Механизмы упрочнения тяжелонагруженных рельсов из заэвтектоидной стали при длительной эксплуатации

С использованием методов просвечивающей электронной микроскопии изучены структурнофазовые состояния и дефектная субструктура на расстояниях 0, 2 и 10 мм от поверхности по центральной оси и радиусу скругления выкружки головки дифференцированно закаленных длинномерных рельсов категории ДТ400ИК из заэвтектоидной стали после эксплуатации на Забайкальской железной дороге (пропущенный тоннаж 234,7 млн. т брутто). Установлено, что прочностные характеристики стали определяются действием ряда физических механизмов. Проведена качественная оценка вкладов, обусловленных трением кристаллической решетки, твердорастворным упрочнением, упрочнением перлитной составляющей, некогерентными частицами цементита, границами и субграницами зерен, дислокационной субструктурой и внутренними полями напряжений, установлена их иерархия. Выполнена количественная оценка аддитивного предела текучести стали по разным направлениям в зависимости от расстояния от поверхности катания. Показано, что основными механизмами упрочнения являются упрочнение некогерентными частицами, дальнодействующими полями напряжений и субструктурное упрочнение. Аддитивный предел текучести на поверхности выкружки значительно больше, чем на поверхности катания головки по центральной оси.

1. Юрьев А. А., Кузнецов Р. В., Громов В. Е., Иванов Ю. Ф., Шлярова Ю. А. Длинномерные рельсы: структура и свойства после сверхдлительной эксплуатации. Изд. 2-е. – Новокузнецк: Полиграфист–, 2022. – 311 с.

2. Шур Е. А. Повреждения рельсов. – М.: Интекст, 2012. – 153 с.

3. Иванов Ю. Ф., Морозов К. В., Перегудов О. А., Громов В. Е. Эксплуатация рельсовой стали: деградация структуры и свойств поверхностного слоя // Изв. вузов. Черная Металлургия. – 2016. – Т. 59, № 8. – С. 576–580. DOI: 10.17073/0368-0797-2016-8-576-580.

4. Steenbergen M. Rolling contact fatigue: Spalling versus transverse fracture of rails // Wear. – 2017. – V. 380–381. – P. 96–105. DOI: 10.1016/j.wear.2017.03.003.

5. Иванов Ю. Ф., Кормышев В. Е., Громов В. Е., Юрьев А. А., Глезер А. М., Рубанникова Ю. А. Механизмы упрочнения металла рельсов при длительной эксплуатации // Вопросы материаловедения. 2020. – № 3 (103). – С. 17–28. DOI: 10.22349/1994-6716-2020-103-3-17-28.

6. Miranda R. S., Rezende A. B., Fonseca S. T., Fernandes F. M., Sinatora A., Mei P. R. Fatigue and wear behavior of pearlitic and bainitic microstructures with the same chemical composition and hardness using twin-disc tests // Wear. – 2022. – V. 494–495. – P. 204253. DOI: 10.1016/j.wear.2022.204253.

7. Pereira H. B., Alves L. H. D., Rezende A. B., Mei P. R., Goldenstein H. Influence of the microstructure on the rolling contact fatigue of rail steel: Spheroidized pearlite and fully pearlitic microstructure analysis // Wear. – 2022. – V. 498–499. – P. 204299. DOI: 10.1016/j.wear.2022.204299.

8. Zhang S.-Y., Spiryagin M., Lin Q., Ding H.-Н., Wu Q., Liu Q.-Y., Wang W.-J. Study on wear and rolling contact fatigue behaviours of defective rail under different slip ratio and contact stress conditions // Tribology International. – 2022. – V. 169. – P. 107491. DOI: 10.1016/j.triboint.2022.107491.

9. Ma L., Guo J., Liu Q.Y., Wang W.J. Fatigue crack growth and damage characteristics of highspeed rail at low ambient temperature // Engineering Failure Analysis. – 2017. – V. 82. . – P. 802–815. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2017.07.026

10. Hu Y., Zhou L., Ding H. H., Tan G. X., Lewis R., Liu Q. Y., Guo J., Wang W. J. Investigation on wear and rolling contact fatigue of wheel-rail materials under various wheel/rail hardness ratio and creepage conditions // Tribology International. – 2020. – V. 143. – P. 106091. DOI: 10.1016/j.triboint.2019.106091.

