Модель формирования наноструктурных слоев при длительной эксплуатации рельсов

Разработана математическая модель и предложен механизм формирования наноразмерных структурно-фазовых состояний на примере рельсовой стали при длительной эксплуатации. Считается, что при интенсивных пластических деформациях материал ведет себя подобно вязкой несжимаемой жидкости. Для учета скольжения колеса относительно рельса предлагается модель в виде двухслойной жидкости, верхний слой которой скользит с определенной скоростью относительно первой. В этом случае развивается неустойчивость Кельвина-Гельмгольца. Для каждого слоя записаны уравнения Навье-Стокса, кинематические и динамические граничные условия. Решение полученной системы в виде нормальных мод возмущений проведено исходя из предположения о вязко-потенциальном течении материала. В этом приближении считается, что эффекты вязкости имеют место только на границе раздела слоев. Выведено дисперсионное уравнение. Это уравнение проанализировано с помощью графического представления функций, входящих в аналитическое решение. Установлен диапазон характеристик материала и параметров внешнего воздействия (скорость движения слоя), при которых наблюдаются два максимума в зависимости скорости роста возмущений от волнового числа. Первый максимум (гидродинамический) обусловлен движением слоев относительно друг друга, второй связан с эффектами вязкости жидкости. Получены приближенные формулы зависимости скорости роста возмущений от волнового числа. Найдены условия для реализации только одного максимума. Вязкостно обусловленный максимум при скоростях скольжения порядка 1 м/с может находиться в наноразмерном диапазоне длин волн. Полагая, что белый слой в рельсах при длительной эксплуатации формируется главным образом из-за действия интенсивных пластических деформаций, считаем, что полученные результаты детализируют механизм формирования белых слоев в рельсах при длительной эксплуатации.

структура, рельсовая сталь, белый слой, длительная эксплуатация, неустойчивость Кельвина-Гельмгольца, скорость роста, вязкость, скорость скольжения

1. Эволюция структурно-фазовых состояний металла рельсов при длительной эксплуатации / В.Е. Громов, О.А. Перегудов, Ю.Ф. Иванов, С.В. Коновалов, А.А. Юрьев. – Новокузнецк: ИЦ СибГИУ; Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2017. – 164 с.

2. 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.

3. Ivanisenko Yu., MacLaren I., Sauvage X., Valiev R.Z., Fecht H.J. Shear-induced α → γ transformation in nanoscale Fe-C composite // Acta Materialia. 2006. Vol. 54. No. 6. P. 1659 – 1669.

4. Ning Jiang-li, 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 // Materials Science and Engineering: A. 2013. Vol. 581. P. 81 – 89.

5. Baumann G., Fecht H.J., Liebelt S. Formation of white-etching layers on rail treads // Wear. 1996. Vol. 191. No. 1-2. P. 133 – 140.

6. Österle Rooch H., Pyzalla A., Wang L.W. Investigation of white etching layers on rails by optical microscopy, electronmicroscopy, X-ray and synchrotron X-ray diffraction // Materials Science and Engineering: A. 2001. Vol. 303. P. 150 – 157.

7. Wild E., Wang L., Hasse B., Wroblewski T., Goerigk G., Pyzalla A. Microstructure alterations at the surface of a heavily corrugated rail with strong ripple formation // Wear. 2003. Vol. 254. No. 9. P. 876 – 883.

8. Zhang H.W., Ohsaki S., Mitao S., Ohnuma M., Hono K. Microstructural investigation of white etching layer on pearlite steel rail // Materials Science and Engineering: A. 2006. Vol. 421. P. 191 – 199.

9. Takahashi J., Kawakami K., Ueda, M. Atom probe tomography analysis of the white etching layer in a rail track surface // Acta Materialia. 2010. Vol. 58. No. 10. P. 3602 – 3612.

10. Lojkowski W., Djahanbakhsh M., Bürkle G., Gierlotka S., Zielinski W., Fecht H.J. Nanostructure formation on the surface of railway tracks // Materials Science and Engineering: A. 2001. Vol. 303. No. 1-2. P. 197 – 208.

11. Ishida M. Rolling contact fatigue (RCF) defects of rails in Japanese railways and its mitigation strategies // Electronic Journal of Structural Engineering. 2013. Vol. 13. No. 1. P. 67 – 74.

12. Steenbergen M., Dollevoet R. On the mechanism of squat formation on train rails – Part I: Origination // International Journal of Fatigue. 2013. Vol. 47. P. 361 – 372.

13. Pal S., Valente C., Daniel W., Farjoo M. Metallurgical and physical understanding of rail squat initiation and propagation // Wear. 2012. Vol. 284-285. P. 30 – 42.

14. Clayton P. Tribological aspects of wheel-rail contact: A review of recent experimental research // Wear. 1996. Vol. 191. P. 170 – 183.

