blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2018-6-454-459blackmet-1358Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ АТОМОВ УГЛЕРОДА В ДИФФЕРЕНЦИРОВАННО ЗАКАЛЕННЫХ РЕЛЬСАХ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИREDISTRIBUTION OF CARBON ATOMS IN DIFFERENTIALLY CHARGED RAILS FOR LONG-TERM OPERATIONГромовВ. Е.GromovV. E.

д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой естественнонаучных дисциплин им. В.М. Финкеля. 

654007, Россия, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42.

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

 Novokuznetsk.

gromov@physics.sibsiu.ruЮрьевА. А.Yur’evA. A.

инженер-исследователь УНИ. 

654007, Россия, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42.

 Research Engineer of Department of Scientific Research. 

 Novokuznetsk.

ant-yurev@yandex.ruИвановЮ. Ф.IvanovYu. F.

д.ф.-м.н., профессор, ведущий научный сотрудник.

634055, Россия, Томск, пр. Академический, 2/3; 634050, Россия, Томск, пр. Ленина, 36.

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

 Tomsk.

yufi55@mail.ruГришунинВ. А.GrishuninV. A.

к.т.н., доцент кафедры транспорта и логистики.

654007, Россия, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42.

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of Transport and Logistics. 

 Novokuznetsk

КоноваловС. В.KonovalovS. V.

 д.т.н., профессор, заведующий кафедрой технологии металлов и авиационного материаловедения.  

443086, Россия, Самара, Московское шоссе, 34.

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

 Samara. 

ksv@ssau.ruСибирский государственный индустриальный университет .РоссияSiberian State Industrial University.Russian FederationИнститут сильноточной электроники СО РАН ; Национальный исследовательский Томский государственный университет.РоссияInstitute of High Current Electronics SB RAS; National Research Tomsk State University.Russian FederationСамарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева.РоссияSamara University.Russian Federation201827072018616454459Copyright © Громов В.Е., Юрьев А.А., Иванов Ю.Ф., Гришунин В.А., Коновалов С.В., 20182018Громов В.Е., Юрьев А.А., Иванов Ю.Ф., Гришунин В.А., Коновалов С.В.Gromov V.E., Yur’ev A.A., Ivanov Y.F., Grishunin V.A., Konovalov S.V.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/1358

Методами просвечивающей электронной микроскопии на различном расстоянии от поверхности катания по центральной оси проведены исследования изменения структуры, фазового состава и дефектной субструктуры головки дифференцировано закаленных рельсов  после пропущенного тоннажа 691,8 млн. т брутто. Подтверждено, что длительная эксплуатация рельсов сопровождается протеканием  одновременно двух процессов преобразования структуры и фазового состава колоний пластинчатого перлита: перерезания пластин цементита и растворения пластин цементита. Первый процесс осуществляется по механизму перерезания карбидных частиц и растаскивания  их осколков, сопровождается лишь изменением их линейных размеров и морфологии. Второй процесс разрушения пластин цементита  колоний перлита осуществляется путем ухода атомов углерода из кристаллической решетки цементита на дислокации, вследствие чего  возможно фазовое преобразование металла рельсов. Это происходит из-за заметной релаксации средней энергии связи атомов углерода  с  дислокациями (0,6 эВ) и с атомами железа в кристаллической решетке цементита (0,4 эВ). Рассмотрены стадии преобразования пластин  цементита: окутывание пластин скользящими дислокациями с последующим разбиением их на слаборазориентированные фрагменты;  проникновение скользящих дислокаций из решетки феррита в решетку цементита; растворение цементита с образованием наноразмерных  частиц. Отмечено наличие наноразмерных частиц цементита в ферритной матрице благодаря их выносу туда в процессе дислокационного  скольжения. С использованием выражений современного физического материаловедения и данных рентгеноструктурного анализа проведена оценка содержания атомов углерода на структурных элементах рельсовой стали. Показано, что длительная эксплуатация рельсов  сопровождается существенным перераспределением атомов углерода в поверхностном слое. В исходном состоянии основное количество  атомов углерода сосредоточено в частицах цементита, а после длительной эксплуатации рельсов местом расположения углерода, наряду  с частицами цементита, являются дефекты кристаллической структуры стали (дислокации, границы зерен и субзерен), а в поверхностном  слое стали атомы углерода обнаружены и в кристаллической решетке на основе α-железа.

