blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2020-2-108-115blackmet-1850Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEФормирование структуры дифференцированно закаленных 100-метровых рельсов при длительной эксплуатацииDevelopment of the structure of differentially hardened 100 m rails during their long operationКормышевВ. Е.KormyshevV. E.

к.т.н., инженер кафедры естественнонаучных дисциплин им. В.М. Финкеля

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

Cand. Sci. (Eng.), Engineer of the Chair of Science named after V.M. Finkel

Novokuznetsk, Kemerovo Region

89239230000@mail.ruПолевойЕ. В.PolevoiE. V.

начальник бюро металловедения и термической обработки технического отдела рельсовой площадки

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

Head of the Bureau of Metal Science and Thermal Treatment of the Technical Department of Rail Area

Novokuznetsk, Kemerovo Region

Egor.Polevoj@evraz.comЮрьевА. А.Yur’evA. A.

к.т.н., менеджер по управлению продуктами и ресурсами

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

Cand. Sci. (Eng.), Manager of Product and Resource Management

Novokuznetsk, Kemerovo Region

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

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

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

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

Novokuznetsk, Kemerovo Region

gromov@physics.sibsiu.ruИвановЮ. Ф.IvanovYu. F.

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

634055, Томск, пр. Академический, 2/3

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

Tomsk

yufi55@mail.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian FederationАО «ЕВРАЗ – Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат»РоссияJSC “EVRAZ – Joint West Siberian Metallurgical Plant”Russian FederationИнститут сильноточной электроники СО РАНРоссияInstitute of High Current Electronics, SB RASRussian Federation202029042020632108115Copyright © Кормышев В.Е., Полевой Е.В., Юрьев А.А., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., 20202020Кормышев В.Е., Полевой Е.В., Юрьев А.А., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф.Kormyshev V.E., Polevoi E.V., Yur’ev A.A., Gromov V.E., Ivanov Y.F.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/1850

Методами современного физического материаловедения выполнен анализ структурно-фазовых состояний и механических свойств поверхности катания на расстоянии от 0 до 22 мм по центральной оси и по выкружке дифференцировано закаленных 100-м рельсов категории ДТ 350 производства АО «ЕВРАЗ – Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» после длительной эксплуатации (пропущенный тоннаж 1411 млн. т брутто) на экспериментальном испытательном кольце. По химическому составу металл рельсов удовлетворяет требованиям ТУ 0921-276-01124323 – 2012 для стали марки Э76ХФ. Ударная вязкость и твердость на поверхности катания головки и по сечению соответствуют требованиям ТУ. Микроструктура металла рельсов представлена мелкодисперсным пластинчатым перлитом 1,5 балла с включениями избыточного феррита по границам зерен (1,5 балла шкалы № 7 ГОСТ 8233). Межпластинчатое расстояние в головке рельса изменяется в пределах 0,10 – 0,15 мкм. Длительная эксплуатация рельсов сопровождается формированием градиентной структуры, выражающейся в закономерном изменении твердости, микротвердости, ударной вязкости по сечению головки рельсов. Микротвердость на глубине 2 мм от поверхности катания составляет 1481 – 1486 МПа. На глубине до 10 мм микротвердость снижается до 1210 – 1385 МПа, что обусловлено увеличением межпластинчатого расстояния и снижением уровня деформационного упрочнения металла при длительной эксплуатации рельсов. Высказано предположение, что это может быть обусловлено увеличением межпластинчатого расстояния и снижением уровня деформационного упрочнения при длительной эксплуатации.

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.