11. Rong K., Xiao Ye., Shen M., Zhao H., Wang W., Xiong G. Influence of ambient humidity on the adhesion and damage behavior of wheel–rail interface under hot weather condition // Wear. – 2021. – V. 486–487. – P. 204091. DOI: 10.1016/j.wear.2021.204091.

12. Zhou L., Ding H., Han Z., Chen C., Liu Q., Guo J., Wang W. Study of rolling-sliding contact damage and tribo-chemical behaviour of wheel-rail materials at low temperatures // Engineering Failure Analysis. – 2022. – V. 134. – P. 106077. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2022.106077.

13. Al-Juboori A., Zhu H., Li H., McLeod J., Panela S., Barnes J. Microstructural investigation on a rail fracture failure associated with squat defects // Engineering Failure Analysis. – 2023. – V. 151. – P. 107411. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2023.107411.

14. Порфирьев М. А., Громов В. Е, Иванов Ю.Ф., Шлярова Ю.А., Крюков Р.Е. Прочностные, трибологические свойства и структурно-фазовые состояния рельсовых сталей // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. – 2023. – Т. 2, № 2. – С. 176–183. DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2023.02.004.

15. Кузнецов Р. В., Громов В. Е., Иванов Ю. Ф., Юрьев А. А., Кормышев В. Е., Полевой Е. В. Эволюция структурно-фазовых состояний и свойств дифференцированно закаленных 100-метровых рельсов при экстремально длительной эксплуатации. Сообщение 5: Градиентные структурнофазовые состояния по радиусу скругления головки рельсов после сверхдлительной эксплуатации // Проблемы черной металлургии и материаловедения. – 2022. – №. 1. – С. 56–64. DOI: 10.54826/19979258_2022_1_56.

16. Иванов Ю. Ф., Громов В. Е., Кузнецов Р. В., Шлярова Ю. А., Юрьев А. А., Кормышев В. Е. Структура рельсов после экстремально длительной эксплуатации // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2022. – Т. 65, № 3. – С. 160–165. DOI: 10.17223/00213411/65/3/160.

17. Громов В. Е., Иванов Ю. Ф., Кузнецов Р. В., Глезер А. М., Шлярова Ю. А., Перегудов О. А. Деформационное преобразование структуры и фазового состава поверхности рельсов при сверхдлительной эксплуатации // Деформация и разрушение материалов. – 2022. – № 1. – С. 35–39. DOI: 10.31044/1814-4632-2022-1-35-39.

18. Черняк С. С., Бройдо В. Л. Тужилина Л. В. Разработка состава и технологии изготовления износостойких рельсов из заэвтектоидной стали // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. – 2017. – Т. 56, № 4. – C. 197–206. DOI: 10.26731/1813-9108.2017.4(56).

19. Полевой Е. В., Юнин Г. Н., Юнусов А. М., Добужская А. Б., Галицын Г. А. К вопросу износостойкости рельсов // Сталь. – 2019. – № 7. – С. 62–65.

20. Добужская А.Б., Галицын Г.А., Юнин Г.Н., Полевой Е.В., Юнусов А.М. Исследование влияния химического состава, микроструктуры и механических свойств на износостойкость рельсовой стали // Сталь. – 2020. – № 12. – С. 52–55.

21. Кормышев В. Е., Юрьев А. А., Рубанникова Ю. А., Аксёнова К. В. Распределение структурно-фазовых состояний по сечению головки рельсов при длительной эксплуатации // Вестник СибГИУ. – 2020. – № 4 (34). – С. 20–24.

22. Wen J., Marteau J., Bouvier S., Risbet M., Cristofari F., Secorde P. Comparison of microstructure changes induced in two pearlitic rail steels subjected to a full-scale wheel/rail contact rig test // Wear. – 2020. – V. 456–457. – P. 203354. DOI: 10.1016/j.wear.2020.203354.

23. Hu Y., Guo L.C., Maiorino M, Liu J. P., Ding H. H., Lewis R., Meli E., Rindi A., Liu Q. Y., Wang W. J. Comparison of wear and rolling contact fatigue behaviours of bainitic and pearlitic rails under various rolling-sliding conditions // Wear. – 2020. – V. 460–461. – P. 203455. DOI: 10.1016/j.wear.2020.203455.

