ПРЕОБРАЗОВАНИЕ КАРБИДНОЙ ФАЗЫ РЕЛЬСОВ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии изучена эволюция карбидной фазы в поверхностных слоях объемно (пропущенный тоннаж 500 и 100 млн. т брутто) и дифференцированно (пропущенный тоннаж 691,8 млн. т) закаленных рельсов на глубину до 10 мм по центральной оси и по выкружке головки рельсов. Проанализированы зерна пластинчатого перлита, феррито-карбидной смеси, структурно свободного феррита. Установлено протекание в поверхностных слоях при эксплуатации рельсов двух взаимодополняющих механизмов преобразования карбидной фазы стали: механизма разрезания частиц цементита с последующим выносом их в объем ферритных зерен или пластин (в структуре перлита); механизма разрезания, последующего растворения частиц цементита, перехода атомов углерода на дислокации (в атмосферы Коттрелла и в ядра дислокаций), перенос атомов углерода дислокациями в объем зерен (или пластин) феррита с последующим повторным формированием наноразмерных частиц цементита. На месте бывших пластин формируется фрагментированная дислокационная субструктура. Границы фрагментов декорируют места, где раньше были межфазные границы цементит – α-фаза. Основная причина растворения цементита заключается в том, что атомам углерода энергетически выгоднее находиться на ядрах дислокации и на субграницах, чем в решетке цементита. Энергия связи атом углерода – дислокация составляет 0,6 эВ, связи атом углерода – субграница – 0,8 эВ, в то время как в цементите его удерживает 0,4 эВ. Выявлено формирование упругопластических полей напряжений, концентраторами которых являются внутри- и межфазные границы раздела зерен феррита и перлита, пластин цементита и феррита колоний перлита, частиц глобулярного цементита и феррита. Основными источниками кривизны-кручения кристаллической решетки металла рельсов являются внутри- и межфазные границы раздела зерен феррита и перлита, пластин цементита и феррита колоний перлита, частиц глобулярного цементита и феррита. По мере приближения к поверхности катания увеличивается число концентраторов напряжений и амплитуда внутренних дальнодействующих полей напряжений.

1. Тушинский Л.И., Батаев А.А., Тихомирова Л.Б Структура перлита и конструктивная прочность стали. – Новосибирск: Наука, 1993. – 280 с.

2. Ветер В.В., Попова Н.А., Игнатенко Л.Н., Козлов Э.В. Фрагментация и образование трещин в перлитной стали опорных валков прокатного стана // Изв. вуз. Черная металлургия. 1994. № 10. С. 44 – 48.

3. Физические основы электротермического упрочнения стали / В.Н. Гриднев, Ю.Я. Мешков, С.П. Ошкадеров, В.И. Трефилов. – Киев: Наукова думка, 1973. – 335 с.

4. Гриднев В.Н., Гаврилюк В.Г., Мешков Ю.Я. Прочность и плас­ тичность холоднодеформированной стали. – Киев: Наукова думка, 1974. – 231 с.

5. Гаврилюк В.Г. Распределение углерода в стали. – Киев: Наукова думка, 1987. – 208 с.

6. 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.

7. Ivanisenko Yu., Maclaren I., Souvage X., Valiev R.Z., Fecht H.J. Shearinduced α → γ transformation in nanoscale Fe-C composite // Acta Mater. 2006. Vol. 54. No. 6. P. 1659 – 1669.

8. Ning Jiangli, Courtois-Manara E., Kormanaeva L., Ganeev A.V., Valiev R.Z., Kubel 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. and Eng. A. 2013. Vol. 581. P. 81 – 89.

9. Gavriljuk V.G. Decomposition of cementite in pearlitic steel due to plastic deformation // Mater. Sci. and Eng. A. 2003. Vol. 345. No. 1-2. P. 81 – 89.

10. Li Y.J., Choi 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. No. 10. P. 3965 – 3977.

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

12. Dao M., Lu L., Asaro R.J. etc. Toward a quantitative understanding of mechanical behavior of nanocrystalline metals // Acta Materialia. 2007. Vol. 55. P. 4041 – 4065.

13. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. – М.: Металлургия, 1986. – 224 с.

14. Глезер А.М. О природе сверхвысокой пластической (мегаплас­ тической) деформации // Известия РАН. Серия физическая. 2007. Т. 71. № 12. С. 1764 – 1772.

15. Физика и механика волочения и объемной штамповки / В.Е. Громов, Э.В. Козлов, В.И. Базайкин и др. – М.: Недра, 1997. – 293 с.

16. Томас Г., Гориндж М. Дж. Просвечивающая электронная мик­ роскопия материалов. – М.: Наука, 1983. – 320 с.

17. Электронная микроскопия тонких кристаллов / П. Хирш, А. Хови, Р. Николсон, Д. Пэшли, М. Уэлан. – М.: Мир, 1968. – 574 с.

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

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

20. Kumar C.S.S.R. Transmission Electron Microscopy Characteriza­ tion of Nanomaterials. – New York: Springer, 2014. – 717 p.

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

22. Microstructure of quenched rails / V.E. Gromov, A.B. Yuriev, K.V. Morozov, Yu. F. Ivanov. – Cambridge, CISP Ltd, 2016. – 225 p.

23. Бахарев О.Г., Гаврилюк В.Г., Надутов В.М. Перераспределение атомов углерода при деформации и последующем нагреве FeС мартенсита // ФММ. 1990. № 11. С. 196 – 198.

24. Бахарев О.Г., Гаврилюк В.Г., Надутов В.М., Ошкадеров С.П. Тонкая структура деформированного экстрагированного цементита // Металлофизика. 1988. Т. 10. № 6. С. 82 – 83.