ структуры, фазового состава, дефектной субструктуры и свойств, формирующихся на расстоянии 0, 2, 10 мм от поверхности катания по центральной оси и по выкружке в головке 100-метровых дифференцированно закалённых рельсов после пропущенного тоннажа 691,8 млн. тонн брутто. Структура стали рельсов в исходном состоянии представлена зёрнами перлита пластинчатой морфологии, зёрнами структурно свободного феррита (зёрнами феррита, не содержащими в объёме частиц карбидной фазы) и зёрнами феррита, в объёме которых наблюдаются частицы цементита (далее по тексту — зёрна феррито-карбидной смеси) преимущественно в виде коротких пластинок и частиц глобулярной формы. Длительная эксплуатация сопровождается формированием градиентной субструктуры, выражающейся в закономерном изменении скалярной и избыточной плотностей дислокаций, амплитуды кривизны–кручения кристаллической решётки стали, степени деформационного преобразования структуры пластинчатого перлита. Показано, что разрушение пластин цементита колоний перлита протекает преимущественно по двум механизмам — путём разрезания скользящими дислокациями и в результате ухода атомов углерода из кристаллической решётки цементита на дислокации. Если в исходном состоянии атомы углерода в основном сосредоточены в частицах цементита, то после длительной эксплуатации рельсов, кроме частиц цементита, они находятся на дефектах кристаллической структуры стали (дислокациях, границах зёрен и субзёрен). Выявлен многофакторный характер упрочнения стали, определяющийся совокупностью структурных составляющих металла рельсов. Определены количественные показатели физических механизмов упрочнения. Показано, что, независимо от анализируемого объёма материала (выкружка или поверхность катания) и расстояния до рабочей поверхности, основной вклад в упрочнение металла рельсовой стали вносит дислокационная субструктура, формирующаяся в процессе эксплуатации рельсов.

Ключевые слова: структура, фазовый состав, дефектная субструктура, перераспределение углерода, механизмы упрочнения, рельсы, эксплуатация.

URL: http://mfint.imp.kiev.ua/ru/abstract/v39/i12/1599.html

PACS: 61.72.Lk, 62.20.M-, 62.20.Qp, 81.40.Ef, 81.40.Np, 81.40.Pq, 83.50.Uv

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
  1. Л. В. Корнева, Г. Н. Юнин, Н. А. Козырев и др., Изв. вуз. Чёрная металлургия, № 12: 38 (2010).
  2. Л. A. Смирнов, А. А. Дерябин, А. Б. Добужская и др., Бюллетень «Чёрная металлургия», № 6: 43 (2005).
  3. В. И. Семенов, Металлы Евразии, № 5: 30 (2000).
  4. Н. А. Козырев, В. В. Павлов, Л. A. Годик, В. П. Дементьев, Железнодорожные рельсы из электростали (Новокузнецк: Евраз Холдинг: 2006).
  5. V. E. Gromov, A. B. Yuriev, K. V. Morozov, and Yu. F. Ivanov, Microstructure of Quenched Rails (Cambridge: CISP Ltd.: 2016).
  6. А. И. Борц, Е. А. Шур, В. М. Федин, Улучшение качества и условий эксплуатации рельсов и рельсовых скреплений: Сб. научных трудов (Екатеринбург: ОАО «УИМ»: 2011), с. 94.
  7. В. Е. Громов, К. В. Морозов, О. А. Перегудов, Ю. Ф. Иванов, А. Б. Юрьев, Формирование микроструктуры рельсов при закалке и длительной эксплуатации (Новокузнецк: Изд-во СибГИУ: 2017).
  8. Е. А. Шур, Повреждение рельсов (Москва: Ин-текст: 2012).
