blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2016-8-576-580blackmet-936Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEЭКСПЛУАТАЦИЯ РЕЛЬСОВОЙ СТАЛИ: ДЕГРАДАЦИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯRAIL STEEL OPERATION: DEGRADATION OF STRUCTURE AND PROPERTIES OF SURFACE LAYERИвановЮ. Ф.IvanovYu. F.

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

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

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

инженер кафедры физики им. В.М. Финкеля

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 the Chair of Physics named after V.M. Finkel

gromov@physics.sibsiu.ruГромовВ. 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.ruИнститут сильноточной электроники СО РАН (634055, Россия, Томск, пр. Академический, 2/3); Национальный исследовательский Томский политехнический университет (634050, Россия, Томск, пр. Ленина, 30)РоссияInstitute of High Current Electronics SB RAS, Tomsk, Russia; National Research Tomsk Polytechnical University, Tomsk, RussiaRussian FederationСибирский государственный индустриальный университет (654007, Россия, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42)РоссияSiberian State Industrial University, Novokuznetsk, RussiaRussian Federation201624102016598576580Copyright © Иванов Ю.Ф., Морозов К.В., Перегудов О.А., Громов В.Е., 20162016Иванов Ю.Ф., Морозов К.В., Перегудов О.А., Громов В.Е.Ivanov Y.F., Morozov K.V., Peregudov O.A., Gromov V.E.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/936

Методами оптической, сканирующей, просвечивающей электронной дифракционной микроскопии и путем измерения микротвердости и трибологических параметров установлены закономерности изменения структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры поверхности рельсов после длительной эксплуатации (пропущенный тоннаж 500 и 1000 млн. т брутто). Показано, что скорость износа увеличивается в 3,0 и 3,4 раза при пропущенном тоннаже 500 и 1000 млн. т соответственно, а коэффициент трения снижается в 1,4 и 1,1 раза. После пропущенного тоннажа 500 млн. т пластины цементита полностью разрушаются и формируются частицы цементита округлой формы размерами 10 – 50 нм. После пропущенного тоннажа 1000 млн. т отмечено протекание начальной стадии динамической рекристаллизации. Обсуждены возможные причины наблюдаемых закономерностей. Отмечено, что возможно протекание двух конкурирующих процессов при эксплуатации рельсов: процесса разрезания частиц цементита с последующим выносом их в объем ферритных зерен или пластин (в структуре перлита); процесса разрезания, последующего растворения частиц цементита, перехода атомов углерода на дислокации (атмосферы Коттрелла), перенос атомов углерода дислокациями в объем зерен (или пластин) феррита с последующим формированием наноразмерных частиц цементита.

Using the methods of optical, scanning and transmission electron diffraction microscopy as well as microhardness and tribology parameters measurement the authors have established the changes regularities of structure-phase states, defect substructure of rails surface after the long term operation (passed tonnage of gross weight of 500 and 1000  mln. tons). It has been shown that the wear rate increases in 3 and 3.4 times after passed tonnage of gross weight of 500 and 1000 mln. tons, accordingly, and the friction coefficient decreases in 1.4 and 1.1 times. The cementite plates are destroyed absolutely and cementite particles of around form with the sizes of 10–50 nm are formed after passed tonnage of 500 mln. tons. The appearance of dynamical recrystallization initial stages is marked after the passed tonnage of 1000 mln. tons. The possible mechanisms of established regularities have been discussed in the work. It has been noted that two competitive processes can take place during rails long term operation: 1. process of cutting of cementite particles followed by their carrying out into the volume of ferrite grains or plates (in the structure of pearlite); 2. process of cutting, the subsequent dissolution of cementite particles, transition of carbon atoms to dislocations (into Cottrell atmospheres), transition of carbon atoms by dislocations into volume of ferrite grains or plates followed by repeat formation of nanosize cementite particles.

