blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2024-4-424-432blackmet-2765Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEФизика упрочнения поверхности катания головки рельсов из заэвтектоидной стали после эксплуатацииPhysics of hardening of the rolling surface of rail head from hypereutectoid steel after operationhttps://orcid.org/0000-0001-8823-4562ПоповаН. А.PopovaN. A.

Наталья Анатольевна Попова, к.т.н., научный сотрудник научно-учебной лаборатории «Наноматериалы и нанотехнологии»

Россия, 634003, Томск, пл. Соляная, 2

Natal’ya A. Popova, Cand. Sci. (Eng.), Research Associate of the Scientific and Educational Laboratory “Nanomaterials and Nanotechnologies”

2 Solyanaya Sqr., Tomsk 634003, Russian Federation

natalya-popova-44@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5147-5343ГромовВ. Е.GromovV. E.

Виктор Евгеньевич Громов, д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой естественнонаучных дисциплин им. проф. 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/0000-0002-9932-4755ЮрьевА. Б.Yur’evA. B.

Алексей Борисович Юрьев, д.т.н., профессор, ректор

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

Aleksei B. Yur’ev, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Rector

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

rector@sibsiu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2335-7788МартусевичЕ. А.MartusevichE. A.

Ефим Александрович Мартусевич, к.т.н., научный сотрудник лаборатории электронной микроскопии и обработки изображений

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

Efim A. Martusevich, Cand. Sci. (Eng.), Research Associate of the Laboratory of Electron Microscopy and Image Processing

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

program.pro666@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-3602-5739ПорфирьевМ. А.Porfir’evM. A.

Михаил Анатольевич Порфирьев, научный сотрудник Управления научных исследований

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

Mikhail A. Porfir’ev, Research Associate of Department of Scientific Researches

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

mporf372@gmail.comТомский государственный архитектурно-строительный университетРоссияTomsk State University of Architecture and BuildingRussian FederationСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian Federation202431082024674424432Copyright © Попова Н.А., Громов В.Е., Юрьев А.Б., Мартусевич Е.А., Порфирьев М.А., 20242024Попова Н.А., Громов В.Е., Юрьев А.Б., Мартусевич Е.А., Порфирьев М.А.Popova N.A., Gromov V.E., Yur’ev A.B., Martusevich E.A., Porfir’ev M.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/2765

В России с ее протяженной сетью железных дорог более пяти лет производятся рельсы специального назначения повышенной износостойкости и контактной выносливости категории ДТ400ИК из стали с содержанием углерода более 0,8 %. На поверхности катания головки дифференцированно закаленных длинномерных рельсов из заэвтектоидной стали после длительной эксплуатации (пропущенный тоннаж 187 млн т брутто на экспериментальном кольце) методами просвечивающей электронной микроскопии выявлены морфологические составляющие структуры: пластинчатый перлит, фрагментированный перлит, разрушенный пластинчатый перлит, глобулярный перлит, полностью разрушенный перлит, субзеренная структура. Проведена количественная оценка вкладов упрочнения, обусловленных трением кристаллической решетки, твердорастворным упрочнением, упрочнением за счет перлита, упрочнением некогерентными частицами цементита, границами зерен и субграницами, дислокационной субструктурой и внутренними полями напряжений. Установлена иерархия этих механизмов и отмечено, что для поверхности скругления (выкружки) головки рельсов основным механизмом упрочнения является упрочнение некогерентными частицами, а также механизмы, обусловленные внутренними дальнодействующими (локальными) напряжениями, внутренними напряжениями сдвига («леса» дислокаций) и субструктурным упрочнением. Для поверхности катания по центральной оси головки рельсов основная роль в упрочнении принадлежит упрочнению дальнодействующими полями напряжений (особенно ее упругой компонентой), упрочнению некогерентными частицами и субструктурному упрочнению. С учетом объемных долей морфологических составляющих и их предела текучести определен аддитивный предел текучести на поверхности катания по центру головки и выкружке. Он составил 7950 и 2218 МПа для центра головки и выкружки. Представлена физическая интерпретация различия значений аддитивного предела текучести на поверхности катания головки рельсов в центре и на выкружке.

