blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2016-6-414-419blackmet-886Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА УПРОЧНЕНИЯ РЕЛЬСОВ В ПРОЦЕССЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИPHYSICAL NATURE OF RAILS STRENGTHENING DURING LONG OPERATIONГромовВ. Е.GromovV. E.

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

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

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

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

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

yufi55@mail.ruМорозовК. В.MorozovK. V.

к.т.н., инженер кафедры физики им. В.М. Финкеля

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

morozov_kv75@mail.ruПерегудовО. А.PeregudovO. A.

инженер кафедры физики им. В.М. Финкеля

Engineer of Chair of Physics named after V.M. Finkel

gromov@physics.sibsiu.ruЮрьевА. Б.Yur’evA. B.

д.т.н., управляющий директор, профессор кафедры «Обработка металлов давлением и металловедение»

Dr. Sci. (Eng.), Professor of Chair “Metal Forming and Metal Science”, Managing Director

Vadim.Kosterev@evraz.comСибирский государственный индустриальный университет (654007, Россия, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42)РоссияSiberian State Industrial University, Novokuznetsk, RussiaRussian FederationИнститут сильноточной электроники СО РАН (634055, Россия, Томск, пр. Академический, 2/3) Национальный исследовательский Томский политехнический университет (634050, Россия, Томск, пр. Ленина, 30) Национальный исследовательский Томский государственный университет (634050, Россия, Томск, пр. Ленина, 36)РоссияInstitute of High Current Electronics SB RAS, Tomsk, Russia National Research Tomsk Polytechnical University, Tomsk, Russia National Research Tomsk State University, Tomsk, RussiaRussian FederationСибирский государственный индустриальный университет (654007, Россия, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42) ОАО «ЕВРАЗ – Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» (654043, Россия, Кемеровская область, г. Новокузнецк, шоссе Космическое, д. 16)РоссияSiberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russia OJSC “EVRAZ - Joint West Siberian Metallurgical Plant”, Novo- kuznetsk, RussiaRussian Federation201604072016596414419Copyright © Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Морозов К.В., Перегудов О.А., Юрьев А.Б., 20162016Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Морозов К.В., Перегудов О.А., Юрьев А.Б.Gromov V.E., Ivanov Y.F., Morozov K.V., Peregudov O.A., 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/886

Эксплуатация рельсов (пропущенный тоннаж 500 и 1000 млн. т брутто) приводит к существенному упрочнению поверхностного слоя. На основании результатов электронно-микроскопических исследований выполнен количественный анализ вклада различных механизмов в упрочнение рельсов после длительной эксплуатации на разном расстоянии от поверхности катания. Показано, что упрочнение носит многофакторный характер и обусловлено субструктурным упрочнением, вызванным формированием наноразмерных фрагментов; дисперсионным упрочнением частицами карбидной фазы; упрочнением, обусловленным формированием на дислокациях атмосфер; полями напряжений, формирующимися внутрифазными и межфазными границами. Существенное увеличение прочности поверхностного слоя рельсовой стали, подвергнутой длительной (пропущенный тоннаж 1000 млн. т брутто) эксплуатации, обусловлено формирующимися в материале дальнодействующими внутренними полями напряжений и фрагментацией материала с образованием наноразмерной структуры. 

Rails operation (500 and 1000 mln. t. gross tonnage passed) leads to considerable enhancement of surface layer. The quantitative analysis of rails strengthening mechanisms at different distances from the rolling surface after the long-term operation was carried out using the results of transmission electron microscopy studies. It was shown that enhancement has multifactor character and depends on substructure strengthening caused by nanosize fragments formation; dispersion strengthening by carbide phase particles; strengthening caused by dislocation atmospheres formation; internal stress fields formed by intraand interface boundaries. Significant increase of surface layer strength of rail steel under long term operation (1000 mln tons gross passed tonnage) depends on far acting stress fields formed in material and material fragmentation with nanosize structure formation. 

