blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2015-4-262-266blackmet-652Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИMATERIAL SCIENCE AND NANOTECHNOLOGIESЭВОЛЮЦИЯ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ СОСТОЯНИЙ РЕЛЬСОВ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИEVOLUTION OF RAIL STRUCTURE-PHASE STATES AT CONTINUOUS SERVICEИвановЮ. Ф.IvanovYu. F.

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

Dr. Sci. (Phys.-math.), Professor, Chief Research associate

ГромовВ. Е.GromovV. E.

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

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

gromov@physics.sibsiu.ruПерегудовО. А.PeregudovO. A.

инженер

Engineer

МорозовК. В.MorozovK. V.

инженер

Engineer

ЮрьевА. Б.Yur’evA. B.

д.т.н., профессор, управляющий директор

Dr. Sci. (Tech.), Managing Director, Professor of the Chair of Physics named after V.M. Finkel’

Национальный исследовательский Томский политехнический университет «НИ ТПУ» 634036, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30 Институт сильноточной электроники СО РАН 634055, Россия, г. Томск, пр. Академический, 2/3РоссияNational Research Tomsk Polytechnic University 30, Lenina ave., Tomsk, 634036, Russia Institute of High Current Electronics SB RAS 2/3, Akademicheskii ave., Tomsk, 634055, RussiaRussian FederationСибирский государственный индустриальный университет 654007, Россия, Кемеровская обл., г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42РоссияSiberian State Industrial University 42, Kirova str. Kemerovo region, Novokuznetsk, 654007, RussiaRussian FederationНациональный исследовательский Томский политехнический университет «НИ ТПУ» 634036, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30РоссияNational Research Tomsk Polytechnic University 30, Lenina ave., Tomsk, 634036, RussiaRussian FederationОАО «ЕВРАЗ – объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» 654043, Россия, Кемеровская обл., г. Новокузнецк, шоссе Космическое, 16РоссияJSC “EVRAZ – Joint West Siberian Metallurgical Plant” 16, Kosmicheskoe route, Kemerovo region, Novokuznetsk, 654043, RussiaRussian Federation201510062015584262266Copyright © Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Перегудов О.А., Морозов К.В., Юрьев А.Б., 20152015Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Перегудов О.А., Морозов К.В., Юрьев А.Б.Ivanov Y.F., Gromov V.E., Peregudov O.A., Morozov K.V., Yur’ev A.B.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/652

Методами современного физического материаловедения выявлены закономерности преобразования структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры поверхностного слоя (глубиной до 10 мм) рельсов в процессе длительной эксплуатации (пропущенный тоннаж 1000 млн. т брутто). Построены профили микротвердости, выявлен факт снижения прочностных характеристик поверхностности катания рельса после эксплуатации на железной дороге. Эксплуатация рельсов приводит к формированию многослойной структуры. Показано, что поверхностный слой толщиной примерно 20 мкм имеет многофазную субмикро- и нанокристаллическую структуру, содержит микропоры и микротрещины. Структура слоя, расположенного на расстоянии 2 мм от поверхности катания, по морфологическому признаку подобна структуре стали до эксплуатации и представлена зернами перлита преимущественно пластинчатой морфологии, зернами феррито-карбидной смеси и зернами структурно свободного феррита. Отмечена повышенная плотность изгибных экстинкционных контуров на глубине 2 мм от поверхности катания. Показано, что максимальная амплитуда полей напряжений формируется на межфазной границе глобулярная частица – матрица.

The regularities of structure-phase states and defect substructuretransformations of the rail surface layer with the 10 mm depth under continuous service (the passed tonnage of 1000 million ton of gross weight) have been revealed by the methods of modern physical material science. The microhardness profi les have been constructed and the reduction of the strength characteristics of the rolling surface after the rail operation on the railr ad has been revealed. Operation of the rails leads to the formation of the multilayer structure. It has been shown that the surface layer with the ~20 μm depth has a multiphase submicro- and nanocrystal structure and contains micropores and microcracks. The layer structure located at a distance of 2 mm from the rolling surface is morphologically similar to that of the steel before the operation and it is presented predominantly by perlite grains of lamellar morphology, grains of ferrite-carbide mixture and structurallyfree ferrite grains. The increased density of bend extinction contours at the depth of 2 mm from the rolling surface have been noted and it has been shown that maximum amplitude of stress fi elds is formed at the interphase globular particle-matrix density.