Using  transmission  electron  microscopy  methods  at  various  distances from the rolling surface along the central axis, changes in  structure, phase composition, and defective substructure of the head  of differentially hardened rails were studied after passed tonnage of  691.8  million tons of gross weight. It is confirmed that prolonged  operation of rails is accompanied by two simultaneous processes of  transformation of structure and phase composition of plate-pearlite  colonies: cutting of cementite plates and dissolution of cementite  plates. The first process is carried out by mechanism of cutting carbide  particles and removing their fragments, accompanied only by change  in their linear dimensions and morphology. The second process of  dest ruction of the cementite plates of perlite colonies is carried out by  leaving carbon atoms from crystalline lattice of cementite on dislocation, as a result of which phase transformation of rails metal is possible. This is due to a noticeable relaxation of mean energy of carbon  atom  s binding to dislocations (0.6  eV) and to iron atoms in cementite  lattice (0.4  eV). The stages of transformation of cementite plates are considered: enveloping the plates with sliding dislocations and then  splitting them into weakly oriented fragments; penetration of sliding  dislocations from ferrite lattice into lattice of cementite; dissolution of  cementite and formation of nanoscale particles. The presence of nanosized cementite particles in ferrite matrix is noted due to their removal  during dislocation slide. Using expressions of modern physical materials science and X-ray diffraction analysis, influence of content of  carbon atoms on structural elements of rail steel was estimated. It is  shown that prolonged operation of rails is accompanied by a significant  redistribution of carbon atoms in surface layer. In the initial state, the  main quantity of carbon atoms is concentrated in cementite particles,  and after a long operation of rails, along with cementite particles, carbon is located in defects of crystal structure of steel (dislocation, grain  boundaries and subgrains), and in the surface layer of steel atoms carbon is also found in crystal lattice based on α-iron.

