Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2020, T. 494, № 1, стр. 89-92
РОЛЬ КРИВИЗНЫ РЕШЕТКИ В ДЕГРАДАЦИИ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МЕТАЛЛА РЕЛЬСОВ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Академик РАН В. Е. Панин 1, В. Е. Громов 2, *, Ю. Ф. Иванов 3, А. А. Юрьев 4, В. Е. Кормышев 2
1 Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук
Томск, Россия
2 Сибирский государственный индустриальный университет
Новокузнецк, Россия
3 Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук
Томск, Россия
4 АО “ЕВРАЗ – Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат”
Новокузнецк, Россия
* E-mail: gromov@physics.sibsiu.ru
Поступила в редакцию 17.07.2020
После доработки 17.07.2020
Принята к публикации 20.07.2020
Аннотация
Проведен анализ эволюции/деградации структуры и фазового состава материала головки 100-метровых дифференцированно закаленных рельсов после экстремально длительной эксплуатации. Показано, что подобные условия нагружения приводят к различным структурным трансформациям на поверхности головки рельсов. Образование кривизны решетки в междоузлиях кристалла и возникновение там высокоподвижных межузельных структурных состояний обусловливает растворение перлита. Оно происходит на глубину ≈10 мм. В поверхности катания в слое ≈2 мм на него накладывается образование наномасштабной субструктуры, на границах которой выделяются наночастицы карбидной фазы. Разрушение металла рельсов в первую очередь будет протекать в поверхностном слое выкружки, где формируется критический уровень кривизны кристаллической решетки и максимальна концентрация межузельных вакансий.
Проблема поведения рельсов при длительной эксплуатации и анализ причин их выхода из строя вызывает большой интерес [1]. Фундаментальные исследования механизмов постепенной деградации структуры в деформируемом материале [2] позволят решить практически значимую проблему повышения надежности рельсов в условиях непрерывного повышения нагрузок на ось и скоростей движения.
Одним из ключевых путей формирования высоких эксплуатационных свойств является установление закономерностей структурно-фазовых трансформаций при длительной эксплуатации рельсов в рамках представлений о кривизне кристаллической решетки [2–4].
Возникновение контактных давлений в металле головки рельсов уже при сравнительно небольшом пропущенном тоннаже вызывает значительные необратимые изменения. Они касаются поверхностных слоев, где наблюдаются существенное изменение структуры, аномально высокие значения микротвердости, явления растворения цементита и пр. Это может являться причиной выхода рельсов из строя [5–9].
Выполненные ранее исследования [1, 8–11] убедительно показали, что разрушение металла рельсов инициируется именно в поверхностном слое. Целью настоящей работы является анализ механизмов деградации структуры и фазового состава металла головки рельсов после экстремально длительной эксплуатации.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве материала исследования использованы 100-метровые дифференцированно закаленные рельсы категории ДТ350, изъятые из пути на Экспериментальном кольце РЖД в Щербинке после пропущенного тоннажа 1411 млн тонн брутто. По химическому составу металл пробы удовлетворял требованиям технических условий для стали марки Э76ХФ (C: 0.71–0.82; Si: 0.25–0.60; Mn: 0.75–1.25; Cr: 0.2–0.8; V: 0.03–0.15; Fe – основа). Исследования структуры и фазового состава металла рельсов на различных расстояниях от поверхности катания осуществляли методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Дифференцированная закалка рельсов сжатым воздухом приводит к формированию поликристаллической структуры, представленной зернами перлита (пластинчатой и глобулярной морфологии, рис. 1а, 1б) и малым количеством зерен феррита (до 5% структуры стали, указаны стрелками). Исследования методом просвечивающей электронной микроскопии показали, что пластическая деформация металла, имеющая место при эксплуатации рельсов, сопровождается существенной трансформацией структуры перлита. Выявлены два механизма.
Рис. 1.
Структура металла рельсов в исходном состоянии (а, б) и после длительной эксплуатации (в, г); в – поверхностный слой рабочей выкружки; г – поверхностный слой поверхности катания; а – сканирующая, б–г – просвечивающая электронная микроскопия.
Первый механизм сопровождается преимущественно изменением их линейных размеров и морфологии. После наработки 1411 млн тонн брутто разрушение пластин цементита перлитных колоний развивается в поверхностном слое на глубине до ≈10 мм. Второй механизм проявляется в уходе атомов углерода из кристаллической решетки цементита с последующим выделением наноразмерных частиц карбидной фазы на субграницах. Данный механизм разрушения цементита характерен для поверхностного слоя толщиной до ≈2 мм.
Установлено, что в наибольшей степени подобная деградация структуры наблюдается в поверхностном слое металла головки рельсов. В объеме растворенного перлита формируется субмикро- и нанокристаллическая структура легированного α-железа (ОЦК-кристаллическая решетка) (рис. 1в, 1г). По границам субзерен располагаются частицы карбидной фазы. В поверхностном слое рабочей выкружки размеры субзерен изменяются в пределах 30–40 нм (рис. 1в), в то время как в поверхностном слое поверхности катания – 150–300 нм (рис. 1г). Относительное содержание субзеренной структуры в поверхностном слое рабочей выкружки составляет 25%; в поверхностном слое поверхности катания – 15%.