  9. Yu. Ivanisenko and H. J. Fecht, Steel Tech., 3, No. 1: 19 (2008).
  10. Yu. Ivanisenko, I. Maclaren, X. Souvage, R. Z. Valiev, and H. J. Fecht, Acta Mater., 54: 1659 (2006). Crossref
  11. J.-L. Ning, E. Courtois-Manara, L. Kormanaeva, A. V. Ganeev, R. Z. Valiev, C. Kubel, and Yu. Ivanisenko, Mater. Sci. Eng. A, 581: 81 (2013). Crossref
  12. V. G. Gavriljuk, Mater. Sci. Eng. A, 345: 81 (2003). Crossref
  13. Y. J. Li, P. Chai, C. Bochers, S. Westerkamp, S. Goto, D. Raabe, and R. Kirchheim, Acta Mater., 59: 3965 (2011). Crossref
  14. V. G. Gavriljuk, Scr. Mater., 45: 1469 (2001). Crossref
  15. В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, О. А. Перегудов, К. В. Морозов, А. П. Семин, Успехи физики металлов, 17, № 3: 253. Crossref
  16. В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, Е. Г. Белов, В. Б. Костерев, Д. А. Косинов, Успехи физики металлов, 17, № 4: 303 (2016). Crossref
  17. В. Е. Кормышев, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, С. В. Коновалов, Успехи физики металлов, 18, № 2: 111 (2017). Crossref
  18. Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, О. А. Перегудов, К. В. Морозов, А. Б. Юрьев, Изв. высших учебных заведений. Чёрная металлургия, 58, № 4: 262 (2015).
  19. О. А. Перегудов, К. В. Морозов, В. Е. Громов, А. М. Глезер, Ю. Ф. Иванов, Деформация и разрушение материалов, № 11: 34 (2015).
  20. В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, К. В. Морозов, О. А. Перегудов, К. В. Алсараева, Н. А. Попова, Е. Л. Никоненко, Фундаментальные проблемы современного материаловедения, 12, № 2: 203 (2015).
  21. Ю. Ф. Иванов, К. В. Морозов, О. А. Перегудов, В. Е. Громов, Н. А. Попова, Е. Л. Никоненко, Проблемы чёрной металлургии и материаловедения, № 3: 59 (2015).
  22. В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, К. В. Морозов, О. А. Перегудов, Н. А. Попова, Е. Л. Никоненко, Проблемы чёрной металлургии и материаловедения, № 4: 98 (2015).
  23. В. Е. Громов, О. А. Перегудов, Ю. Ф. Иванов, К. В. Морозов, К. В. Алсараева, Вопросы материаловедения, 3 (вып. 83): 30 (2015).
  24. К. В. Морозов, В. Е. Громов, О. А. Перегудов, Ю. Ф. Иванов, А. Б. Юрьев, К. В. Аксёнова, Проблемы чёрной металлургии и материаловедения, № 1: 53 (2016).
  25. Ю. Ф. Иванов, К. В. Морозов, О. А. Перегудов, В. Е. Громов, Изв. высших учебных заведений. Чёрная металлургия, 59, № 8: 576 (2016).
  26. Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, А. М. Глезер, О. А. Перегудов, К. В. Морозов, Изв. РАН. Серия физическая, 80, № 12: 1682 (2016).
  27. V. E. Gromov, O. A. Peregudov, Y. F. Ivanov, K. V. Morozov, K. V. Alsaraeva, and O. A. Semina, J. Surface Investigation. X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 10, Iss. 1: 76 (2016). Crossref
  28. 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, Mater. Electronics Eng., 2, No. 4: 1 (2015). Crossref
  29. Yu. F. Ivanov, V. E. Gromov, O. A. Peregudov, K. V. Morozov, and A. B. Yur’ev, Steel in Translation, 45, No. 4: 254 (2015). Crossref
  30. O. A. Peregudov, V. E. Gromov, Yu. F. Ivanov, K. V. Morozov, K. V. Alsaraeva, and O. A. Semina, AIP Conference Proceedings, 1683, No. 020179 (2015).