рельсыэксплуатацияупрочнениемеханизмыструктураrailsoperationhardeningmechanismsstructureReferencesПикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей. – М.: Металлургия, 1982. – 184 с.Pickering F.Brian. Physical metallurgy and the design of steels. Applied Science Publishers, 1978, 275 p. (Russ.ed.: Pickering F.B. Fizicheskoe metallovedenie i razrabotka stalei. Moscow: Metallurgiya, 1982, 182 p.).Штремель М.А. Прочность сплавов. Часть II. Деформация. Учебник для вузов. – М.: изд. МИСИС, 1997. – 527 с.Shtremel’ M.A. Prochnost’ splavov. Chast’ II. Deformatsiya. Uchebnik dlya vuzov [Strength of alloys. Part 2. Deformation. Textbook for universities]. Moscow: izd. MISIS, 1997, 527 p. (In Russ.).Деформационное упрочнение и разрушение поликристаллических металлов / В.И. Трефилов, В.И. Моисеев, Э.П. Печковский и др. – Киев: Наукова думка, 1987. – 248 с.Trefilov V.I., Moiseev V.I., Pechkovskii E.P., Gornaya I.D., Vasil’evA.D. Deformatsionnoe uprochnenie i razrushenie polikristallicheskikh metallov [Deformation hardening and destruction of polycrystalline metals]. Kiev: Naukova dumka, 1987, 248 p. (In Russ.).Статическая прочность и механика разрушения сталей: Сб. научных трудов / Пер. с нем.; под ред. В. Даля, В. Антона. – М.: Металлургия, 1986. – 566 с.Werkstoffkunde Eisen und Stahl. Dahl W., Anton W. (Hrsg.), Verlag Stahleisen. Düsseldorf 1983. (Russ.ed.: Staticheskaya prochnost’ i mekhanika razrusheniya stalei. Dahl W., Anton W. eds. Moscow: Metallurgiya, 1986, 566 p.).Закаленная конструкционная сталь: структура и механизмы упрочнения / Ю.Ф. Иванов, Е.В. Корнет, Э.В. Козлов, В.Е. Громов. – Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2010. – 174 с.Ivanov Yu.F., Kornet E.V., Kozlov E.V., Gromov V.E. Zakalennaya konstruktsionnaya stal’: struktura i mekhanizmy uprochneniya [Quenched constructional steel: structure and mechanisms of hardening]. Novokuznetsk: izd. SibGIU, 2010, 174 p. (In Russ.).Иванов Ю.Ф., Морозов К.В., Перегудов О.А. и др. Формирование структурно-фазовых градиентов в рельсах при длительной эксплуатации // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2015. No 3. С. 49 – 54.Ivanov Yu.F., Morozov K.V., Peregudov O.A., Gromov V.E., Popova N.A., Nikonenko E.N. Formation of structure-phase gradients in rails under long-term operation. Problemy chernoi metallurgii i materialovedeniya. 2015, no. 3, pp. 49–54. (In Russ.).Громов В.Е., Перегудов О.А., Иванов Ю.Ф. и др. Эволюция поверхностного слоя рельсов при длительной эксплуатации // Вопросы материаловедения. 2015. No 3. С. 41 – 49.Gromov V.E., Peregudov O.A., Ivanov Yu.F., Morozov K.V., Alsaraeva K.V. Evolution of rails surface layer under long-term operation. Voprosy materialovedeniya. 2015, no. 3, pp. 41–49. (In Russ.).Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Морозов К.В. и др. Изменение структуры и свойств поверхностных слоев головки рельсов после длительной эксплуатации // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2015. Т. 12. No 2. С. 203 – 208. Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Перегудов О.А. и др. Эволюция структурно-фазовых состояний рельсов при длительной эксплуатации // Изв. вуз. Черная металлургия. 2015. Т. 58. No 4. С. 262 – 267.Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Morozov K.V., Peregudov O.A., Alsaraeva K.V., Popova N.A., Nikonenko E.L. Change in structure and properties of surface layer of rail head after long-term operation. Fundamental’nye problemy sovremennogo materialovedeniya. 2015, vol. 12, no. 2, pp. 203–208. (In Russ.).Перегудов О.А., Морозов К.В., Громов В.Е. и др. Формирование полей внутренних напряжений в рельсах при длительной эксплуатации // Деформация и разрушение материалов. 2015. No 11. С. 34 – 37.Ivanov Yu.F., Gromov V.E., Peregudov O.A., Morozov K.V., Yur’ev A.B. Evolution of rail structure-phase states at continuous service. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2015, vol. 58, no. 4, pp. 262–267. (In Russ.).Шур Е.