15. Wang L., Pyzalla A., Stadlbauer W., Werner E.A. Microstructure features on rolling surfaces of railway rails subjected to heavy loading // Materials Science and Engineering: A. 2003. Vol. 359. No. 1-2. P. 31 – 43.

16. Глезер А.М. О природе сверхвысокой пластической (мегапластической) деформации // Известия РАН. Серия физическая. 2007. Т. 71. № 12. C. 1767 – 1776.

17. Мулюков Р.Р., Назаров А.А., Имаев Р.М. Деформационные методы наноструктурирования материалов: предпосылки, история, настоящее и перспективы // Изв. вуз. Физика. 2008. Т. 51. № 5. С. 47 – 59.

18. Gromov V.E., Yuriev A.A., Peregudov O.A., Konovalov S.V., Ivanov Y.F., Glezer A.M., Semin A.P. Physical nature of surface structure degradation in long term operated ralls // Key Engineering Materials, AIP Conference Proceeding. 2017. No. 1909. P. 020066-1 – 020066-4.

19. Gromov V.E., Yuriev A.A., Ivanov Yu.F., Glezer A.M., Konovalov S.V., Semin A.P. , Sundeev R.V. Defect substructure change in 100-m differentially hardened rails in long-term operation // Materials Letters. 2017. Vol. 209. P. 224 – 227.

20. Юрьев А.А., Громов В.Е., Морозов К.В., Перегудов О.А. Изменение структуры и фазового состава поверхности 100-метровых дифференцированно закаленных рельсов при длительной эксплуатации // Изв. вуз. Черная металлургия. 2017. Т. 60. №. 10. С. 826 – 830.

21. Zerbst U., Schodel M., Heyder R. Damage tolerance investigation on rails // Engineering Fracture Mechanics. 2009. Vol. 76. No. 17. P. 2637 – 2653.

22. Zerbst U., Lunden R., Edel K.-O., Smith R.A. Introduction to the damage tolerance behavior on railway rails – A review // Engineering Fracture Mechanics. 2009. Vol. 76. No. 17. P. 2563 – 2601.

23. Рубцов В.Е., Тарасов С.Ю., Колубаев А.В. Одномерная модель неоднородного сдвига при трении скольжения // Физическая мезомеханика. 2012. Т. 15. № 4. C. 103 – 108.

24. Тарасов С.Ю., Рубцов В.Е., Колубаев А.В., Горбатенко В.В. Анализ микроскопических полей деформации при трении скольжении // Изв. вуз. Физика. 2013. Т. 56. № 7-2. С. 350 – 355.

25. Рубцов В.Е., Тарасов С.Ю., Колубаев А.В. Неоднородность деформации и сдвиговая неустойчивость материала при трении // Изв. вуз. Физика. 2011. № 11-3. С. 215 – 220.

26. Сарычев В.Д., Ващук Е.С., Будовских Е.А., Громов В.Е. Образование наноразмерных структур в металлах при воздействии импульсных плазменных струй электрического взрыва // Письма в журнал технической физики. 2010. Т. 36. № 14. С. 41 – 48.

27. Грановский А.Ю., Сарычев В.Д., Громов В.Е. Модель формирования внутренних нанослоев при сдвиговых течениях материалов // Журнал технической физики. 2013. Т. 83. № 10. С. 155 – 158.

28. Сарычев В.Д., Невский С.А., Громов В.Е. Модель образования наноструктур в рельсовой стали при интенсивной пластической деформации // Деформация и разрушение материалов. 2016. № 6. С. 25 – 29.

29. Sarychev V.D., Nevskii S.A., Sarycheva E.V., Konovalov S.V., Gromov V.E. Viscous flow analysis of the Kelvin-Helmholtz instability for short waves // AIP Conference Proceedings. 2016. Vol. 1783. No. 1. Article 020198.

30. Funada T., Joseph D.D. Viscous potential flow analysis of KelvinHelmholtz instability in a channel // Journal of Fluid Mechanics. 2001. Vol. 445. P. 263 – 283.

31. Li X., Tankin R.S. On the temporal instability of a two-dimensional viscous liquid sheet // Journal of Fluid Mechanics.1991. Vol. 226. P. 425 – 443.

32. Dasgupta D., Nath S., Bhanja D. A study on dual role of viscosity on the stability of a viscous planar liquid sheet surrounded by inviscid gas streams of equal velocities, and prediction of resulting droplet distribution using maximum entropy formulation // Physics of Fluids. 2019. Vol. 31. No. 7. Article 74103.

33. Ширяева С.О., Григорьев А.И., Суханов С.А. О роли вязкости жидкости в реализации неустойчивости Кельвина-Гельмгольца // Электронная обработка материалов. 2013. Т. 49. № 5. С. 56 – 61.