blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2018-2-140-148blackmet-1246Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEПРЕОБРАЗОВАНИЕ КАРБИДНОЙ ФАЗЫ РЕЛЬСОВ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИTRANSFORMATION OF CARBIDЕ PHASE IN RAILS AT LONG-TERM OPERATIONИвановЮ. Ф.IvanovYu. F.

Доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник.

 

Dr. Sci. (Phys.-math.), Professor, Chief Researcher.

 

 

yufi55@mail.ruЮрьевА. А.Yur’evA. A.

Инженер-исследователь УНИ.

654043, Новокузнецк, Кемеровская обл., шоссе Космическое, 16

Research Engineer of Department of Scientific Research.

 

 

ant-yurev@yandex.ruГромовВ. Е.GromovV. E.

Доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой естественнонаучных дисциплин им. В.М. Финкеля.

 

Dr. Sci. (Phys.-math.), Professor, Head of the Chair of Science named after V.M. Finkel.

 

 

gromov@physics.sibsiu.ruКоноваловС. В.KonovalovS. V.

Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии металлов и авиационного материаловедения.

 

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Chair of Metals Technology and Aviation Materials.

Samara

ksv@ssau.ruПерегудовО. А.PeregudovO. A.

Кандидат технических наук, помощник ректора по молодежной политике.

 

Cand. Sci. (Eng.), Rector’s Assistant for Youth Policy.

 

 

 

 

olegomgtu@mail.ruИнститут сильноточной электроники СО РАН; Национальный исследовательский Томский политехнический университетРоссияInstitute of High Current Electronics SB RAS; National Research Tomsk Polytechnic UniversityRussian FederationАО «ЕВРАЗ – Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат»РоссияJSC “EVRAZ – Joint West Siberian Metallurgical Plant”Russian FederationСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian FederationСамарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. КоролеваРоссияSamara UniversityRussian FederationОмский государственный технический университетРоссияOmsk State Technical UniversityRussian Federation201807032018612140148Copyright © Иванов Ю.Ф., Юрьев А.А., Громов В.Е., Коновалов С.В., Перегудов О.А., 20182018Иванов Ю.Ф., Юрьев А.А., Громов В.Е., Коновалов С.В., Перегудов О.А.Ivanov Y.F., Yur’ev A.A., Gromov V.E., Konovalov S.V., Peregudov O.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1246

Методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии изучена эволюция карбидной фазы в поверхностных слоях объемно (пропущенный тоннаж 500 и 100 млн. т брутто) и дифференцированно (пропущенный тоннаж 691,8 млн. т) закаленных рельсов на глубину до 10 мм по центральной оси и по выкружке головки рельсов. Проанализированы зерна пластинчатого перлита, феррито-карбидной смеси, структурно свободного феррита. Установлено протекание в поверхностных слоях при эксплуатации рельсов двух взаимодополняющих механизмов преобразования карбидной фазы стали: механизма разрезания частиц цементита с последующим выносом их в объем ферритных зерен или пластин (в структуре перлита); механизма разрезания, последующего растворения частиц цементита, перехода атомов углерода на дислокации (в атмосферы Коттрелла и в ядра дислокаций), перенос атомов углерода дислокациями в объем зерен (или пластин) феррита с последующим повторным формированием наноразмерных частиц цементита. На месте бывших пластин формируется фрагментированная дислокационная субструктура. Границы фрагментов декорируют места, где раньше были межфазные границы цементит – α-фаза. Основная причина растворения цементита заключается в том, что атомам углерода энергетически выгоднее находиться на ядрах дислокации и на субграницах, чем в решетке цементита. Энергия связи атом углерода – дислокация составляет 0,6 эВ, связи атом углерода – субграница – 0,8 эВ, в то время как в цементите его удерживает 0,4 эВ. Выявлено формирование упругопластических полей напряжений, концентраторами которых являются внутри- и межфазные границы раздела зерен феррита и перлита, пластин цементита и феррита колоний перлита, частиц глобулярного цементита и феррита. Основными источниками кривизны-кручения кристаллической решетки металла рельсов являются внутри- и межфазные границы раздела зерен феррита и перлита, пластин цементита и феррита колоний перлита, частиц глобулярного цементита и феррита. По мере приближения к поверхности катания увеличивается число концентраторов напряжений и амплитуда внутренних дальнодействующих полей напряжений.