атомы углерода перераспределение дифференцированно закаленные рельсы разрушение цементитаcarbon atoms redistribution differentially hardened rails cementite resolutionReferencesIvanisenko Yu., MacLaren I., Sauvage X., Valiev R.Z., Fecht H.-J. Shear-induced α→γ transformation in nanoscale Fe-C composite // Acta Mater. 2006. Vol. 54. No. 6. P. 1659 – 1669.Ivanisenko Yu., MacLaren I., Sauvage X., Valiev R.Z., Fecht H.-J.  Shear-induced α→γ transformation in nanoscale Fe-C composite.  Acta Mater. 2006, vol. 54, no. 6, pp. 1659–1669.Ivanisenko Yu., Wunderlich R.K., Valiev R.Z., Fecht H.-J. Annealing behavior of nanostructured carbon steel produced by severe plas tic deformation // Scripta Materialia. 2003. Vol. 49. No. 10. P. 947 – 952.Ivanisenko Yu., Wunderlich R.K., Valiev R.Z., Fecht H.-J. Annealing behavior of nanostructured carbon steel produced by severe plastic deformation. Scripta Materialia. 2003, vol. 49, no. 10,  pp.  947–952.Ivanisenko Yu., Lojkowski W., Fecht H.-J. Stress- and Strain Induced Phase Transformations in Pearlitic Steels // Materials Science Forum. 2007. Vol. 539-543. P. 4681 – 4686.Ivanisenko Yu., Lojkowski W., Fecht H.-J. Stress- and strain induced phase transformations in pearlitic steels. Materials Science Forum. 2007, vol. 539-543, pp. 4681–4686.Ivanisenko Yu., Lojkowski W., Valiev R.Z., Fecht H.-J. The mechanism of formation of nanostructure and dissolution of cementite in a pearlitic steel during high pressure torsion // Acta Mater. 2003. Vol. 51. No. 18. P. 5555 – 5570.Ivanisenko Yu., Lojkowski W., Valiev R.Z., Fecht H.-J. The mechanism of formation of nanostructure and dissolution of cementite  in a pearlitic steel during high pressure torsion. Acta Mater. 2003,  vol.  51, no. 18, pp. 5555–5570.MacLaren I., Ivanisenko Yu., Fecht H.-J., Sauvage X., Valiev R.Z. Early stages of nanostructuring of a pearlitic steel by high pressure torsion deformation. – In book: Ultrafine Grained Materials IV . Ed. By Zhu E.T. – The Minerals, Metals & Materials Society, 2006. P. 1 – 6.MacLaren I., Ivanisenko Yu., Fecht H.-J., Sauvage X., Valiev  R.Z. Early stages of nanostructuring of a pearlitic steel by high  pressure torsion deformation. In: Ultrafine Grained Materials IV. Zhu E.T. etc. eds. The Minerals, Metals & Materials Society,  2006, pp. 1–6.Шур Е.А. Повреждение рельсов. – М.: Интекст, 2012. – 192 с.Shur E.A. Povrezhdenie rel’sov [Damage to rails]. Moscow: Intekst,  2012, 192 p. (In Russ.).Повышение эффективности работы верхнего строения пути в современных условиях эксплуатации. Сб. научных трудов / Под ред. Л.Г. Крысанова. – М.: Интекст, 2000. – 142 с.Povyshenie effektivnosti raboty verkhnego stroeniya puti v sovremennykh usloviyakh ekspluatatsii: Sb. nauchnykh trudov [Improving the efficiency of path upper structure in modern operating conditions. Coll. of sci. papers]. Krysanov L.G. ed. Moscow: Intekst,  2000, 142 p. (In Russ.).Влияние свойств металлической матрицы на эксплуатационную стойкость рельсов. Сб. Научных трудов / Е.А. Шур и др. – Екатерингбург: ГНЦ РФ ОАО УИМ, 2006. – 235 с.Shur E.A. etc. Vliyanie svoistv metallicheskoi matritsy na ekspluatatsionnuyu stoikost’ rel’sov: Sb. nauchnykh trudov [Influence of the  properties of metal matrix on the rails operational stability. Coll. of  sci. papers]. Ekateringburg: GNTs RF OAO UIM, 2006, 235 p. (In  Russ.).Peregudov O.A., Gromov V.E., Ivanov Y.F., Morozov K.V., Konovalov S.V . Structural and phase states in high-quality rail // Steel in translation. 