В литературе показано [12], что возникновение при пластической деформации кривизны решетки сопровождается образованием зон генерации высокоподвижных наноструктурных дефектов, энергия миграции которых составляет всего 0.15 эВ. При создании кривизны решетки в низколегированной стали в [13] наблюдали смещение низкоэнергетических электронов в междоузлия, чтобы заэкранировать там наноструктурные дефекты. В условиях создания во всем объеме сплава Ti-6Al-4V кривизны решетки, в [2] при ударном изгибе при T = –70°C на поверхности разрушения наблюдали вязкое выдавливание потоков наномасштабных дефектов. При лазерной сварке низколегированной стали исключается образование хрупких карбидов, если предварительно в стали создать кривизну решетки [14]. Кривизна решетки является основой анализа пластичности твердых тел.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Длительная эксплуатация рельсов сопровождается деградацией структуры колоний пластинчатого перлита по двум механизмам. Основным из них является растворение перлита высокоподвижными межузельными вакансиями в зонах кривизны решетки в слое толщиной ≈10 мм. На него накладывается вязкое разрушение в слое толщиной ≈2 мм, где формируется нанокристаллическая субзеренная структура с выделениями наночастиц карбидной фазы. Разрушение металла рельсов будет протекать в поверхностном слое выкружки, где формируется критический уровень кривизны кристаллической решетки с образованием высокой концентрации межузельных вакансий.
Список литературы
Громов В.Е., Перегудов О.А., Иванов Ю.Ф. и др. Эволюция структурно-фазовых состояний металла рельсов при длительной эксплуатации. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2017.
Панин В.Е., Панин А.В., Перевалова О.Б. и др. Влияние кривизны кристаллической решетки на иерархию масштабов деформационных дефектов и характер пластического течения металлических материалов // Физ. мезомех. 2020. Т. 23. № 4. С. 5–10.
Panin V.E., Derevyagina L.S., Panin S.V., et al. The Role of Nanoscale Strain-Induced Defects in the Sharp Increase of Low-Temperature Toughness in Low-Carbon and Low-Alloy Steels // Mater. Sci. Eng. A. 2019. V. 768. P. 138491.
Panin V.E., Egorushkin V.E., Panin A.V., et al. Plastic Distortion as a Fundamental Mechanism in Nonlinear Mesomechanics of Plastic Deformation and Fracture // Phys. Mesomech. 2016. V. 19. № 3. P. 255–268.
Ivanisenko Yu., Fecht H.J. Microstructure Modification in the Surface Layers of Railway Rails and Wheels // Steel tech. 2008. V. 3. № 1. P. 19–23.
Ivanisenko Yu., Maclaren I., Souvage X., et al. Shear-Induced α → γ Transformation in Nanoscale Fe–C Composite // Acta Mater. 2006. V. 54. P. 1659–1669.
Seo J.-W., Jun H.-K., Kwon S.-J., et al. Rolling Contact Fatigue and Wear of Two Different Rail Steels under Rolling–Sliding Contact // Intern. J. Fatigue. 2016. V. 83. P. 184–194.
Lewis R., Christoforou P., Wang W.J., et al. Investigation of the Influence of Rail Hardness on the Wear of Rail and Wheel Materials under Dry Conditions (ICRI wear mapping project) // Wear. 2019. V. 430–431. P. 383–392.
Skrypnyk R., Ekh M., Nielsen J.C.O., et al. Prediction of Plastic Deformation and Wear in Railway Crossings – Comparing the Performance of Two Rail Steel Grades // Wear. 2019. V. 428–429. P. 302–314.
Kim D., Quagliato L., Park D., et al. Lifetime Prediction of Linear Slide Rails Based on Surface Abrasion and Rolling Contact Fatigue-Induced Damage // Wear. 2019. V. 420–421. P. 184–194.
Kormyshev V.E., Gromov V.E., Ivanov Yu.F., et al. Structural Phase States and Properties of Rails after Long-Term Operation // Materials Letters. 2020. V. 268. P.127499.
Matsukawa Y., Zinkle S.J. One-Dimensional Fast Migration of Vacancy Clusters in Metals // Science. 2007. V. 318. P. 959–962.
Панин В.Е., Шулепов И.А., Деревягина Л.С. и др. Создание наномасштабных мезоскопических структурных состояний для образования мартенситных фаз в низколегированной стали с целью получения высокой низкотемпературной ударной вязкости // Физ. мезомех. 2019. Т. 22. № 6. С. 5–13.
Derevyagina L.S., Gordienko A.I., Orishich A.M., et al. Microstructure of Intercritical Heat Affected Zone and Toughness of Microalloyed Steel Laser Welds // Mater. Sci. Eng. A. 2020. V. 770. № 7. P. 138522. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138522
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки
Пн.-пт.: 10.00-19.00