структуратвердостьмикротвердостьдифференцировано закаленные рельсыдлительная эксплуатацияstructurehardnessmicrohardnessdifferentially hardened railslong-term operationРабота выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (проект № 19-32-60001).The work was financially supported by RFBR grant (project No. 19-32-60001).ReferencesGromov V.E., Yuriev A.B., Morozov K.V., Ivanov Y.F. Microstructure of quenched rails. – Carbide: CISP Ltd, 2016. – 153 p.Gromov V.E., Yuriev A.B., Morozov K.V., Ivanov Y.F. Microstructure of Quenched Rails. Carbide: CISP Ltd, 2016, 153 p.Шур Е.А. Повреждения рельсов. – М.: Интекст, 2012. – 192 с.Shur E.A. Povrezhdeniya rel’sov [Rail damage]. Moscow: Intekst, 2012, 192 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. Shear-induced α → γ transformation in nanoscale Fe–C composite // Acta Mater. 2006. Vol. 54. P. 1659 – 1669.Ivanisenko Yu., MacLaren I., Souvage X., Valiev R.Z., Fecht H.J. Shear-induced α→γ transformation in nanoscale Fe–C composite. Acta Mater. 2006, vol. 54, pp. 1659–1669.Ning Jiang-li, Courtois-Manara E., Kurmanaeva 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. 8 – 15.Ning Jiang-li, Courtois-Manara E., Kurmanaeva 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. 8–15.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., Chai 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., Chai 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 dissolution during wire drawing of pearlitic steel wires // Scripta Mater. 2001. Vol. 45. No. 12. 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, no. 12, pp. 1469–1472.Шейнман Е. Износ рельсов // Трение и износ. 2012. Т. 33. № 4. С. 413 – 422.Sheinman E. Rail wear. Trenie i iznos. 2012, vol. 33, no. 4, pp. 413–422. (In Russ.).Анисимов П.С. Влияние конструкции и параметров тележек на износ колес и рельсов // Железнодорожный транспорт. 1999. № 6. С. 38 – 42.Anisimov P.S. Influence of design and parameters of trolleys on wear of wheels and rails. Zheleznodorozhnyi transport. 1999, no. 6, pp. 38–42. (In Russ.).Gromov V.E., Yuriev A.A., Ivanov Yu.F. et al. Defect substructure change in 100-m differentially hardened rails in long-term operation // Materials Letters. 2017. Vol. 209. P. 224 – 227.Gromov V.E., Yuriev A.A., Ivanov Yu.F. et al. Defect substructure change in 100-m differentially hardened rails in long-term operation. Materials Letters. 2017, vol. 209, pp. 224–227.Gromov V.E., Yuriev A.A., Peregudov O.A. et al. Physical nature of structure and properties degradation of rail surface after long term operation // AIP Conference Proceedings. 2017. Vol. 1909. P. 020066.Gromov V.E., Yuriev A.A., Peregudov O.A. et al. Physical nature of structure and properties degradation of rail surface after long term operation. AIP Conference Proceedings. 2017, vol. 1909, pp. 020066.Влияние износа рельсов и лубрикации на взаимодействие экипажа пути // Железные дороги мира. 2003. № 9. С. 66 – 70.Influence of rail wear and lubrication on interaction of vehicle-rail. Zheleznye dorogi mira. 2003, no. 9, pp. 66–70. (In Russ.).Ермаков В.М. Анализ эффективности работы дорог по снижению износов «колесо-рельс» // Железнодорожный транспорт. 2005. № 7. С. 58 – 64.Ermakov V.M. Analysis of road performance in order to reduce “wheel-rail wear”. Zheleznodorozhnyi transport. 2005, no. 7, pp. 58–64. (In Russ.).Лысюк В.С. О причинах схода вагонов и износа рельсов в кривых // Железнодорожный транспорт. 2004. № 11. С. 50 – 52.Lysyuk V.S. On causes of cars coming-off and rail wear in curves. Zheleznodorozhnyi transport. 2004, no. 11, pp. 50–52. (In Russ.).Шаповалов В.В., Щербак П.Н., Майба И.А., Костыгов В.Т. Методы устранения износа колес и рельсов // Железнодорожный транспорт. 2004. № 3. С. 111 – 115.Shapovalov V.V., Shcherbak P.N., Maiba I.A., Kostygov V.T. Methods of elimination of wheels and rails wear. Zheleznodorozhnyi transport. 2004, no. 3, pp. 111–115. (In Russ.).Grebe М. Пути снижения износа колес и рельсов // Железные дороги мира. 2002. № 4. С. 65 – 72.Grebe M. Ways to reduce wheel and rail wear. Zheleznye dorogi mira. 2002, no. 4, pp. 65–72. (In Russ.).Zhong W., Hu J.J., Shen P. Wang C.Y., Lius Q.Y. Experimental investigation between rolling contact fatigue and wear of high-speed and heavy-haul railway and selection of rail material // Wear. 2011. Vol. 271. No. 9-10. P. 2485 – 2493.Zhong W., Hu J.J., Shen P. Wang C.Y., Lius Q.Y. Experimental investigation between rolling contact fatigue and wear of high-speed and heavy-haul railway and selection of rail material. Wear. 2011, vol. 271, no. 9-10, pp. 2485–2493.Tyfour W.R., Beynon J.H., Kapoor A. The steady state wear behavior of pearlitic rail steel under dry rolling-sliding contact conditions // Wear. 1995. Vol. 180. No. 1-2. P. 79 – 89.Tyfour W.R., Beynon J.H., Kapoor A. The steady state wear behavior of pearlitic rail steel under dry rolling-sliding contact conditions. Wear. 1995, vol. 180, no. 1-2, pp. 79–89.Singh U.P., Singh R. Wear investigation of wheel and rail steels under conditions of sliding and rolling-sliding contact with particular regard to microstructural parameters // Wear. 1993. Vol. 170. No. 1. P. 93 – 99.Singh U.P., Singh R. Wear investigation of wheel and rail steels under conditions of sliding and rolling-sliding contact with particular regard to microstructural parameters. Wear. 1993, vol. 170, no. 1, pp. 93–99.Распоряжение ОАО «РЖД» № 2499р от 23.10.2014. Об утвержд. и введении в действие Инструкции «Дефекты рельсов. Классификация, каталог и параметры дефектных и остродефектных рельсов». ОАО Российские железные дороги. – М., 2014.Defekty rel’sov. Klassifikatsiya, katalog i parametry defektnykh i ostrodefektnykh rel’sov. OAO Rossiiskie zheleznye dorogi [Rail defects. Classification, catalog and parameters of cropped and defective rails. Russian Railway OJSC]. Moscow, 2014. (In Russ.).

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