  31. V. E. Gromov, K. V. Morozov, A. B. Yur’ev, and O. A. Peregudov, Steel in Translation, 45, No. 10: 759 (2015). Crossref
  32. Yu. F. Ivanov, O. A. Peregudov, K. V. Morozov, V. E. Gromov, N. A. Popova, and E. N. Nikonenko, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 112, No. 012038 (2016).
  33. 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, No. 1: 38 (2016). Crossref
  34. V. E. Gromov, O. A. Peregudov, Y. F. Ivanov, A. M. Glezer, K. V. Morozov, K. V. Aksenova, and O. A. Semina, AIP Conference Proceedings, 1783: No. 020069 (2016).
  35. Л. И. Тушинский, А. А. Батаев, Л. Б. Тихомирова, Структура перлита и конструктивная прочность стали (Новосибирск: Наука: 1993).
  36. Yu. F. Ivanov, V. E. Gromov, and E. N. Nikitina, Bainitic Constructional Steel: Structure and Hardening Mechanisms (Cambridge: CISP Ltd.: 2017).
  37. Ю. Ф. Иванов, Е. В. Корнет, Э. В. Козлов, В. Е. Громов, Закалённая конструкционная сталь: структура и механизмы упрочнения (Новокузнецк: Изд-во СибГИУ: 2010).
  38. Х. Вашуль, Практическая металлография. Методы изготовления образцов (Москва: Металлургия: 1988).
  39. В. С. Чернявский, Стереология в металловедении (Москва: Металлургия: 1977).
  40. С. А. Салтыков, Стереометрическая металлография (Москва: Металлургия: 1970).
  41. J. M. Zuo and J. C. H. Spence, Advanced Transmission Electron Microscopy (New York: Springer: 2017). Crossref
  42. B. Fultz and J. Howe, Transmission Electron Microscopy and Diffractometry of Materials (Berlin: Springer: 2013). Crossref
  43. J. Thomas and T. Gemming, Analytical Transmission Electron Microscopy (Dordrecht, Netherlands: Springer: 2014). Crossref
  44. F. R. Egerton, Physical Principles of Electron Microscopy (Basel: Springer International Publishing: 2016). Crossref
  45. C. S. S. R. Kumar, Transmission Electron Microscopy. Characterization of Nanomaterials (New York: Springer: 2014). Crossref
  46. C. B. Carter and D. B. Williams, Transmission Electron Microscopy (Berlin: Springer International Publishing: 2016). Crossref
  47. H. Schumann, Metallographie (Leipzig: VEB: 1964).
  48. А. А. Клопотов, Ю. А. Абзаев, А. И. Потекаев, О. Г. Волокитин, В. Д. Клопотов, Физические основы рентгеноструктурного исследования кристаллических материалов (Томск: Изд-во Томского политехнического университета: 2013).
  49. Н. А. Конева, Д. В. Лычагин, Л. А. Теплякова и др., Экспериментальное исследование и теоретическое описание дисклинаций (Ленинград: ФТИ: 1984), с. 161.
  50. Н. А. Конева, Д. В. Лычагин, С. П. Жуковский и др., Физ. мет. металловед., 60, № 1: 171 (1985).
  51. П. Хирш, А. Хови, П. Николсон, Д. Пэшли, М. Уэлан, Электронная микроскопия тонких кристаллов (Москва: Мир: 1968).
  52. Н. А. Конева, Э. В. Козлов, Известия вузов. Физика, № 8: 3 (1982).
  53. Н. А. Конева, Д. В. Лычагин, Л. А. Теплякова и др., Дисклинации и ротационная деформация твёрдых тел (Ленинград: Изд. ФТИ: 1988), с. 103.
  54. Л. А. Теплякова, Л. Н. Игнатенко, Н. Ф. Касаткина и др., Пластическая деформация сплавов. Структурно-неоднородные материалы (Томск: Изд. ТГУ: 1987), с. 26.
  55. Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, Н. А. Попова, С.В. Коновалов, Н. А. Конева, Структурно-фазовые состояния и механизмы упрочнения деформированной стали (Новокузнецк: Полиграфист: 2016).
