blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2022-9-654-661blackmet-2398Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEЭволюция структуры пластинчатого перлита рельсовой стали при деформации сжатиемEvolution of structure of rail steel lamellar pearlite under compression deformationhttps://orcid.org/0000-0003-4908-6776АксеноваК. В.AksenovaK. V.

Крестина Владимировна Аксенова, к.т.н., доцент кафедры естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля

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

Krestina V. Aksenova, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair of Science named after V.M. Finkel’

42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007, Russian Federation

19krestik91@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5147-5343ГромовВ. Е.GromovV. E.

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

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

Viktor E. Gromov, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof., Head of the Chair of Science named after V.M. Finkel’

42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007, Russian Federation

gromov@physics.sibsiu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8022-7958ИвановЮ. Ф.IvanovYu. F.

Юрий Федорович Иванов, д.ф.-м.н., профессор, главный научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники

Россия, 634055, Томск, пр. Академический, 2/3

Yurii F. Ivanov, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof., Chief Researcher of the Laboratory of Plasma Emission Electronics

2/3 Akademicheskii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

yufi55@mail.ruВащукЕ. С.VashchukE. S.

Екатерина Степановна Ващук, к.т.н., доцент кафедры естественнонаучных дисциплин

Россия, 653039, Кемеровская обл. – Кузбасс, Прокопьевск, ул. Ноградская, 32

Ekaterina S. Vashchuk, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair of Science

32 Nogradskaya Str., Prokopyevsk, Kemerovo Region – Kuzbass 653039, Russian Federation

vashuk2012@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5154-5498ПерегудовО. А.PeregudovO. A.

Олег Александрович Перегудов, к.т.н., помощник ректора по молодежной политике

Россия, 644050, Омск, пр. Мира, 11

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

11 Mira Ave., Omsk 644050, Russian Federation

olegomgtu@mail.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian FederationИнститут сильноточной электроники СО РАНРоссияInstitute of High Current Electronics, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationФилиал Кузбасского государственного технического университета имени Т.Ф. Горбачева в г. ПрокопьевскРоссияProkopyevsk Branch of the Kuzbass State Technical University named after T.F. GorbachevRussian FederationОмский государственный технический университетРоссияOmsk State Technical UniversityRussian Federation202202102022659654661Copyright © Аксенова К.В., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Ващук Е.С., Перегудов О.А., 20222022Аксенова К.В., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Ващук Е.С., Перегудов О.А.Aksenova K.V., Gromov V.E., Ivanov Y.F., Vashchuk E.S., 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/2398

Приведены результаты анализа эволюции дефектной субструктуры перлита пластинчатой морфологии рельсовой стали Э76ХФ в условиях деформации одноосным сжатием. Показано, что деформационное упрочнение исследуемой стали при пластической деформации одноосным сжатием носит многостадийный характер. Деформация стали сопровождается фрагментацией перлитных зерен, которая усиливается по мере увеличения степени деформации и достигает при ε = 50 % примерно 0,4 объема исследуемой фольги. Фрагменты, формирующиеся в пластинах феррита, разделены малоугловыми границами. Средние размеры фрагментов пластин феррита при увеличении степени деформации уменьшаются от 240 нм (ε = 15 %) до 200 нм (ε = 50 %). Выявлена фрагментация пластин цементита. Установлено, что размер фрагментов изменяется в пределах 15 – 20 нм и слабо зависит от степени деформации стали. Разрушение пластин цементита протекает путем их растворения и разрезания подвижными дислокациями. Атомы углерода, перешедшие из кристаллической решетки цементита на дислокации, выносятся в межпластинчатое пространство и формируют частицы третичного цементита, размеры которых составляют 2 – 4 нм. В процессе деформации стали формируется неоднородная дислокационная субструктура, что обусловлено торможением дислокаций частицами цементита. Увеличение степени деформирования сопровождается снижением скалярной и избыточной плотности дислокаций, что может быть обусловлено их уходом в малоугловые границы, а также их аннигиляцией. Установлено, что источниками внутренних полей напряжений являются границы раздела зерен и колоний перлита, пластин цементита в зернах перлита, расположенные в объеме пластин феррита частицы второй фазы.