In Russia, with its extensive railway system, for more than 5 years, special-purpose rails of increased wear resistance and contact endu­rance of the DH400RK category were produced from steel with a carbon content >0.8 %. On the head rolling surface of differentially hardened long rails made of hypereutectoid steel after long-term operation, transmission electron microscopy methods revealed the morphological components of the structure: lamellar pearlite, fragmented pearlite, destroyed lamellar pearlite, globular pearlite, completely destroyed pearlite, subgrain structure. The contribution of hardening due to: lattice friction, solid solution hardening, pearlite hardening, incoherent cementite particles, grain boundaries and subboundaries, dislocation substructure and internal stress fields were quantified. A hierarchy of these mechanisms was made and it was noted that for the fillet surface of the rail head, the main hardening mechanism is hardening by incoherent particles, as well as mechanisms caused by internal long-range (local) stresses, internal shear stresses (“forests” of dislocations) and substructural hardening. For the rolling surface along the central axis of the rail head, the main role in hardening belongs to long-range stress fields (especially its elastic component), hardening by incoherent particles and substructural hardening. Taking into account the volume fractions of the morphological components and their yield strength, the additive yield strength on the head rolling surface in the center and on the fillet was determined: 7950 and 2218 MPa, respectively. The paper presents a physical interpretation of the difference in values of the additive yield strength on the rolling surface of the rail head in the center and on the fillet.

