Физическая природа упрочнения поверхности рельсов при длительной эксплуатации

Выполнен сравнительный количественный анализ физических механизмов упрочнения поверхностных слоев рельсов после экстремально длительной эксплуатации. В основе метода находятся ранее установленные закономерности формирования структурно­ фазовых состояний и механических свойств дифференцированно закаленных длинномерных рельсов производства АО «ЕВРАЗ ЗСМК» на глубине до 10 мм в головке рельсов по центральной оси и выкружке после пропущенного тоннажа 1411 млн т. В расчетах были учтены объемные доли и характеристики того или иного типа субструктуры. Увеличение микротвердости и твердости поверхностных слоев рельсов, подвергнутых сверхдлительной эксплуатации на экспериментальном кольце РЖД, носит многофакторный характер и определяется суперпозицией ряда физических механизмов. Оценены вклады, обусловленные трением решетки матрицы, внутрифазными границами, дислокационной субструктурой, присутствием карбидных частиц, внутренними полями напряжений, твердорастворным упрочнением, перлитной составляющей структуры стали. Независимо от направления анализа (вдоль центральной оси головки или вдоль оси симмет­ рии выкружки) прочность металла рельсов зависит от расстояния до поверхности: увеличивается по мере приближения к поверхности головки. Установлены наиболее значимые физические механизмы, которые обеспечивают высокие прочностные свойства металла головки рельсов, подвергнутых экстремально длительной эксплуатации. В подповерхностном слое (расположенном на глубине 2 – 10 мм) головки рельсов наиболее значимым физическим механизмом является дислокационный, обусловленный взаимодействием движущихся дислокаций с неподвижными дислокациями (дислокациями «леса»), а в поверхностном слое головки рельсов – субструктурный, обусловленный взаимодействием дислокаций с малоугловыми границами фрагментов и субзерен нанометрового диапазона. Проведено сравнение с количественными значениями механизмов упрочнения рельсов после пропущенного тоннажа 691,8 млн т. Показано, что увеличение пропущенного тоннажа в интервале 691,8 – 1411 млн т приводит к существенному (в 1,5 – 2,0 раза) повышению прочности.

1. Громов В.Е., Перегудов О.А., Иванов Ю.Ф., Коновалов С.В., Юрьев А.А. Эволюция структурно­фазовых состояний металла рельсов при длительной эксплуатации. Новосибирск: изд­во 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. Shear­induced α→γ transformation in nanoscale Fe–C composite // Acta Materialia. 2006. Vol. 54. No. 6. P. 1659–1669. https://doi.org/10.1016/J.ACTAMAT.2005.11.034

4. Seo J.­W., Jun H.­K., Kwon S.­J., Lee D.­H. Rolling contact fatigue and wear of two different rail steels under rolling­sliding contact // International Journal of Fatigue. 2016. Vol. 83. Part 2. P. 184–194. https://doi.org/10.1016/J.IJFATIGUE.2015.10.012

5. Lewis R., Christoforou P., Wang W.J., Beagles A., Burstow M., Lewis S.R. Investigation of the influence of rail hardness on the wear of rail and wheel materials under dry conditions (ICRI wear mapping project) // Wear. 2019. Vol. 430­431. P. 383–392. https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.05.030

6. Skrypnyk R., Ekh M., Nielsen J.C.O., Pålsson B.A. Prediction of plastic deformation and wear in railway crossings – Comparing the performance of two rail steel grades // Wear. 2019. Vol. 428­429. P. 302–314. https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.03.019

7. Kim D., Quagliato L., Park D., Kim N. Lifetime prediction of li­ near slide rails based on surface abrasion and rolling contact fatigueinduced damage // Wear. 2019. Vol. 420­421. P. 184–194. https://doi.org/10.1016/j.wear.2018.10.015

8. Huang Y.B., Shi L.B., Zhao X.J., Cai Z.B., Liu Q.Y., Wang W.J. On the formation and damage mechanism of rolling contact fatigue surface cracks of wheel/rail under the dry condition // Wear. 2018. Vol. 400­401. P. 62–73. https://doi.org/10.1016/j.wear.2017.12.020

9. Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Юрьев А.А., Морозов К.В. Дифференцированно­закаленные рельсы: эволюция структуры и свойств в процессе эксплуатации. Новокузнецк: СибГИУ, 2017. 197 с.

