ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И ФАЗОВОГО СОСТАВА ПОВЕРХНОСТИ 100-МЕТРОВЫХ ДИФФЕРЕНЦИРОВАННО ЗАКАЛЕННЫХ РЕЛЬСОВ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Методами оптической и просвечивающей электронной дифракционной микроскопии изучена эволюция структурно-фазовых состояний поверхностных слоев головки дифференцированно закаленных рельсов категории ДТ350 на глубину до 10 мм по выкружке после пропущенного тоннажа 691,8 млн. т брутто на экспериментальном кольце АО «ВНИИЖТ». Показано, что в исходном состоянии в головке рельсов присутствуют следующие структурные составляющие: зерна пластинчатого перлита (относительное содержание 0,7), зерна феррито-карбидной смеси (0,25), зерна структурно свободного феррита. После пропущенного тоннажа 691,8 млн. т брутто такое состояние сохраняется лишь на глубине свыше 10 мм. Отличительной особенностью структуры на этом расстоянии является большое количество изгибных экстинкционных контуров, что указывает на упругопластические искажения кристаллической решетки материала, Концентраторами напряжений исследуемой стали являются внутрифазные и межфазные границы раздела зерен феррита и перлита, пластин цементита и феррита колоний перлита, частиц глобулярного цементита и феррита. Преобразование структуры проявляется на макроуровне в формировании микротрещин, проходящих под острым углом к поверхности на глубину до 140 мкм, и в формировании обезуглероженного слоя. На микроуровне выявлено формирование упругопластических полей напряжений и разрушение пластин цементита перлитных колоний. Показано, что концентраторами напряжений являются внутри- и межфазные границы раздела зерен феррита и перлита, пластин цементита и феррита колоний феррита, частиц глобулярного цементита и феррита. В зернах структурно свободного феррита отмечено образование наноразмерных частиц цементита. Проведено сравнение с результатами эволюции структурно-фазовых состояний по выкружке объемно закаленных рельсов после пропущенного тоннажа 500 млн. т брутто: наиболее существенные преобразования структурно-фазовых состояний наблюдаются в поверхностных слоях. Эволюция структурно-фазового состояния перлита пластинчатой морфологии заключается в растворении пластин цементита, что приводит к формированию на месте пластины цементита цепочки частиц карбидной фазы глобулярной формы. Это возможно вследствие ухода атомов углерода из кристаллической решетки цементита на дислокации.

дифференцированно закаленные рельсы, структура, фазовый состав, длительная эксплуатация

1. Microstructure of gradient rails. Carbide / V.E. Gromov, A.B. Yuriev, K.V. Morozov, Y.F. Ivanov. – CISP Ltd, 2016. – 153 p.

2. Sheinman E. Wear of Rails // J. of Friction and Wear. 2012. Vol. 33. No. 4. P. 308 – 314.

3. Ivanisenko Yu., Fecht H.J. Microstructure modification in the surface layers of railway rails and wheels // Steel Tech. 2008. Vol. 3. No. 1. P. 19 – 23.

4. 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.

5. 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 ultrafine grained carbon steel and pure iron processed by warm high pressure torsion // Mater. Sci. Eng. A. 2013. Vol. 581. P. 8 – 15.

6. Gavriljuk V.G. Decomposition of cementite in pearlite steel due to plastic deformation // Mater. Sci. Eng. A. 2003. Vol. 345. P. 81 – 89.

7. LiY.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.

8. Gavriljuk V.G. Effect of interlamellar spacing on cementite dissolution during wire drawing of pearlitic steel wires // Scripta Mater. 2001. Vol. 45. P. 1469 – 1472.

9. Электронная микроскопия тонких кристаллов / П. Хирш, А. Хови, Р. Николсон и др. – М.: Мир, 1968. – 574 с.

10. Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля. – М.: Техносфера, 2004. – 384 с.

11. Утевский Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. – М.: Металлургия, 1973. – 584 с.

12. Томас Г., Гориндж М.Дж. Просвечивающая электронная микроскопия материалов. – М.: Наука, 1983. – 320 с.

13. Ray F. Egerton. Physical Principles of Electron Microscopy. An Introduction to TEM, SEM, and AEM. – Berlin: Springer Science+Business Media, Inc, 2005. – 211 p.

14. The Transmission Electron Microscope / Ed. Maaz Khan. – ITAvE, 2016. – 391 p.

15. C. Barry Carter, David B. Transmission Electron Microscopy. – Berlin: Springer International Publishing, 2016. – 518 p.

16. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. – Новосибирск: Наука, 1985. – 229 с.

17. 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. 2015. – Vol. 9. No. 6. P. 1292 – 1298.

18. Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Peregudov O.A., Morozov K.V., Wang X.L., Dai W.B., Ponomareva Yu.V., Semina O.A. Evolution of structure and properties of railhead fillet in long-term operation // Materials and Electronics Engineering. 2015. Vol. 2. No. 4. P. 1 – 4.

19. Gromov V.E., Ivanov Y.F., Morozov K.V., Peregudov O.A., Semina O.A. Long-term operation of rail steel: degradation of structure and properties of surface layer // Journal of surface investigation. X-ray, Synchrotron and Neytron techniques. 2016. Vol. 10. No. 5. P. 1101 – 1105.

20. Ivanov Y.F., Morozov K.V., Peregudov O.A., Gromov V.E. Degradation of rail-steel structure and properties of the surface layer // Steel in translation. 2016. Vol. 46. No. 8. P. 567 – 570.