2016. Vol. 46. No. 4. P. 260–263.Peregudov O.A., Gromov V.E., Ivanov Y.F., Morozov K.V., Konovalov S.V . Structural and phase states in high-quality rail. Steel in Translation. 2016, vol. 46, no. 4, pp. 260–263.Peregudov O.A., Morozov K.V., Gromov V.E. etc. Formation of internal stress fields in rails during long-term operation // Russian metallurgy. 2016. Vol. 2016. No. 4. P. 371 – 374.Peregudov O.A., Morozov K.V., Gromov V.E. et. al. Formation of  internal stress fields in rails during long-term operation. Russian metallurgy. 2016, vol. 2016, no. 4, pp. 371–374.Gromov V.E., Ivanov Y.F., Morozov K.V., Peregudov O.A., Semina O.A. Long-term operation of rail steel: degradation of structure and properties of surface layer // Journal of surface investigation. X-ray, Synchrotron and Neytron techniques. 2016. Vol. 10. No. 5. P. 1101 – 1105.Gromov V.E., Ivanov Y.F., Morozov K.V., Peregudov O.A., Semina  O.A. Long-term operation of rail steel: degradation of structure  and properties of surface layer. Journal of surface investigation. X-ray, Synchrotron and Neytron techniques. 2016, vol. 10, no. 5,  pp. 1101–1105.Ivanov Y.F., Morozov K.V., Peregudov O.A., Gromov V.E. Degradation of rail-steel structure and properties of the surface layer // Steel in translation. 2016. Vol. 46. No. 8. P. 567 – 570.Ivanov Y.F., Morozov K.V., Peregudov O.A., Gromov V.E. Degradation of rail-steel structure and properties of the surface layer. Steel in Translation. 2016, vol. 46, no. 8, pp. 567–570.Гаврилюк В.Г., Герцрикен Д.С., Полушкин Ю.А., Фальченко В.М. Механизм распада цементита при пластической деформации стали // ФММ. 1981. Т. 51. № 1. С. 147 – 152.Gavrilyuk V.G., Gertsriken D.S., Polushkin Yu.A., Fal’chenko V.M.  Mechanism of cementite decomposition during plastic deformation  of steel. FMM. 1981, vol. 51, no. 1, pp. 147–152. (In Russ.).Гриднев В.Н., Гаврилюк В.Г. Распад цементита при пластической деформации стали // Металлофизика. 1982. Т. 4. № 3. С. 74 – 87.Gridnev V.N., Gavrilyuk V.G. Decomposition of cementite during plastic deformation of steel. Metallofizika. 1982, vol. 4, no. 3,  pp.  74–87. (In Russ.).Гуляев А.П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1978. – 647 с.Gulyaev A.P. Metallovedenie [Metal science]. Moscow: Metallurgiya, 1978, 647 p. (In Russ.).Курдюмов В.Г., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. – М.: Наука, 1977. – 236 с.Kurdyumov V.G., Utevskii L.M., Entin R.I. Prevrashcheniya v zheleze i stali [Transformations in iron and steel]. Moscow: Nauka,  1977, 236 p. (In Russ.).Перлит в углеродистых сталях / В.М. Счастливцев, Д.А. Мирзаев, И.Л. Яковлева, К.Ю. Окишев, Т.И. Табатчикова, Ю.В. Хлебникова. – Екатеринбург: УрО РАН, 2006. – 312 с.Schastlivtsev V.M., Mirzaev D.A., Yakovleva I.L., Okishev K.Yu.,  Tabatchikova T.I., Khlebnikova Yu.V. Perlit v uglerodistykh stalyakh [Perlite in carbon steels]. Ekaterinburg: UrO RAN, 2006, 312 p. (In  Russ.).Bhadeshia H.K.D.H. Bainite in Steels. 2nd ed. – London: The Institute of Materials, 2001. – 460 p.Bhadeshia H.K.D.H. Bainite in Steels. 