поверхность катаниярельсывыкружкамеханизмы упрочненияаддитивный предел текучестизаэвтектоидная стальrolling surfacerailsfillethardening mechanismsadditive yield strengthhypereutectoid steelРабота выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № FEMN-2023-0003). Авторы выражают благодарность Е.В. Полевому за предоставленные образцы, И.Ю. Литовченко за помощь в проведении ПЭМ-исследований.The work was performed within the framework of the state task of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (subject No. FEMN-2023-0003). The authors express their gratitude to E.V. Polevoi for the samples provided and to I.Y. Litovchenko for assistance in conducting TEM studies.ReferencesЮрьев А.А., Кузнецов Р.В., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Шлярова Ю.А. Длинномерные рельсы: структура и свойства после сверхдлительной эксплуатации. Новокузнецк: «Полиграфист»; 2022:311.Yur’ev A.A., Kuznetsov R.V., Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Shlyarova Yu.A. Long Rails: Structure and Properties after Long-Term Operation. Novokuznetsk: Poligrafist; 2022:311. (In Russ.).Шур Е.А. Повреждения рельсов. Москва: Интекст; 2012:153.Shur E.A. Rails Damage. Moscow: Intekst; 2012:153. (In Russ.).Steenbergen M. Rolling contact fatigue: Spalling versus transverse fracture of rails. Wear. 2017;380-381:96–105. http://doi.org/10.1016/j.wear.2017.03.003Steenbergen M. Rolling contact fatigue: Spalling versus transverse fracture of rails. Wear. 2017;380-381:96–105. http://doi.org/10.1016/j.wear.2017.03.003Skrypnyk 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;428-429:302–314. http://doi.org/10.1016/j.wear.2019.03.019Skrypnyk 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;428-429:302–314. http://doi.org/10.1016/j.wear.2019.03.019Miranda 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; 494-495:204253. http://doi.org/10.1016/j.wear.2022.204253Miranda 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;494-495: 204253. http://doi.org/10.1016/j.wear.2022.204253Pereira 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;498-499:204299. http://doi.org/10.1016/j.wear.2022.204299Pereira 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;498-499:204299. http://doi.org/10.1016/j.wear.2022.204299Иванов Ю.Ф., Порфирьев М.А., Громов В.Е., Крюков Р.Е., Шлярова Ю.А. Структурно-фазовые состояния в головке рельсов специального назначения после длительной эксплуатации. Металлы. 2023;(6):53–58. https://doi.org/10.31857/S086957332306006XIvanov Yu.F., Porfir’ev M.A., Gromov V.E., Kryukov R.E., Shlyarova Yu.A. Structural and phase states in the head of special-purpose rails after prolonged operation. Metally. 2023;(6):53–58. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/S086957332306006XIvanisenko Yu., Fecht H.J. Microstructure modification in the surface layers of railway rails and wheels: Effect of high strain rate deformation. Steel Tech. 2008;3(1):19–23.Ivanisenko Yu., Fecht H.J. Microstructure modification in the surface layers of railway rails and wheels: Effect of high strain rate deformation. Steel Tech. 2008;3(1):19–23.Порфирьев М.А., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Попо­­ва Н.А., Шляров В.В. Тонкая структура длинномерных рельсов из заэвтектоидной стали после длительной эксплуатации. Новокузнецк: Полиграфист; 2023:285.Porfir’ev M.A. Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Popova N.A., Shlyarov V.V. Thin structure of long-length rails made of hypereutectoid steel after long-term operation. Novokuznetsk: Poligrafist; 2023:285. (In Russ.).Nikas D., Zhang X., Ahlstrom J. Evaluation of local strength via microstructural quantification in a pearlitic rail steel deformed by simultaneous compression and torsion. Mate­rials Science and Engineering: A. 2018;737:341–347. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.09.067Nikas D., Zhang X., Ahlstrom J. Evaluation of local strength via microstructural quantification in a pearlitic rail steel deformed by simultaneous compression and torsion. Mate­rials Science and Engineering: A. 2018;737:341–347. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.09.067Masoumi M., Sinatora A., Sietsma H.G. Role of microstructure and crystallographic orientation in fatigue crack failure analysis of a heavy haul railway rail. Engineering Failure Analysis. 2019;96:320–329. http://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2018.10.022Masoumi M., Sinatora A., Sietsma H.G. Role of microstructure and crystallographic orientation in fatigue crack failure analysis of a heavy haul railway rail. Engineering Failure Analysis. 2019;96:320–329. http://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2018.10.022Turan M.E., Aydin F., Sun Y., Cetin M. Residual stress measurement by strain gauge and X-ray diffraction method in different shaped rails. Engineering Failure Analysis. 2019;96: 525–529. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2018.10.016Turan M.E., Aydin F., Sun Y., Cetin M. Residual stress measurement by strain gauge and X-ray diffraction method in different shaped rails. Engineering Failure Analysis. 2019;96:525–529. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2018.10.016Li X.C., Ding H.H., Wang W.J., Guo J., Liu Q.Y., Zhou Z.R. Investigation on the relationship between microstructure and wear characteristic of rail materials. Tribology International. 2021; 163:107152. http://doi.org/10.1016/j.triboint.2021.107152Li X.C., Ding H.H., Wang W.J., Guo J., Liu Q.Y., Zhou Z.R. Investigation on the relationship between microstructure and wear characteristic of rail materials. Tribology International. 2021;163:107152. http://doi.org/10.1016/j.triboint.2021.107152Kanematsu Y., Uehigashi N., Matsui M., Noguchi S. Influence of a decarburized layer on the formation of microcracks in railway rails: On-site investigation and twindisc study. Wear. 2022;504–505:204427. https://doi.org/10.1016/j.wear.2022.204427Kanematsu Y., Uehigashi N., Matsui M., Noguchi S. Influence of a decarburized layer on the formation of microcracks in railway rails: On-site investigation and twindisc study. Wear. 2022;504–505:204427. https://doi.org/10.1016/j.wear.2022.204427Rong K.