The article presents the results of analysis of evolution of the defective substructure of rail steel pearlite with lamellar morphology under deformation by uniaxial compression. The strain hardening of the studied steel under such deformation has a multistage character. Deformation of steel is accompanied by fragmentation of pearlite grains, which intensifies as the degree of deformation increases and reaches 0.4 of the studied foil volume at ε = 50 %. Fragments formed in ferrite plates are separated by low-angle boundaries. It was established that the average sizes of ferrite plate fragments decrease from 240 nm (ε = 15 %) to 200 nm (ε = 50 %) with an increase in the deformation degree. Fragmentation of cementite plates was revealed. It was found that the size of the fragments varies within 15 – 20 nm and weakly depends on the degree of steel deformation. Fracture of cementite lamellae, proceeding by their dissolution and cutting by mobile dislocations, was discovered. Carbon atoms that have passed from the crystal lattice of cementite to dislocations are carried out into the interlamellar space and form particles of tertiary cementite, the size of which is 2 – 4 nm. In the process of steel deformation, an inhomogeneous dislocation substructure is formed, which is due to the deceleration of dislocations by cementite particles. It was found that an increase in the deformation degree is accompanied by a decrease in the scalar and excess density of dislocations, which may be due to the escape of dislocations into low-angle boundaries, as well as their annihilation. It was established that the sources of internal stress fields are the interfaces between pearlite grains and colonies, cementite plates in pearlite grains, particles of the second phase located in the volume of ferrite plates.