10. Ivanov Yu.F., Gromov V.E., Glezer A.M., Peregudov O.A., Morozov K.V. Nature of the structural degradation rail surfaces during operation // Bulletin of Russian Academy of Sciences: Physics. 2016. Vol. 80. No. 12. P. 1483–1488. https://doi.org/10.3103/S1062873816120078

11. Kormyshev V.E., Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Glezer A.M., Yuriev A.A., Semin A.P., Sundeev R.V. Structural phase states and properties of rails after long­term operation // Materials Letters. 2020. Vol. 268. Article 127499. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.127499

12. Кормышев В.Е., Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Юрьев А.А., Полевой Е.В. Структура и свойства дифференцированно закаленных 100­м рельсов после экстремально длительной эксплуатации // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2019. T. 16. № 4. C. 538–546. https://doi.org/10.25712/ASTU.1811-1416.2019.04.016

13. Кормышев В.Е., Полевой Е.В., Юрьев А.А., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф. Формирование структуры дифференцированно закаленных 100­метровых рельсов при длительной эксплуатации // Известия вузов. Черная металлургия. 2020. T. 63. № 2. С. 108–115. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-2-108-115

14. Кормышев В.Е., Иванов Ю.Ф., Юрьев А.А., Полевой Е.В., Громов В.Е., Глезер А.М. Эволюция структурно­фазовых состояний и свойств дифференцированно закаленных 100­метровых рельсов при экстремально длительной эксплуатации. Сообщение 1. Структура и свойства рельсовой стали перед эксплуатацией // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2019. № 4. С. 50–56.

15. Кормышев В.Е., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Глезер А.М. Структура дифференцированно закаленных рельсов при интенсивной пластической деформации // Деформация и разрушение материалов. 2020. № 8. С. 16–20. https://doi.org/10.31044/1814-4632-2020-8-16-20

16. Гольдштейн М.И., Фарбер Б.М. Дисперсионное упрочнение стали. М.: Металлургия, 1979. 208 с.

17. Пикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и обработка сталей. М.: Металлургия, 1982. 184 с.

18. Предводителев А.А. Современное состояние исследований дислокационных ансамблей. В кн.: Проблемы современной кристаллографии. М.: Наука, 1975. С. 262–275.

19. Friedman L.H., Chrzan D.C. Scaling theory of the hall­petch relation for multilayers // Physical Review Letters. 1998. Vol. 81. No. 13. Article 2715. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.81.2715

20. Morito S., Nishikawa J., Maki T. Dislocation density within lath martensite in Fe­C and Fe­Ni alloys // ISIJ International. 2003. Vol. 43. No. 9. P. 1475–1477. https://doi.org/10.2355/isijinternational.43.1475

21. Kim J.G., Enikeev N.A., Seol J.B., Abramova M.M., Karavaeva M.V., Valiev R.Z., Park C.G., Kim H.S. Superior strength and multiple strengthening mechanisms in nanocrystalline TWIP steel // Scientific Reports. 2018. Vol. 8. Article 11200. https://doi.org/10.1038/s41598-018-29632-y

22. Ganji R.S., Karthik P.S., Rao K.B.S., Rajulapati K.V. Strengthening mechanisms in equiatomic ultrafine grained AlCoCrCuFeNi high­ entropy alloy studied by micro­ and nanoindentation methods // Acta Materialia. 2017. Vol. 125. P. 58–68. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.11.046

23. Morales E.V., Galeano Alvarez N.J., Morales A.M., Bott I.S. Preci­ pitation kinetics and their effects on age hardening in an Fe–Mn–Si– Ti martensitic alloy // Materials Science and Engineering: A. 2012. Vol. 534. P. 176–185. https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.11.056

24. Мак Лин Д. Механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1965. 431 с.