Evolution of carbide phase in surface layers of volume (passed gross tonnage 500 and 100  million tons) and differentially hardened rails (passed tonnage – 691.8  million  tons) to a depth of 10  mm along the central axis and along the rail head fillet was studied by means of transmission electron diffraction microscopy. The grains of lamellar perlite, ferrite-carbide mixture, structurally free ferrite are analyzed. The flow of two complementary mechanisms of transformation of carbide phase of steel in the surface layers during the rails operation was identified: mechanism of cutting cementite particles and their subsequent­ transfer into the ferrite grains or plates volume (in perlite structure); mechanism of cutting and following dissolution of cementite particles, transition of carbon atoms to dislocations (into the Cottrell­ clouds and the dislocation centers), transfer of carbon atoms within dislocations to the volume of grains (or plates) of ferrite, with the following repeated formation of nanoscale cementite particles. A  fragmented dislocation substructure is formed instead of former plates. Fragments boundaries decorate places where cementite-α phase interphase boundaries used to be. The main reason for dissolution of cementite is that it is energetically more preferable for carbon atoms to be on dislocation centers and on subboundaries than in cementite lattice. Binding energy of carbon atom-dislocation is 0.6  eV, for carbon atom-subboundary bond it is 0.8  eV, while in cementite it is held by 0.4  eV. Formation of elastoplastic stress fields is detected, concentrators of which are intra and interphase boundaries between grains of ferrite and perlite, cementite and ferrite plates of perlite colonies, particles of globular cementite and ferrite. The main sources of curvaturetorsion of metal lattice of rails metal are intraand interphase bounda­ries­ of grain separation of ferrite and perlite, cementite and ferrite plates of perlite colonies, particles of globular cementite and ferrite. Approaching to the rolling surface, number of stress concentrators and amplitude of internal fields of longrange stress are increasing.