рельсовая стальструктураэволюциядислокациипластинчатый перлитпластическая деформацияодноосное сжатиеrail steelstructureevolutiondislocationslamellar pearliteplastic deformationuniaxial compressionРабота выполнена при финансовой поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 19‑32‑60001) и стипендии Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики (проект СП-4517.2021.1).The work was supported by a grant from the Russian Foundation for Basic Research (project No. 19-32-60001) and a scholarship of the President of the Russian Federation for young scientists and postgraduate students carrying out promising research and development in priority areas of modernization of the Russian economy (project SP-4517.2021.1).ReferencesКорнева JI.B., Юнин Г.Н., Козырев Н.А., Атконова О.П., Полевой Е.В. Сравнительный анализ показателей качества рельсов ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат» и зарубежных производителей // Известия вузов. Черная металлургия. 2010. № 12. С. 38–42.Korneva L.V., Yunin G.N., Kozyrev N.A., Atkonova O.P., Polevoi E.V. Comparative analysis of rail product quality indexes of JSC “Novokuznetsk Metallurgical Plant” and foreign manufacturers. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2010, no. 12, pp. 38–42. (In Russ.).Zhao Y., Tan Y., Ji X., Xiang Z., He Y., Xiang S. In situ study of cementite deformation and its fracture mechanism in pearlitic steels // Materials Science and Engineering: A. 2018. Vol. 731. P. 93–101. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.05.114Zhao Y., Tan Y., Ji X., Xiang Z., He Y., Xiang S. In situ study of cementite deformation and its fracture mechanism in pearlitic steels. Materials Science and Engineering: A. 2018, vol. 731, pp. 93–101. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.05.114Song R., Ponge D., Raabe D. Mechanical properties of an ultrafine grained C-Mn steel processed by warm deformation and annea­ling // Acta Materialia. 2005. Vol. 53. No. 18. P. 4881–4792. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2005.07.009Song R., Ponge D., Raabe D. Mechanical properties of an ultrafine grained C-Mn steel processed by warm deformation and annealing. Acta Materialia. 2005, vol. 53, no. 18, pp. 4881–4792. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2005.07.009Терещенко Н.А., Яковлева И.Л., Зубкова Т.А., Чукин М.В., Копцева Н.В. Структурные уровни деформации перлита в углеродистой стали эвтектоидного состава // Физика металлов и металловедение. 2013. Т. 114. № 5. С. 468–478.Tereshchenko N.A., Yakovleva I.L., Zubkova T.A., Chukin M.V., Koptseva N.V. Structure levels of pearlite deformation in carbon steel of eutectoid composition. The Physics of Metals and Metallography. 2013, vol. 114, no. 5, pp. 430–439. https://doi.org/10.1134/S0031918X13050116Calcagnotto M., Adachi Y., Ponge D., Raabe D. Deformation and fracture mechanisms in fine- and ultrafine-grained ferrite/martensite dual-phase steels and the effect of aging // Acta Materialia. 2011. Vol. 59. No. 2. P. 658–670. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2010.10.002Calcagnotto M., Adachi Y., Ponge D., Raabe D. Deformation and fracture mechanisms in fine- and ultrafine-grained ferrite/marten­site dual-phase steels and the effect of aging. Acta Materialia. 2011, vol. 59, no. 2, pp. 658–670. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2010.10.002Kumar B.R., Raabe D. Tensile deformation characteristics of bulk ultrafine-grained austenitic stainless steel produced by thermal cyc­ling // Scripta Materialia. 2012. Vol. 66. No. 9. P. 634–637. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2012.01.052Kumar B.R., Raabe D. Tensile deformation characteristics of bulk ultrafine-grained austenitic stainless steel produced by thermal cyc­ling. Scripta Materialia. 2012, vol. 66, no. 9, pp. 634–637. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2012.01.052Skakov М.K., Uazyrkhanova G.K., Popova N.A., Sсheffler M. Influence of heat treatment and deformation on the phase-structural state of steel 30CrMnSiA // Key Engineering Materials. 2013. Vol. 531–532. P. 13–17. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.531-532.13Skakov М.K., Uazyrkhanova G.K., Popova N.A., Sсheffler M. Influence of heat treatment and deformation on the phase-structural state of steel 30CrMnSiA. Key Engineering Materials. 2013, vol. 531–532, pp. 13–17. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.531-532.13Zrnik J., Dobatkin S., Raab G., Fujda M., Kraus L. Ultrafine grain structure development in steel with different initial structure by severe plastic deformation // Revista Materia. 2010. Vol. 15. No. 2. P. 240–246. https://doi.org/10.1590/S1517-70762010000200022Zrnik J., Dobatkin S., Raab G., Fujda M., Kraus L. Ultrafine grain structure development in steel with different initial structure by severe plastic deformation. Revista Materia. 2010, vol. 15, no. 2, pp. 240–246. https://doi.org/10.1590/S1517-70762010000200022Pan R., Ren R., Chen C., Zhao X. Formation of nanocrystalline structure in pearlitic steels by dry sliding wear // Materials Characterization. 2017. Vol. 132. P. 397–404. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2017.05.031Pan R., Ren R., Chen C., Zhao X. Formation of nanocrystalline structure in pearlitic steels by dry sliding wear. Materials Characterization. 2017, vol. 132, pp. 397–404. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2017.05.031Vinogradov A., Estrin Y. Analytical and numerical approaches to modelling severe plastic deformation // Progress in Materials Scienc­e. 2018. Vol. 95. P. 172–242. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2018.02.001Vinogradov A., Estrin Y. Analytical and numerical approaches to modelling severe plastic deformation. Progress in Materials Scienc­e. 2018, vol. 95, pp. 172–242. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2018.02.001Ivanisenko 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 Materialia. 