25. Embyri I.D. Strengthening by dislocations structure // Strengthening Method in Crystals. Kelly A., Nicholson R.B. eds. London: Applied Science Publishes, 1971. P. 331–402.

26. 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, Сибирское отделение, 1990. С. 123–186.

27. Yao M.J., Welsch E., Ponge D., Haghighat S.M.H., Sandlöbes S., Choi P., Herbig M., Bleskov I., Hickel T., Lipinska­Chwalek M., Shantraj P., Scheu C., Zaefferer S., Gault B., Raabe D. Strengthening and strain hardening mechanisms in a precipitation-hardened highMn lightweight steel // Acta Materialia. 2017. Vol. 140. Р. 258–273. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.08.049

28. Han Y., Shi J., Xu L., Cao W.Q., Dong H. TiC precipitation induced effect on microstructure and mechanical properties in low carbon medium manganese steel // Materials Science and Engineering: A. 2011. Vol. 530. P. 643–651. https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.10.037

29. Silva R.A., Pinto A.L., Kuznetsov A., Bott I.S. Precipitation and grain size effects on the tensile strain­hardening exponents of an API X80 steel pipe after high­frequency hot­induction bending // Metals. 2018. Vol. 8. No. 3. Article 168. https://doi.org/10.3390/met8030168

30. Morales E.V., Gallego J., Kestenbachz H.­J. On coherent carbonitride precipitation in commercial microalloyed steels // Philosophical Magazine Letters. 2003. Vol. 83. No. 2. P. 79–87. https://doi.org/10.1080/0950083021000056632

31. Fine M.E., Isheim D. Origin of copper precipitation strengthening in steel revisited // Scripta Materialia. 2005. Vol. 53. No. 1. P. 115–118. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2005.02.034

32. Штремель М.А. Прочность сплавов. Часть II. Деформация. М.: МИСиС, 1997. 527 с.

33. Mott N.F., Nabarro F.R.N. An attempt to estimate the degree of precipitation hardening, with a simple model // Proceedings of the Physical Society. 1940. Vol. 52. No. 1. P. 86–93. https://doi.org/10.1088/0959-5309/52/1/312

34. Беленький Б.З., Фарбер Б.М., Гольдштейн М.И. Оценки прочности малоуглеродистых низколегированных сталей по структурным данным // ФММ. 1975. Т. 39. № 3. С. 403–409.

35. Huthcinson B., Hagstrom J., Karlsson O., Lindell D., Tornberg M., Lindberg F., Thuvander M. Microstructures and hardness of as­ quenched martensites (0.1 – 0.5 % C) // Acta Materialia. 2011. Vol. 59. No. 14. P. 5845–5858. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2011.05.061

36. Senkov O.N., Scott J.M., Senkova S.V., Miracle D.B., Woodward C.F. Microstructure and room temperature properties of a high­entropy TaNbHfZrTi­Alloy // Journal of Alloys and Compounds. 2011. Vol. 509. No. 20. P. 6043–6048. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.02.171

37. Sieurin H., Zander J., Sandström R. Modelling solid solution hardening in stainless steels // Materials Science and Engineering: A. 2006. Vol. 415. No. 1­2. P. 66–71. https://doi.org/10.1016/j.msea.2005.09.031

38. Vöhringer O., Macherauch E. Struktur und mechanische Eigenschaften von Martensit // Journal of Heat Treatment and Materials. 1977. Vol. 32. No. 4. P. 153–168. https://doi.org/10.1515/htm-1977-320401

39. Прнка Т. Количественные соотношения между параметрами дисперсных выделений и механическими свойствами сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. 1975. № 7. С. 3–8.