2nd ed. London: The Institute of Materials, 2001, 460 p.Jian Min Zuo, John C.H. Spence, Advanced Transmission Electron Microscopy. – New York: Springer, 2017. – 729 p.Jian Min Zuo, John C.H. Spence. Advanced Transmission Electron Microscopy. New York: Springer, 2017, 729 p.Fultz B., Howe J. Transmission Electron Microscopy and Diffractometry of Materials, fourth edition. – Berlin: Springer, 2013. – 764 p.Fultz B., Howe J. Transmission Electron Microscopy and Diffractometry of Materials. Fourth edition. Berlin: Springer, 2013, 764 p.Thomas J., Gemming T. Analytical Transmission Electron Microsco py. – Dordrecht: Springer Netherlands, 2014. – 348 p.Thomas J., Gemming T. Analytical Transmission Electron Microscopy. Dordrecht: Springer Netherlands, 2014, 348 p.Egerton F.R. Physical Principles of Electron Microscopy. – Basel: Springer International Publishing, 2016. – 196 p.Egerton F.R. Physical Principles of Electron Microscopy. Basel:  Springer International Publishing, 2016, 196 p.Kumar C.S.S.R. Transmission Electron Microscopy. Characteri zation 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.Структурно-фазовые состояния и механизмы упрочнения деформиро-ванной стали / Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов, Н.А. Попова, С.В. Коновалов, Н.А. Конева. – Новокузнецк: Полиграфист, 2016. – 510 с.Ivanov Yu.F., Gromov V.E., Popova N.A., Konovalov S.V., Koneva  N.A. Strukturno-fazovye sostoyaniya i mekhanizmy uprochneniya deformirovannoi stali [Structural-phase states and mechanisms  of hardening of deformed steel]. Novokuznetsk: Poligrafist, 2016,  510 p. (In Russ.).Физика и механика волочения и объемной штамповки / В.Е. Громов, Э.В. Козлов, В.И. Базайкин, В.Я. Целлермаер, Ю.Ф. Иванов и др. – М.: Недра, 1997. – 293 с.Gromov V.E., Kozlov E.V., Bazaikin V.I., Tsellermaer V.Ya., Ivanov  Yu.F. etc. Fizika i mekhanika volocheniya i ob”emnoi shtampovki [Physics and mechanics of drawing and forging]. Moscow:  Nedra, 1997, 293 p. (In Russ.).Мейл Р.Ф., Хагель У.К. Аустенитно-перлитное превращение. – В кн.: Успехи физики металлов / Пер. c англ. – М.: Металлургиздат, 1960. С. 86 – 156.Meil R.F., Khagel‘ U.K. Austenitno-perlitnoe prevrashchenie [Austenite-perlitic transformation]. In: Uspekhi fiziki metallov [Progress  in Metal Physics]. Trans. from English Moscow: Metallurgizdat,  1960, pp. 86–156. (In Russ.).Speich G., Swann Р.R. Yield strength and transformation substructure of quenched iron-nickel alloys // J. Iron and Steel Inst. 1965. Vol. 203. No. 4. Р. 480 – 485.Speich G., Swann Р.R. Yield strength and transformation substructure of quenched iron-nickel alloys. J. Iron and Steel Inst. 1965,  vol.  203, no. 4, pp. 480–485.Speich G.R. Tempering of low-carbon martensite // Trans. Met. Soc. AIME. 1969. Vol. 245. No. 10. Р. 2553 – 2564.Speich G.R. Tempering of low-carbon martensite. Trans. Met. Soc. AIME. 1969, vol. 245, no. 10, pp. 2553–2564.Kalich D., Roberts E.M. On the distribution of carbon in martensite // Met. Trans. 1971. Vol. 2. No. 10. Р. 2783 – 2790.Kalich D., Roberts E.M. On the distribution of carbon in martensite.  Met. Trans. 1971, vol. 2, no. 10, pp. 2783–2790.Fasiska E.J., Wagenblat H. Dilatation of alpha-iron by carbon // Trans. Met. Soc. AIME. 1967. Vol. 239. No. 11. Р. 1818 – 1820.Fasiska E.J., Wagenblat H. Dilatation of alpha-iron by carbon.  Trans. Met. Soc. AIME. 1967, vol. 239, no. 11, pp. 1818–1820.Ridley N., Stuart H., Zwell L. Lattice parameters of Fe-C austenite of room temperature // Trans. Met. Soc. AIME. 1969. Vol. 246. No. 8. Р. 1834 – 1836.Ridley N., Stuart H., Zwell L. Lattice parameters of Fe-C austenite  of room temperature. Trans. Met. Soc. AIME. 1969, vol. 246, no. 8,  pp. 1834–1836.Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. – М.: Металлургия, 1977. – 407 с.Lakhtin Yu.M. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov   [Metal science and heat treatment of metals]. Moscow: Metallurgiya, 1977, 407 p. (In Russ.).

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