-J., Xiao Y.-L., Shen M.-X., 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;486-487:204091. https://doi.org/10.1016/j.wear.2021.204091Rong K.-J., Xiao Y.-L., Shen M.-X., 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;486-487:204091.Совершенствование рельсовых сталей. Железные дороги мира. 2016;(1):74–76.https://doi.org/10.1016/j.wear.2021.204091Добужская А.Б., Галицын Г.А., Юнин Г.Н., Полевой Е.В., Юнусов А.М. Влияние химического состава, микроструктуры и механических свойств на износостойкость рельсовой стали. Сталь. 2020;(12):52–55.Improvement of rail steels. Zheleznye dorogi mira. 2016;(1):74–76. (In Russ.).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;456-457:203354. http://doi.org/10.1016/j.wear.2020.203354Dobuzhskaya A.B., Galitsyn G.A., Yunin G.N., Polevoi E.V., Yunusov A.M. Effect of chemical composition, microstructure and mechanical properties on the wear resistance of rail steel. Steel in Translation. 2020;50(12):906–910. https://doi.org/10.3103/S0967091220120037Hu 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;460-461:203455. http://doi.org/10.1016/j.wear.2020.203455Wen 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;456-457:203354. http://doi.org/10.1016/j.wear.2020.203354Hu 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;154:106685. http://doi.org/10.1016/j.triboint.2020.106685Hu 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;460-461:203455. http://doi.org/10.1016/j.wear.2020.203455Zhou 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;492-493:204233. http://doi.org/10.1016/j.wear.2021.204233Hu 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;154:106685. http://doi.org/10.1016/j.triboint.2020.106685Bai 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;496-497:204290. http://doi.org/10.1016/j.wear.2022.204290Zhou 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;492-493: 204233. http://doi.org/10.1016/j.wear.2021.204233Alwahdi F.A.M., Kapoor A., Franklin F.J. Subsurface microstructural analysis and mechanical properties of pearlitic rail steels in service. Wear. 2013;302(1-2):1453–1460. http://doi.org/10.1016/j.wear.2012.12.058Bai 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;496-497:204290. http://doi.org/10.1016/j.wear.2022.204290Wang 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;362-363:146–152. http://doi.org/10.1016/j.wear.2016.05.021Alwahdi F.A.M., Kapoor A., Franklin F.J. Subsurface microstructural analysis and mechanical properties of pearlitic rail steels in service. Wear. 2013;302(1-2):1453–1460. http://doi.org/10.1016/j.wear.2012.12.058Pan R., Ren R., Zhao X., Chen C. Influence of microstructure evolution during the sliding wear of CL65 steel. Wear. 2018;400-401:169–176. http://doi.org/10.1016/j.wear.2018.01.005Wang 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;362-363: 146–152. http://doi.org/10.1016/j.wear.2016.05.021Egerton F.R. Physical Principles of Electron Microscopy. Basel: Springer International Publishing; 2016:196. https://doi.org/10.1007/978-3-319-39877-8Pan R., Ren R., Zhao X., Chen C. Influence of microstructure evolution during the sliding wear of CL65 steel. Wear. 2018;400-401:169–176. http://doi.org/10.1016/j.wear.2018.01.005Kumar C.S.S.R. Transmission Electron Microscopy. Characterization of Nanomaterials. New York: Springer; 2014:717.Egerton F.R. Physical Principles of Electron Microscopy. Basel: Springer International Publishing; 2016:196. https://doi.org/10.1007/978-3-319-39877-8Carter C.B., Williams D.B. Transmission Electron Microscopy: Diffraction, Imaging, and Spectrometry. Berlin: Springer International Publishing; 2016:518. https://doi.org/10.1017/S1431927618000296Kumar C.S.S.R. Transmission Electron Microscopy. Characterization of Nanomaterials. New York: Springer; 2014:717.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 рельсовой стали. Материаловедение. 2023;(10):17–28. https://doi.org/10.31044/1684-579Х-2023-0-10-17-28Carter C.B., Williams D.B. Transmission Electron Microscopy: Diffraction, Imaging, and Spectrometry. Berlin: Springer International Publishing; 2016:518. https://doi.org/10.1017/S1431927618000296Гольдштейн М.И., Фарбер В.М. Дисперсионное упрочнение стали. Москва: Металлургия; 1979:208.Popova N.A., Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Porfir’ev M.A., Nikonenko E.L., Shlyarova Yu.A. Effect of long-term operation on the structural-phase state of hypereutectoid rail steel. Materialovedenie. 2023;(10):17–28. (In Russ.). https://doi.org/10.31044/1684-579Х-2023-0-10-17-28Козлов Э.В., Конева Н.А. Природа упрочнения металли­чес­ких материалов. Известия вузов. Физика. 2002; 45(3):52–71. Kozlov E.V., Koneva N.A. The nature of metal materials harde­ning. Izvestiya vuzov. Fizika. 2002;45(3):52–71. (In Russ.).Gol’dshtein M.I., Farber V.M. Dispersion Hardening of Steel. Moscow: Metallurgiya; 1979:208. (In Russ.).Козлов Э.В., Малиновская В.А., Попова Н.А. Количественная оценка упрочнения нитроцементованной стали 20Х2Н4А после низкого отпуска. Известия вузов. Черная металлургия. 2006;49(6):37–39.Kozlov E.V., Koneva N.A. The nature of metal materials hardening. Izvestiya vuzov. Fizika. 2002;45(3):52–71. (In Russ.).Kozlov E.V., Malinovskaya V.A., Popova N.A. Quantitative assessment of hardening of nitrocemented steel 20Kh2N4A after low tempering. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2006; 49(6):37–39. (In Russ.).Kozlov E.V., Malinovskaya V.A., Popova N.A. Quantitative assessment of hardening of nitrocemented steel 20Kh2N4A after low tempering. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2006; 49(6):37–39. (In Russ.).

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