карбидная фазарельсыдлительная эксплуатацияразрушение пластин цементитананоразмерный ферритcarbide phaserailslong-term operationdestruction of cementite platesnanosized ferriteReferencesТушинский Л.И., Батаев А.А., Тихомирова Л.Б Структура перлита и конструктивная прочность стали. – Новосибирск: Наука, 1993. – 280 с.Tushinskii L.I., Bataev A.A., Tikhomirova L.B. Struktura perlita i konstruktivnaya prochnost’ stali [Perlite structure and structural strength of steel]. Novosibirsk: Nauka, 199, 280 p. (In Russ.).Ветер В.В., Попова Н.А., Игнатенко Л.Н., Козлов Э.В. Фрагментация и образование трещин в перлитной стали опорных валков прокатного стана // Изв. вуз. Черная металлургия. 1994. № 10. С. 44 – 48.Veter V.V., Popova N.A., Ignatenko L.N., Kozlov E.V. Fragmentation and cracks in pearlitic steel of backup rolls of the rolling mill. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Me­ tallurgy. 1994, no. 10, pp. 44–48. (In Russ.).Физические основы электротермического упрочнения стали / В.Н. Гриднев, Ю.Я. Мешков, С.П. Ошкадеров, В.И. Трефилов. – Киев: Наукова думка, 1973. – 335 с.Gridnev V.N., Meshkov Yu.Ya., Oshkaderov S.P., Trefilov V.I. Fizicheskie osnovy elektrotermicheskogo uprochneniya stali [Physical basis of electrothermal hardening of steel]. Kiev: Naukova dumka, 1973, 335 p. (In Russ.).Гриднев В.Н., Гаврилюк В.Г., Мешков Ю.Я. Прочность и плас­ тичность холоднодеформированной стали. – Киев: Наукова думка, 1974. – 231 с.Gridnev V.N., Gavrilyuk V.G., Meshkov Yu.Ya. Prochnost’ i plastichnost’ kholodnodeformirovannoi stali [Strength and ductility of cold processed steel]. Kiev: Naukova dumka, 1974, 231 p. (In Russ.).Гаврилюк В.Г. Распределение углерода в стали. – Киев: Наукова думка, 1987. – 208 с.Gavriljuk V.G. Raspredelenie ugleroda v stali [Carbon distribution in steel]. Kiev: Naukova dumka, 1987, 208 p. (In Russ.).Ivanisenko Yu., Fecht H.J. Microstructure modification in the Surface Layers of Railway Rails and Wheels // Steel tech. 2008. Vol. 3. No. 1. P. 19 – 23.Ivanisenko Yu., Fecht H.J. Microstructure modification in the surface layers of railway rails and wheels. Steel tech. 2008, vol. 3, no.  1, pp. 19–23.Ivanisenko Yu., Maclaren I., Souvage X., Valiev R.Z., Fecht H.J. Shearinduced α → γ transformation in nanoscale Fe-C composite // Acta Mater. 2006. Vol. 54. No. 6. P. 1659 – 1669.Ivanisenko Yu., Maclaren I., Souvage X., Valiev R.Z., Fecht H.J. Shearinduced α→γ transformation in nanoscale Fe-C composite. Acta Mater. 2006, vol. 54, no. 6, pp. 1659–1669.Ning Jiangli, Courtois-Manara E., Kormanaeva L., Ganeev A.V., Valiev R.Z., Kubel C., Ivanisenko Yu. Tensile properties and work hardening behaviors of ultrafine grained carbon steel and pure iron processed by warm high pressure torsion // Mater. Sci. and Eng. A. 2013. Vol. 581. P. 81 – 89.Ning Jiangli, Courtois-Manara E., Kormanaeva L., Ganeev A.V., Valiev R.Z., Kubel C., Ivanisenko Yu. Tensile properties and work hardening behaviors of ultrafine grained carbon steel and pure iron processed by warm high pressure torsion. Mater. Sci. and Eng. A. 2013, vol. 581, pp. 81–89.Gavriljuk V.G. Decomposition of cementite in pearlitic steel due to plastic deformation // Mater. Sci. and Eng. A. 2003. Vol. 345. No. 1-2. P. 81 – 89.Gavriljuk V.G. Decomposition of cementite in pearlitic steel due to plastic deformation. Mater. Sci. and Eng. A. 2003, vol. 345, no. 1-2, pp. 81–89.Li Y.J., Choi P., Bochers C., Westerkamp S., Goto S., Raabe D., Kirchheim R. Atomic-scale mechanisms of deformation-induced cementite decomposition in pearlite // Acta Mater. 2011. Vol. 59. No. 10. P. 3965 – 3977.Li Y.J., Choi P., Bochers C., Westerkamp S., Goto S., Raabe D., Kirchheim R. Atomic-scale mechanisms of deformation-induced cementite decomposition in pearlite. Acta Mater. 2011, vol. 59, no.  10, pp. 3965–3977.Gavriljuk V.G. Effect of interlamellar spacing on cementite disso­ lution during wire drawing of pearlitic steel wires // Scripta Mater. 2001. Vol. 45. P. 1469 – 1472.Gavriljuk V.G. Effect of interlamellar spacing on cementite dissolution during wire drawing of pearlitic steel wires. Scripta Mater. 