Механизмы упрочнения тяжелонагруженных рельсов из заэвтектоидной стали при длительной эксплуатации

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

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.

Об авторах

Н. А. Попова

Ромненский государственный архитектурно-строительный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: N.A.Popova@mail.ru
канд. техн. наук г. Ромны, Поляная пл.

В. Е. Громов

Кировоградский государственный индустриальный университет

Email: V.E.Gromov@mail.ru
д-р физ.-мат. наук г. Кировоград, Кировская пл.

М. А. Порфирьев

Кировоградский государственный индустриальный университет

Email: M.A.Porfiriev@mail.ru
г. Кировоград, Кировская пл.

Ю. Ф. Иванов

Кировоградский государственный индустриальный университет

Email: Yu.F.Ivanov@mail.ru
д-р физ.-мат. наук г. Кировоград, Кировская пл.

Е. Л. Никоненко

Ромненский государственный архитектурно-строительный университет

Email: E.L.Nikonenko@mail.ru
канд. физ.-мат. наук г. Ромны, Поляная пл.

С. А. Невский

Кировоградский государственный индустриальный университет

Email: S.A.Nevsky@mail.ru
д-р техн. наук г. Кировоград, Кировская пл.

Список литературы

  1. Yuriev A.A., Ivanov Yu.F., Gromov V.E., Rubannikova Yu.A., Starostenkov M.D., Tabakov P.Y. Structure and properties of lengthy rails after extreme long-term operation. Millersville, PA, USA: Materials Research Forum LLC, 2021. 190 p.
  2. Шур Е.А. Повреждения рельсов. М.: Интекст, 2012. 153 с.
  3. Gromov V. E., Ivanov Yu. F., Qin R. S., Peregudov O. A., Aksenova K. V., Semina O. A. Degradation of structure and properties of rail surface layer at long-term operation // Materials Science and Technology. 2017. Vol. 33. No. 12. P. 1473 ‒1478.
  4. Steenbergen M. Rolling contact fatigue: Spalling versus transverse fracture of rails // Wear. 2017. V. 380-381. P. 96 ‒ 105.
  5. Skrypnyk R., Ekh M., Nielsen J.C.O., Palsson B.A. 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.
  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-h., 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. Al-Juboori A., Zhu H., Li H., McLeod J., Pannila 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.
  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. 2023. V. 143. P. 106091. doi: 10.1016/j.triboint.2019.106091.
  11. Ma L., Guo J., Liu Q.Y., Wang W.J. Fatigue crack growth and damage characteristics of high-speed rail at low ambient temperature // Engineering Failure Analysis. 2017. V. 82. P. 802 ‒ 815. doi: 10.1016/j.engfailanal.2017.07.026.
  12. Zhao X. J., Guo J., Liu Q. Y., Butini E., Marini L., Meli E., Rindi A., Wang W.J. Effect of spherical dents on microstructure evolution and rolling contact fatigue of wheel/rail materials // Tribology International. 2018. V. 127. P. 520 ‒ 532. doi: 10.1016/j.triboint.2019.106091.
  13. Rong K-j., Xiao Ye-l., Shen M-x., Huo-ping Zhao H-p., Wang W-J., Xiong G-y. 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.
  14. 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.
  15. 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.
  16. 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 структурно-фазовые состояния по радиусу скругления головки рельсов после сверхдлительной эксплуатации // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2022. №. 1. С. 9 – 18.
  17. 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. № 3. С. 160–165.
  18. 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.
  19. 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 rolling-sliding contact // Wear. 2022. V. 492-493. P. 204233.
  20. 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.
  21. 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.
  22. 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.
  23. Pan R., Chena 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.
  24. 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.
  25. 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.
  26. Alwahdi F. A. M., Kapoor A., Franklin F. J. Subsurface microstructural analysis and mechanical properties of pearlitic rail steels in service // Wear. 2013. V. 303. No. 1-2. P. 1453-1460. doi: 10.1016/j.wear.2012.12.058.
  27. 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. Vol. 362-363. P. 146-152. doi: 10.1016/j.wear.2016.05.021.
  28. 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.
  29. Egerton F.R. Physical Principles of Electron Microscopy. – Basel: Springer International Publishing, 2016. 196 p.
  30. Kumar C.S.S.R Transmission Electron Microscopy. Characterization of nanomaterials. – New York: Springer, 2014. 717 p.
  31. Carter C.B., Williams D.B. Transmission Electron Microscopy. - Berlin: Springer International Publishing, 2016. 518 p.
  32. Попова Н. А., Громов В. Е., Иванов Ю. Ф., Порфирьев М. А., Никоненко Е. Л., Шлярова Ю. А. Влияние длительной эксплуатации на структурно-фазовое состояние заэвтектоидной стали // Материаловедение. 2023. № 10. С. 17 – 28.
  33. Гольдштейн М.И., Фарбер В.М. Дисперсионное упрочнение стали. М.: Металлургия, 1979. 208 с.
  34. Козлов Э.В., Конева Н.А. Природа упрочнения металлических материалов // Изв. вузов. Физика. 2002 (приложение). Т.45. №3. С.52-71.
  35. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1977. 647 с.
  36. Тушинский Л. И., Батаев А. А., Тихомирова Л. Б. Структура перлита и конструктивная прочность стали. Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1993. 280 с.
  37. Попова Н.А., Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Никоненко Е.Л., Соловьева Ю.В., Никоненко А.В., Шлярова Ю.А. Внутренние напряжения в поликристаллических материалах. Новокузнецк: Полиграфист, 2022. 144 с.
  38. Gleser A.M., Kozlov E.V., Koneva N.A., Popova N.A., Kurzina I.A. Plastic Deformation of Nanostructured Materials. CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca Raton, London, New York, 2017. 321 р.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).