рельсыэксплуатацияизломструктурафазовый составмикротвердостьполя напряженийповерхность катанияrailsoperationfracturestructurephase compositionmicrohardnessstress fi eldsrolling surfaceReferencesShur E.A. Povrezhdenie rel’sov [Rail damage]. Moscow: Intekst, 2012. 192 p. (In Russ.).Shur E.A. Povrezhdenie rel’sov [Rail damage]. Moscow: Intekst, 2012. 192 p. (In Russ.).Sheinman E. Wear of rails. A review of the American press. Journal of Friction and Wear. 2012, Vol. 33, no. 4, pp. 308–314.Sheinman E. Wear of rails. A review of the American press. Journal of Friction and Wear. 2012, Vol. 33, no. 4, pp. 308–314.Ivanisenko Yu., Fecht H.J. Microstructure modifi cation in the Surface Layers of Railway Rails and Wheels. Steel tech. 2008, Vol. 3, no. 1, pp. 19–23.Ivanisenko Yu., Fecht H.J. Microstructure modifi cation in the Surface Layers of Railway Rails and Wheels. Steel tech. 2008, Vol. 3, no. 1, pp. 19–23.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, pp. 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, 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 ultrafi ne grained carbon steel and pure iron processed by warm high pressure torsion. Mater. Sci. and Eng. A. 2013, Vol. 581, pp. 81–89.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 ultrafi ne 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, pp. 81–89.Gavriljuk V.G. Decomposition of cementite in pearlitic steel due to plastic deformation. Mater. Sci. and Eng. A. 2003, Vol. 345, 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, pp. 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, 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, pp. 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.Gromov V.E., Yur’ev A.B., Morozov K.V., Ivanov Yu.F. Mikrostruktura zakalennykh rel’sov [Microstructure of hardened rails]. Novokuznetsk: Inter-Kuzbass, 2014. 213 p. (In Russ.).Gromov V.E., Yur’ev A.B., Morozov K.V., Ivanov Yu.F. Mikrostruktura zakalennykh rel’sov [Microstructure of hardened rails]. Novokuznetsk: Inter-Kuzbass, 2014. 213 p. (In Russ.).Hirsh P., Hovi R., Nicholson R., Pashley D.W., Whelan M.J. The Electron Microscopy of Thin Crystals. Butterworths, 1965. 549 p.Hirsh P., Hovi R., Nicholson R., Pashley D.W., Whelan M.J. The Electron Microscopy of Thin Crystals. Butterworths, 1965. 549 p.(Russ. ed.: Hirsh P., Hovi R., Nicholson R. etc. Elektronnaya mikroskopiya tonkikh kristallov. Moscow: Mir, 1968. 574 p.).(Russ. ed.: Hirsh P., Hovi R., Nicholson R. etc. Elektronnaya mikroskopiya tonkikh kristallov. Moscow: Mir, 1968. 574 p.).Koneva N.A., Kozlov E.V. Nature of substructural hardening. Soviet Physics Journal. 1982, Vol. 25, no. 8, pp. 681–691.Koneva N.A., Kozlov E.V. Nature of substructural hardening. Soviet Physics Journal. 1982, Vol. 25, no. 8, pp. 681–691.Gromov V.E., Kozlov E.V., Bazaikin V.I., Tsellermaer V.Ya., Ivanov Yu.F., Ignatenko L.N., Popova N.V., Chinokalov V.Ya., Poltoratskii L.M., Zakirov D.M. Fizika i mekhanika volocheniya i ob”emnoi shtampovki [Physics and mechanics of drawing and die forging]. Moscow: Nedra, 1997. 293 p. (In Russ.).Gromov V.E., Kozlov E.V., Bazaikin V.I., Tsellermaer V.Ya., Ivanov Yu.F., Ignatenko L.N., Popova N.V., Chinokalov V.Ya., Poltoratskii L.M., Zakirov D.M. Fizika i mekhanika volocheniya i ob”emnoi shtampovki [Physics and mechanics of drawing and die forging]. Moscow: Nedra, 1997. 293 p. (In Russ.).

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