А. Повреждение рельсов. – М.: Интекст, 2012. – 192 с.Peregudov O.A., Morozov K.V., Gromov V.E., Glezer A.M., Ivanov Yu.F. Internal stress fields forming in rails under long-term operation. Deformatsiya i razrushenie materialov. 2015, no. 11, pp. 34–37. (In Russ.).Sheinman E. Wear of Rails. A Review of the american Press // J. of Friction and wear. 2012. Vol. 33. No 4. P. 308 – 314.Shur E.A. Povrezhdenie rel’sov [Rails damage]. Moscow: Intekst. 2012, 192 p. (In Russ.).Беленький Б.З., Фарбер Б.М., Гольдштейн М.И. Оценки прочности малоуглеродистых низколегированных сталей по структурным данным // ФММ. 1975. Т. 39. No 3. С. 403 – 409.Sheinman E. Wear of rails. A review of the American press. J. of Friction and wear. 2012, vol. 33, no. 4, pp. 308–314.Naulor I.R. The influence of the lath morphology on the yield strength and transition temperature on martensite-bainite steel // Met. Trans. 1979. Vol. 10A. No 7. Р. 873 – 891.Belen’kii B.Z., Farber B.M., Gol’dshtein M.I. Strength assessment of low carbon steels by structural data. Fizika metallov i metallovedenie. 1975, vol. 39, no. 3, pp. 403–409. (In Russ.).Мак Лин Д. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1965. – 431 с.Naulor I.R. The influence of the lath morphology on the yield strength and transition temperature on martensite-bainite steel. Met. Trans. 1979, vol. 10A, no. 7, pp. 873–891.Гольдштейн М.И., Фарбер Б.М. Дисперсионное упрочнение стали. – М.: Металлургия, 1979. – 208 с.McLean D. Mechanical Properties of Metals. John Wiley & Sons, London, 1962, 403 p. (Russ.ed.: McLean D. Mekhanicheskie svoistva metallov. Moscow: Metallurgiya, 1965, 431 p.).Предводителев А.А. Современное состояние исследований дислокационных ансамблей. – В кн.: Проблемы современной кристаллографии. – М.: Наука, 1975. С. 262 – 275.Gol’dshtein M.I., Farber B.M. Dispersionnoe uprochnenie stali [Dispersion hardening of steel]. Moscow: Metallurgiya, 1979, 208 p. (In Russ.).Embyri I.D. Strengthening by dislocations structure // Strengthening Method in Crystals. Applied Science Publishes. 1971. P. 331 – 402.Predvoditelev A.A. Contemporary studies of dislocation assemblies. In: Problemy sovremennoi kristallografii [Questions of contemporary crystallography]. Moscow: Nauka, 1975, pp. 262–275. (In Russ.).Физика и механика волочения и объемной штамповки / В.Е. Громов, Э.В. Козлов, В.И. Базайкин и др. – М.: Недра, 1997. – 293 с.Embyri I.D. Strengthening by dislocations structure. Strengthening Method in Crystals. Applied Science Publishes. 1971, pp. 331–402.Конева Н.А., Козлов Э.В. Физическая природа стадийности пластической деформации. – В кн.: Структурные уровни пластической деформации и разрушения / Под ред. В.Е. Панина. – Новосибирск: Наука, 1990. С. 123 – 186.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., Zakiro 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.).Mott N.F., Nabarro F.R.N. The distribution of dislocations in slip band // Proc. Phys. Soc. 1940. Vol. 52. No 1. P. 86 – 93.Koneva N.A., Kozlov E.V. Physical nature of stages of plastic deformation. In: Strukturnye urovni plasticheskoi deformatsii i razrusheniya [Physical nature of stages of plastic deformation]. Panin V.E. ed. Novosibirsk: Nauka, 1990, pp. 123–186. (In Russ.).Прнка Т. Количественные соотношения между параметрами дисперсных выделений и механическими свойствами сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. 1975. No 7. С. 3 – 8.Mott N.F., Nabarro F.R.N. The distribution of dislocations in slip band. Proc. Phys. Soc. 1940, vol. 52, no. 1, pp. 86–93.Prnka T. Quantitative ratio between dispersed emissions parametres and steels mechanical properties. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 1975, no. 7, pp. 3–8. (In Russ.).Prnka T. Quantitative ratio between dispersed emissions parametres and steels mechanical properties. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 1975, no. 7, pp. 3–8. (In Russ.).

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