рельсыэксплуатацияструктурадефектная субструктурафазовый составповерхностный слойrailsoperationstructuredefect substructurephase compositionsurface layerReferencesGromov V.Е., Yuriev A.B., Morozov K.V., Ivanov Yu.F. Micro structure of hardened rails. – Cambridge: CISP, 2015. – 193 p.Gromov V.Е., Yuriev A.B., Morozov K.V., Ivanov Yu.F. Microstructure of hardened rails. Cambridge: CISP, 2015, 193 p.Ворожищев В.И. Состав и технология производства рельсов повышенной работоспособности. – Новокузнецк: Новокузнецкий полиграфический комбинат, 2008. – 351 с.Vorozhishchev V.I. Sostav i tekhnologiya proizvodstva rel’sov povyshennoi rabotosposobnosti [Copmosition and production technology of rails of increased effi ciency]. Novokuznetsk: Novokuznetskii poligrafi cheskii kombinat, 2008, 351 p. (In Russ.).Шур Е.А. Повреждение рельсов. – М.: Интекст, 2012. – 192 с.Shur E.A. Povrezhdenie rel’sov [Rails damages]. Moscow: Intekst, 2012,192 p. (In Russ.).Sheinman E. Wear of Rails // J. of Friction and wear. 2012. Vol. 33. No. 4. P. 308 – 314.Sheinman E. Wear of Rails. J. 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. P. 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. P. 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 I., Ganeev A.V., Valiev R.Z., Kübel 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. Eng. A. 2013. Vol. 581. P. 8 – 15.Ning Jiang-Li, Courtois-Manara E., Kurmanaeva I., Ganeev A.V., Valiev R.Z., Kübel 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. Eng. A. 2013, vol. 581, pp. 8–15.Gavriljuk V.G. Decomposition of cementite in pearlite steel due to plastic deformation // Mater. Sci. Eng. A. 2003. Vol. 345. P. 81 – 89.Gavriljuk V.G. Decomposition of cementite in pearlite steel due to plastic deformation. Mater. Sci. 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. 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, pp. 3965–3977.Gavriljuk V.G. Eff ect of interlamellar spacing on cementite dissolution during wire drawing of pearlitic steel wires // Scripta Mater. 2001. Vol. 45. P. 1469 – 1472.Gavriljuk V.G. Eff ect of interlamellar spacing on cementite dissolution during wire drawing of pearlitic steel wires. Scripta Mater. 2001, vol. 45, pp. 1469–1472.Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. – М.: Металлургия, 1986. – 242 с.Rybin V.V. Bol’shie plasticheskie deformatsii i razrushenie metallov [Great plastic deformations and metal fracture]. Moscow: Metallurgiya, 1986, 242 p. (In Russ.).Громов В.Е., Петрунин В.А. Локализация пластической деформации в условиях электростимулированного волочения // Physica Status Solidi (a). 1993. Vol. 139. P. 77 – 84.Gromov V.E., Petrunin V.A. Localisation of plastic deformation in the conditions of electrostimulated drawing. Physica Status Solidi (a). 1993, vol. 139, pp. 77–84. (In Russ.).Ivanov Yu.F., Gromov V.E., Peregudov O.A., Morozov K.V., Yur'ev A.B. Evolution of the structure and phase states of pails in prolonged operation // Steel in translation. 2015. Vol. 45. No. 3. P. 254 – 257.Ivanov Yu.F., Gromov V.E., Peregudov O.A., Morozov K.V., Yur’ev A.B. Evolution of the structure and phase states of pails in prolonged operation. Steel in Translation. 2015, vol. 45, no. 3, pp. 254–257.Gromov V.E., Peregudov O.A., Ivanov Yu.F., Morozov K.V., Alsaraeva K.V., Semina O.A. Surface layer structure degradation of rails in prolonged operation // Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2016. Vol. 10. No. 1. P. 76 – 82.Gromov V.E., Peregudov O.A., Ivanov Yu.F., Morozov K.V., Alsaraeva K.V., Semina O.A. Surface layer structure degradation of rails in prolonged operation. Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2016, vol. 10, no. 1, pp. 76–82.Peregudov O.A., Gromov V. E., Ivanov Yu. F., Morozov K.V., Alsa raeva K.V., Semina O.A. Structure-phase states evolution in rails during a long operation // AIP Conference Proceedings. 2015. Vol. 1683. P. 020179.Peregudov O.A., Gromov V. E., Ivanov Yu. F., Morozov K.V., Alsaraeva K.V., Semina O.A. Structure-phase states evolution in rails during a long operation. AIP Conference Proceedings. 2015, vol. 1683, pp. 020179.Hirsch P.B., Howie A., Nicholson R.B., Pashley D.W., Whelan M.J. Electron Microscopy of Thin Crystals. – Melbourne: Krieger Pub lishing Co., 1977. – 574 p.Hirsch P.B., Howie A., Nicholson R.B., Pashley D.W., Whelan M.J. Electron Microscopy of Thin Crystals. Melbourne: Krieger Publishing Co., 1977, 574 p.Утевский Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. – М.: Металлургия, 1973. – 584 с.Utevskii L.M. Difraktsionnaya elektronnaya mikroskopiya v metallovedenii [Diff raction electron microscopy in physical metallurgy]. Moscow: Metallurgiya, 1973, 584 p. (In Russ.).

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