24. Hu Y., Zhou L., Ding H.H., Lewis R., Liu Q.Y., Guo J., Wang W.J. Microstructure evolution of railway pearlitic wheel steels under rolling-sliding contact loading // Tribology International. – 2021. – V. 154. – P. 106685. DOI: 10.1016/j.triboint.2020.106685.

25. Zhou L., Bai W., Han Z., Wang W., Hu Yu., Ding H., Lewis R., Meli E., Liu Q., Guo J. Comparison of the damage and microstructure evolution of eutectoid and hypereutectoid rail steels under a rollingsliding contact // Wear. – 2022. – V. 492–493. – P. 204233. DOI: 10.1016/j.wear.2021.204233.

26. Bai W, Zhou L., Wang P., Hu Y., Wang W., Ding H., Han Z., Xu X., Zhu M. Damage behavior of heavy-haul rail steels used from the mild conditions to harsh conditions // Wear. – 2022. – V. 496–497. – P. 204290. DOI: 10.1016/j.wear.2022.204290.

27. Pan R., Chen Yu., Lan H., E S., Ren R. Investigation into the microstructure evolution and damage on rail at curved tracks // Wear. – 2022. – V. 504–505. – P. 204420. DOI: 10.1016/j.wear.2022.204420.

28. Порфирьев М.А., Громов В.Е., Крюков Р.Е. Эволюция структурно-фазового состояния и свойств рельсов из заэвтектоидной стали при длительной эксплуатации // Изв. вузов. Черная металлургия. – 2023. – Т. 66, № 3. – С. 327–329. DOI: 10.17073/0368-0797-2023-3-327-329.

29. Иванов Ю. Ф., Громов В. Е., Порфирьев М. А., Крюков Р. Е., Шляров В. В., Полевой Е. В. Эволюция тонкой структуры рельсов из заэвтектоидной стали при эксплуатации // Проблемы черной металлургии и материаловедения. – 2023. – №2. – С.63–68.

30. Wang W. J., Lewis R., Yang B., Guo L. C., Liu Q. Y., Zhu M. H. Wear and damage transitions of wheel and rail materials under various contact conditions // Wear. – 2016. – V. 362–363. – P. 146–152. DOI: 10.1016/j.wear.2016.05.021.

31. Pan R., Ren R., Zhao X., Chen C. Influence of microstructure evolution during the sliding wear of CL65 steel // Wear. – 2018. – V. 400–401. – P. 169–176. DOI: 10.1016/j.wear.2018.01.005.

32. Nguyen B.H., Al-Juboori A., Zhu H., Zhu Q., Li H., Tieu K. Formation mechanism and evolution of white etching layers on different rail grades // International Journal of Fatigue. 2022. – V. 163. – P. 107100. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2022.107100.

33. Mojumder S., Mishra K., Singh K., Qiu C., Mutton P., Singh A. Effect of track curvature on the microstructure evolution and cracking in the longitudinal section of lower gauge corner flow lips formed in rails // Engineering Failure Analysis. – 2022. – V. 135. – P. 106177. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2022.106177.

34. Хирш П., Хови А., Николсон П., Пэшли Д., Уэлан М. Электронная микроскопия тонких кристаллов. – М.: Мир, 1968. – 574 с.

35. Чернявский В.С. Стереология в металловедении. – М.: Металлургия, 1977. – 280 с.

36. Гольдштейн М. И., Фарбер В. М. Дисперсионное упрочнение стали. – М.: Металлургия, 1979. – 208 с.

37. Козлов Э. В., Конева Н. А. Природа упрочнения металлических материалов // Изв. вузов. Физика (приложение). – 2002. – Т. 45, № 3. – С. 52–71.

38. Гуляев А. П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1977. – 647 с.

39. Тушинский Л. И., Батаев А. А., Тихомирова Л. Б. Структура перлита и конструктивная прочность стали. – Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1993. – 280 с.

40. Козлов Э. В., Глезер А. М., Конева Н. А., Попова Н. А., Курзина И. А. Основы пластической деформации наноструктурных материалов / Под ред. А. М. Глезера. – М: ФИЗМАТЛИТ, 2016. – 304 с.