  56. И. И. Беркович, Д. Г. Громаковский, Трибология. Физические основы, механика и технические приложения: Учебник для вузов (Ред. Д. Г. Громаковский) (Самара: Самарский гос. техн. ун-т: 2000).
  57. Л. М. Утевский, Дифракционная электронная микроскопия в металловедении (Москва: Металлургия: 1973).
  58. В. Е. Громов, Э. В. Козлов, В. И. Базайкин, Ю. Ф. Иванов и др., Физика и механика волочения и объёмной штамповки (Москва: Недра: 1997).
  59. Г. Томас, М. Дж. Гориндж, Просвечивающая электронная микроскопия материалов (Москва: Наука: 1983).
  60. Н. А. Конева, Э. В. Козлов, Л. И. Тришкина, Д. В. Лычагин, Сб. трудов международной конференции «Новые методы в физике и механике деформируемого твёрдого тела» (Томск: ТГУ: 1990), с. 83.
  61. Н. Конева, С. Киселева, Н. Попова, Эволюция структуры и внутренние поля напряжений. Аустенитная сталь (Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing: 2017).
  62. В. Г. Гаврилюк, Д. С. Герцрикен, Ю. А. Полушкин, В. М. Фальченко, Физ. мет. металловед., 51, № 1: 147 (1981).
  63. В. Н. Гриднев, В. Г. Гаврилюк, Металлофизика, 4, № 3: 74 (1982).
  64. Р. Ф. Мейл, У. К. Хагель, Успехи физики металлов (Москва: Металлургия: 1960), с. 88.
  65. М. В. Белоус, В. Т. Черепин, Физ. мет. металловед., 14, № 1: 48 (1962).
  66. В. Г. Гаврилюк, Распределение углерода в стали (Киев: Наукова думка: 1987).
  67. О. М. Смирнов, В. А. Лазарев, Физ. мет. металловед., 56, № 1: 115.
  68. А. А. Батаев, Закономерности пластической деформации перлита и разработка эффективных процессов упрочнения сталей с гетерофазной структурой (Дисс. … докт. техн. наук) (Новосибирск: 1995).
  69. Э. В. Козлов, Д. М. Закиров, Н. А. Попова и др., Изв. вузов. Физика, № 3: 63 (1998).
  70. В. Е. Громов, В. А. Бердышев, Э. В. Козлов, В. И. Петров, В. Д. Сарычев, В. В. Дорофеев, Ю. Ф. Иванов, Л. Н. Игнатенко, Н. А. Попова, В. Я. Целлермаер, Градиентные структурно-фазовые состояния в рельсовой стали (Москва: Недра коммюникейшинс ЛТД: 2000).
  71. А. М. Гурьев, Э. В. Козлов, Л. Н. Игнатенко, Н. А. Попова, Физические основы термоциклического борирования сталей (Барнаул: АлтГТУ: 2000).
  72. Н. А. Попова, С. Г. Жулейкин, Л. Н. Игнатенко и др., Вестник Тамбовского университета, 8, № 4: 589 (2003).
  73. В. В. Ветер, Н. А. Попова, Л. Н. Игнатенко, Э. В. Козлов, Изв. вузов. Чёрная металлургия, № 10: 44 (1994).
  74. В. В. Ветер, С. Г. Жулейкин, Л. Н. Игнатенко, В. В. Коваленко, В. Е. Громов, Н. А. Попова, Э. В. Козлов, Изв. АН. Серия физическая, 67, № 10: 1375 (2003).
  75. В. Г. Курдюмов, Л. М. Утевский, Р. И. Энтин, Превращения в железе и стали (Москва: Наука: 1977).
  76. М. В. Белоус, Ю. Н. Москаленок, В. Т. Черепин, Ю. П. Шейко, С. Мешашти, Физ. мет. металловед., 80, вып. 3: 103 (1995).