2003. Vol. 51. No. 18. P. 5555–5570. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(03)00419-1Ivanisenko 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 Materialia. 2003, vol. 51, no. 18, pp. 5555–5570. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(03)00419-1Yahyaoui H., Sidhom H., Braham C., Baczmanski A. Effect of interlamellar spacing on the elastoplastic behavior of C70 pearlitic steel: Experimental results and self-consistent modeling // Mate­rials & Design. 2014. Vol. 55. P. 888–897. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2013.10.062Yahyaoui H., Sidhom H., Braham C., Baczmanski A. Effect of interlamellar spacing on the elastoplastic behavior of C70 pearlitic steel: Experimental results and self-consistent modeling. Materials & Design. 2014, vol. 55, pp. 888–897. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2013.10.062Ветер В.В., Жулейкин С.Г., Игнатенко Л.Н., Коваленко В.В., Громов В.Е., Попова Н.А., Козлов Э.В. Градиентные структуры, возникающие при пластической деформации перлитной стали // Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2003. Т. 67. № 10. С. 1375–1379.Veter V.V., Zhuleikin S.G., Ignatenko L.N., Kovalenko V.V., Gromov V.E., Popova N.A., Kozlov E.V. Gradient structures formed by plastic deformation of perlite steel. Izvestiya Rossiiskoi akademii nauk. Ser. Fizicheskaya. 2003, vol. 67, no. 10, pp. 1375–1380.Wang Y., Tomota Y., Harjo S., Gong W., Ohmuraa T. In-situ neutron diffraction during tension-compression cyclic deformation of a pearlite steel // Materials Science and Engineering: A. 2016. Vol. 676. P. 522–530. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.08.122Wang Y., Tomota Y., Harjo S., Gong W., Ohmuraa T. In-situ neutron diffraction during tension-compression cyclic deformation of a pearlite steel. Materials Science and Engineering: A. 2016, vol. 676, pp. 522–530. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.08.122ГОСТ Р 51685 – 2013. Рельсы железнодорожные. Общие технические условия. Москва: ФГУП «Стандартинформ», 2013.GOST R 51685 – 2013. Railway rails. General technical conditions. Moscow: Standartinform, 2013. (In Russ.).Деформационное упрочнение и разрушение поликристалличес­ких материалов / В.И. Трефилов, В.Ф. Моисеев, Э.П. Печковс­кий, И.Д. Горная, А.Д. Васильев. Киев: Наукова думка, 1989. 256 с.Trefilov V.I., Moiseev V.F., Pechkovskii E.P., Gornaya I.D., Vasil’­ev A.D. Deformation Hardening and Destruction of Polycrystalline Materials. Kiev: Naukova dumka, 1989, 256 p. (In Russ.).Kocks U.F., Mesking H. Physics and phenomenology of strainhar­dening: the FCC case // Progress in Materials Science. 2003. Vol. 48. No. 3. P. 171–273. https://doi.org/10.1016/S0079-6425(02)00003-8Kocks U.F., Mesking H. Physics and phenomenology of strainhardening: the FCC case. Progress in Materials Science. 2003, vol. 48, no. 3, pp. 171–273. https://doi.org/10.1016/S0079-6425(02)00003-8Подрезов Ю.Н., Фирстов С.А. Два подхода к анализу кривых деформационного упрочнения // Физика и техника высоких давлений. 2006. Т. 16. № 4. C. 37–48.Podrezov Yu.N., Firstov S.A. Two approaches to analysis of deformation hardening curves. Fizika i tekhnika vysokikh davlenii. 2006, vol. 16, no. 4, pp. 37–48. (In Russ.).Громов В.Е., Юрьев А.Б., Морозов К.В., Иванов Ю.Ф., Алсараева К.В. Структурно-фазовые состояния и дефектная субструктура дифференцированно закаленных рельсов // Известия вузов. Черная металлургия. 2014. Т. 57. № 12. С. 29–32.Gromov V.E., Yur’ev A.B., Morozov K.V., Ivanov Yu.F., Alsaraeva K.V. Structure phase states and defect substructure of differentially hardened rails. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2014, vol. 57, no. 12, pp. 29–32. (In Russ.).Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Morozov K.V., Alsaraeva K.V. Formation of fine structure of differentially hardened rails // Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 682. P. 41–45. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.682.41Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Morozov K.V., Alsaraeva K.V. Formation of fine structure of differentially hardened rails. Applied Mechanics and Materials. 2014, vol. 682, pp. 41–45. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.682.41Козлов Э.В., Попова Н.А., Конева Н.А. Скалярная плотность дислокаций во фрагментах с разными типами субструктур // Письма о материалах. 2011. Т. 1. № 1. С. 15–18.Kozlov E.V., Popova N.A., Koneva N.A. Scalar dislocation density in fragments with different types of substructures. Pis’ma o materia­lakh. 2011, vol. 1, no. 1, pp. 15–18. (In Russ.).Конева Н.А., Козлов Э.В., Попова Н.А. Влияние размера зерен и фрагментов на плотность дислокаций в металлических материалах // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2010. Т. 7. № 1. С. 64–70.Koneva N.A., Kozlov E.V., Popova N.A. Effect of grain and fragment size on dislocation density in metallic materials. Fundamental’nye problemy sovremennogo materialovedeniya. 2010, vol. 7, no. 1, pp. 64–70. (In Russ.).Gromov V.E., Yuriev A.B., Morozov K.V., Ivanov Y.F. Microstructure of quenched rails. Cambridge, ISP Ltd, 2016. 153 p.Gromov V.E., Yuriev A.B., Morozov K.V., Ivanov Y.F. Microstructure of Quenched Rails. Cambridge: ISP Ltd, 2016, 153 p.Конева Н.А., Козлов Э.В., Тришкина Л.И., Лычагин Д.В. Дальнодействующие поля напряжений, кривизна-кручение кристаллической решетки и стадии пластической деформации. Методы измерений и результаты // Новые методы в физике и механике деформируемого твердого тела. Сб. трудов международной конференции. Томск: ТГУ, 1990. С. 83–93.Koneva N.A., Kozlov E.V., Trishkina L.I., Lychagin D.V. Long-range stress fields, curvature-torsion of crystal lattice and stages of plastic deformation. Measurement methods and results. In: New Methods in Physics and Mechanics of Deformable Solids. Proceedings of the Int. Conf. Tomsk: TSU, 1990, pp. 83–93. (In Russ.).

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