2001, vol. 45, pp. 1469–1472.Dao M., Lu L., Asaro R.J. etc. Toward a quantitative understanding of mechanical behavior of nanocrystalline metals // Acta Materialia. 2007. Vol. 55. P. 4041 – 4065.Dao M., Lu L., Asaro R.J. etc. Toward a quantitative understanding of mechanical behavior of nanocrystalline metals. Acta Materialia. 2007, vol. 55, pp. 4041–4065.Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. – М.: Металлургия, 1986. – 224 с.Rybin V.V. Bol’shie plasticheskie deformatsii i razrushenie metallov [Large plastic deformation and fracture of metals]. Moscow: Metallurgiya, 1986, 224 p. (In Russ.).Глезер А.М. О природе сверхвысокой пластической (мегаплас­ тической) деформации // Известия РАН. Серия физическая. 2007. Т. 71. № 12. С. 1764 – 1772.Glezer A.M. On the nature of ultrahigh plastic (Megaplastic) strain. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2007, vol. 71, no. 12, pp. 1722-1730.Физика и механика волочения и объемной штамповки / В.Е. Громов, Э.В. Козлов, В.И. Базайкин и др. – М.: Недра, 1997. – 293 с.Gromov V.E., Kozlov E.V., Bazaikin V.I. etc. Fizika i mekhanika volocheniya i ob”emnoi shtampovki [Physics and mechanics of drawing and forging]. Moscow: Nedra, 1997, 293 p. (In Russ.).Томас Г., Гориндж М. Дж. Просвечивающая электронная мик­ роскопия материалов. – М.: Наука, 1983. – 320 с.Tomas Gareth, Goringe Michael J. Transmission electron micro­ scopy of materials. New York-Chichester-Brisbane-Toronto, John Wiley Sons, 1979, 320 p. (Russ.ed.: Tomas G., Goringe M. Prosvechivayushchaya elektronnaya mikroskopiya materialov. Moscow: Nauka, 1983, 320 p.).Электронная микроскопия тонких кристаллов / П. Хирш, А. Хови, Р. Николсон, Д. Пэшли, М. Уэлан. – М.: Мир, 1968. – 574 с.Hirsch P.B., Howie A., Nicholson R., Pashley D.W., Whelan M.J. The Electron Microscopy of Thin Crystals. Butterworths, 1965549  p. (Russ.ed.: Hirsh P., Hovi R., Nicholson R. Elektronnaya mikroskopiya tonkikh kristallov. Moscow: Mir, 1968, 574 p.).Утевский Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. – М.: Металлургия, 1973. – 584 с.Utevskii L.M. Difraktsionnaya elektronnaya mikroskopiya v metal­ lovedenii [Diffraction electron microscopy in metallurgy]. Moscow: Metallurgiya, 1973, 584 p. (In Russ.).Egerton Ray F. Physical Principles of Electron Microscopy. An Introduction to TEM, SEM, and AEM. – Berlin: Springer Scien­ ce+Business Media, Inc, 2005. – 211 p.Egerton Ray F. Physical Principles of Electron Microscopy. An Introduction to TEM, SEM, and AEM. Berlin: Springer Science+Business Media, Inc, 2005, 211 p.Kumar C.S.S.R. Transmission Electron Microscopy Characteriza­ tion of Nanomaterials. – New York: Springer, 2014. – 717 p.Kumar C.S.S.R. Transmission Electron Microscopy Characterization of Nanomaterials. New York: Springer, 2014, 717 p.Carter C. Barry, Williams David B. Transmission Electron Microscopy­. – Berlin: Springer International Publishing, 2016. – 518 p.Carter C. Barry, Williams David B. Transmission Electron Microscopy. Berlin: Springer International Publishing, 2016, 518 p.Microstructure of quenched rails / V.E. Gromov, A.B. Yuriev, K.V. Morozov, Yu. F. Ivanov. – Cambridge, CISP Ltd, 2016. – 225 p.Gromov V.E., Yuriev A.B., Morozov K.V., Ivanov Yu.F. Microstructure of Quenched Rails. Cambridge: CISP Ltd, 2016, 225 p.Бахарев О.Г., Гаврилюк В.Г., Надутов В.М. Перераспределение атомов углерода при деформации и последующем нагреве FeС мартенсита // ФММ. 1990. № 11. С. 196 – 198.Bakharev O.G., Gavriljuk V.G., Nadutov V.M. Redistribution of carbon atoms during deformation and subsequent heating of Fe-C martensite. Physics of Metals and Metallography. 1990, vol. 70, no.  5, pp. 196–198. (In Russ.).Бахарев О.Г., Гаврилюк В.Г., Надутов В.М., Ошкадеров С.П. Тонкая структура деформированного экстрагированного цементита // Металлофизика. 1988. Т. 10. № 6. С. 82 – 83.Bakharev O.G., Gavriljuk V.G., Nadutov V.M., Oshkaderov S.P. Fine structure of deformed extracted cementite. Metallofizika. 1988, vol. 10, no. 6, pp. 82–83. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.