  77. М. В. Белоус, В. Б. Новожилов, Л. С. Шаталова, Ю. П. Шейко, Физ. мет. металловед., 79, вып. 4: 128 (1995).
  78. В. И. Изотов, А. Г. Козлова, Физ. мет. металловед., 80, вып. 1: 97 (1995).
  79. В. И. Изотов, Г. А. Филиппов, Физ. мет. металловед., 87, вып. 4: 72 (1999).
  80. G. R. Speich, Trans. Met. Soc. AIME, 245, No. 10: 2553 (1969).
  81. D. Kalich and E. M. Roberts, Met. Trans., 2, No. 10: 2783 (1971). Crossref
  82. E. J. Fasiska and H. Wagenblat, Trans. Met. Soc. AIME, 239, No. 11: 1818 (1967).
  83. N. Ridley, H. Stuart, and L. Zwell, Trans. Met. Soc. AIME, 246, No. 8: 1834 (1969).
  84. С. И. Веселов, Е. З. Спектор, Физ. мет. металловед., 34, № 5: 895 (1972).
  85. Ю. М. Лахтин, Металловедение и термическая обработка металлов (Москва: Металлургия: 1977).
  86. G. Thomas and M. Sarikaya, Proc. Itn. Conf. Solid-Solid Phases Transform. (Pittsburgh, PA, 10–14 Aug., 1981) (Warrendale: 1982), p. 999.
  87. M. Sarikaya, G. Thomas, J. W. Steeds et al., Proc. Itn. Conf. Solid-Solid Phases Transform. (Pittsburgh, PA, 10–14 Aug., 1981) (Warrendale: 1982), p. 1421.
  88. Ю. Ф. Иванов, Н. А. Попова, С. А. Гладышев, Э. В. Козлов, Взаимодействие дефектов кристаллической решётки и свойства: Сб. трудов (Тула: ТулПИ: 1986), с. 100.
  89. А. А. Клопотов, Ю. А. Абзаев, А. И. Потекаев, О. Г. Волокитин, В. Д. Клопотов, Физические основы рентгеноструктурного исследования кристаллических материалов (Томск: Изд-во Томского политехнического университета: 2013).
  90. А. Е. Вол, Строение и свойства двойных металлических систем (Москва: Гос. изд. физико-математической литературы: 1962), т. 2.
  91. М. И. Гольдштейн, Б. М. Фарбер, Дисперсионное упрочнение стали (Москва: Металлургия: 1979).
  92. Ф. Б. Пикеринг, Физическое металловедение и обработка сталей (Москва: Металлургия: 1982).
  93. М. А. Штремель, Прочность сплавов. Часть II. Деформация: Учебник для вузов (Москва: МИСиС: 1997).
  94. В. Е. Громов, О. А. Перегудов, Ю. Ф. Иванов, С. В. Коновалов, А. А. Юрьев, Эволюция структурно-фазовых состояний металла рельсов при длительной эксплуатации (Новосибирск: Изд-во СО РАН: 2017).
  95. Д. Мак Лин, Механические свойства металлов (Москва: Металлургия: 1965).
  96. А. А. Предводителев, Проблемы современной кристаллографии (Москва: Наука: 1975), с. 262.
  97. I. D. Embyri, Strengthening Method in Crystals (Applied Science Publishers: 1971), p. 331.
  98. Н. А. Конева, Э. В. Козлов, Л. И. Тришкина, Д. В. Лычагин, Сб. трудов международной конференции «Новые методы в физике и механике деформируемого твёрдого тела» (Томск: ТГУ: 1990), с. 83.
  99. N. F. Mott and F. R. N. Nabarro, Proc. Phys. Soc., 52, No. 1: 86 (1940). Crossref
  100. В. Е. Громов, А. А. Юрьев, К. В. Морозов, Ю. Ф. Иванов, С. В. Коновалов, О. А. Перегудов, А. М. Глезер, Фундаментальные проблемы современного материаловедения, 14, № 2: 267 (2017).

© 2013–2017 «ИМФ НАН Украины»