Using methods of modern physical materials science, structural-phase states and mechanical properties of the rolling surface have been analyzed at distance of 0 to 22 mm along the central axis and along the fillet of differentially hardened 100 m rails of DT 350 category manufactured by JSC “EVRAZ – United West Siberian Metallurgical Plant” after their long-term operation (passed gross tonnage of 1.411 million tons) on experimental test ring. In terms of chemical composition, metal of the rails meets TU 0921-276-01124323 – 2012 requirements for E76KhF steel. Impact strength and hardness on head surface and along cross-section meet TU specifications. Microstructure of rails metal is represented by finely dispersed plate perlite of 1.5 points with inclusions of excessive ferrite along the grain boundaries (1.5 points by GOST 8233 scale No. 7). Interlamellar distance in the rail head varies between 0.10 and 0.15 microns. Long-term operation of rails is accompanied by development of gradient structure, manifested in regular change in hardness, microhardness, impact strength along cross-section of the rail head. Microhardness at 2 mm depth from the rolling surface is 1481 – 1486 MPa. At 10 mm depth microhardness decreases to 1210 – 1385 MPa, which is caused by an increase in interlamellar distance and decrease in the level of strain hardening of metal during long-term operation of rails. It has been suggested that this may be due to an increase in interlamellar distance and a decrease in level of strain hardening during long-term operation.

No abstract

1 АО «ЕВРАЗ-Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» (654043, Россия, Кемеровская обл., Новокузнецк, шоссе Космическое, 16) 2 Сибирский государственный индустриальный университет (654007, Россия, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42) 3 Омский государственный технический университет (644050, Россия, Омск, пр. Мира, 11) Аннотация. Методами оптической и просвечивающей электронной дифракционной микроскопии изучена эволюция структурно-фазовых состояний поверхностных слоев головки дифференцированно закаленных рельсов категории ДТ350 на глубину до 10 мм по выкружке после пропущенного тоннажа 691,8 млн. т брутто на экспериментальном кольце АО «ВНИИЖТ». Показано, что в исходном состоянии в головке рельсов присутствуют следующие структурные составляющие: зерна пластинчатого перлита (относительное содержание 0,7), зерна феррито-карбидной смеси (0,25), зерна структурно свободного феррита. После пропущенного тоннажа 691,8 млн. т брутто такое состояние сохраняется лишь на глубине свыше 10 мм. Отличительной особенностью структуры на этом расстоянии является большое количество изгибных экстинкционных контуров, что указывает на упругопластические искажения кристаллической решетки материала, Концентраторами напряжений исследуемой стали являются внутрифазные и межфазные границы раздела зерен феррита и перлита, пластин цементита и феррита колоний перлита, частиц глобулярного цементита и феррита. Преобразование структуры проявляется на макроуровне в формировании микротрещин, проходящих под острым углом к поверхности на глубину до 140 мкм, и в формировании обезуглероженного слоя. На микроуровне выявлено формирование упругопластических полей напряжений и разрушение пластин цементита перлитных колоний. Показано, что концентраторами напряжений являются внутри-и межфазные границы раздела зерен феррита и перлита, пластин цементита и феррита колоний феррита, частиц глобулярного цементита и феррита. В зернах структурно свободного феррита отмечено образование наноразмерных частиц цементита. Проведено сравнение с результатами эволюции структурно-фазовых состояний по выкружке объемно закаленных рельсов после пропущенного тоннажа 500 млн. т брутто: наиболее существенные преобразования структурно-фазовых состояний наблюдаются в поверхностных слоях. Эволюция структурно-фазового состояния перлита пластинчатой морфологии заключается в растворении пластин цементита, что приводит к формированию на месте пластины цементита цепочки частиц карбидной фазы глобулярной формы. Это возможно вследствие ухода атомов углерода из кристаллической решетки цементита на дислокации.

A mathematical model was developed and a mechanism was proposed for the formation of nanoscale structural-phase states on the example of rail steel at long-term operation. It was believed that during intense plastic deformations, the material behaves like a viscous incompressible fluid. In order to take into account the sliding of the wheel relative to the rail, a two-layer fluid model was proposed, the top layer of which slides at a certain speed relative to the first. In this case, the Kelvin-Helmholtz instability develops. For each layer, we have written the Navier-Stokes equations and kinematic and dynamic boundary conditions. Solution of the obtained system in the form of normal perturbation modes was carried out on the basis of assumption of the viscous-potential material flow. In this approximation, it was believed that viscosity effects occur only at the layer interface. A dispersion equation was derived, which was analyzed using a graphical representation of the functions included in the analytical solution. A range of characteristics of the material and parameters of the external influence (the velocity of the layer) was established, at which two peaks are observed in dependence of disturbances growth rate on the wave number. The first (hydrodynamic) maximum is due to the motion of the layers relative to each other; the second is associated with the effects of fluid viscosity. Approximate formulas were obtained for dependence of the growth rate of perturbations on the wave number. Conditions for realization of only one maximum were found. The viscously determined maximum at slip velocities of the order of 1 m/s can be in the nanoscale wavelength range. Assuming that the white layer in the rails during long-term operation is formed mainly due to the action of intense plastic deformations, we believe that the obtained results detail the mechanism of white layers formation in the rails in this case.

Методами современного физического материаловедения выполнены исследования структуры, фазового состава и дислокационной субструктуры, формирующиеся на поверхности головки объемно и дифференцированно закаленных рельсов при интенсивной пластической деформации (пропущенный тоннаж 692 и 1000 млн. тонн, соответственно). Структура рельсовой стали в исходном состоянии представлена зернами перлита пластинчатой морфологии, зернами структурносвободного феррита и зернами ферритокарбидной смеси. Для обоих типов рельсов при эксплуатации выявлено формирование градиентной структуры, характеризующейся почти полным разрушением колоний пластинчатого перлита. Интенсивная пластическая деформация, реализующаяся при длительной эксплуатации рельсов сопровождается одновременным протеканием двух процессов разрушения пластин цементита путем разрезания скользящими дислокациями и растаскивания их осколков и в результате вытягивания атомов углерода из кристаллической решетки цементита вследствие заметной разницы энергии связи атомов углерода с дислокациями (0,6 эВ) и с атомами железа в кристаллической решетке цементита (0,4 эВ). Показано, что если в исходном состоянии основное количество атомов углерода сосредоточено в частицах цементита, то после длительной эксплуатации рельсов местом расположения углерода наряду с частицами цементита являются дефекты кристаллической структуры (дислокации, границы зерен и субзерен). Проведены количественные теоретические оценки аддитивного предела текучести поверхности металла рельсов на основе анализа многофакторного характера упрочнения, обусловленного формированием дислокационной субструктуры и малоугловых границ субзерен и фрагментов, частиц карбидной фазы (дисперсионное упрочнение), твердого раствора на основе железа (твердорастворное упрочнение) и дальнодействующих полей напряжений. Установлено, что для объемнозакаленных рельсов основной вклад в упрочнение поверхности вносит субзереннный механизм упрочнения, а для дифференцированно закаленных дислокационная субструктура.