Preview

Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия

Расширенный поиск

Трансформация тонкой структуры пластинчатого перлита при деформации рельсовой стали

https://doi.org/10.17073/0368-0797-2023-1-50-56

Содержание

Перейти к:

Аннотация

Дефектная субструктура поликристаллических тел обуславливает субструктурное упрочнение и механические свойства. Перлит, являющийся основной структурной составляющей рельсов, при деформационном воздействии подвергается значительному преобразованию, которое сопровождается целым рядом процессов. В настоящей работе методами современного физического материаловедения проведены исследования и анализ дефектной субструктуры перлита пластинчатой морфологии и свойств рельсовой стали, подвергнутой разрушению в условиях деформации одноосным растяжением плоских образцов. Установлено, что предел прочности изменяется от 1247 до 1335 МПа, а относительная деформация до разрушения – от 0,69 до 0,75. Наблюдается формирование трех зон поверхности разрушения: волокнистой, радиальной и зоны среза. Проанализированы их форма и размеры. Деформация рельсовой стали сопровождается разрушением пластин цементита колоний перлита и повторным выделением в объеме пластин феррита наноразмерных частиц третичного цементита размером приблизительно 8,3 нм. Основными механизмами разрушения пластин цементита являются разрезание и растворение. Дислокационная субструктура представлена хаотическим распределением дислокаций и их скоплениями. Скалярная плотность дислокаций в феррите увеличивается от 3,2·1010 см–2 в исходном состоянии до 7,9·1010 см–2 при разрушении. Деформация сопровождается формированием внутренних полей напряжений, проявляющихся в виде изгибных контуров экстинкции. Источниками полей напряжений являются границы раздела пластин цементита и феррита, а также границы зерен. Выявлена фрагментация пластин феррита и цементита. Средние размеры фрагментов цементита составляют 9,3 нм. В зоне разрушения образца рельсовой стали отмечено вращение зерен перлита, свидетельствующее о наличии ротационной моды деформации. На электронно-микроскопических изображениях пластин цементита наблюдается изменение контраста, что может быть связано с образованием атмосфер Коттрелла.

Для цитирования:


Громов В.Е., Аксёнова К.В., Иванов Ю.Ф., Кузнецов Р.В., Кормышев В.Е. Трансформация тонкой структуры пластинчатого перлита при деформации рельсовой стали. Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2023;66(1):50-56. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2023-1-50-56

For citation:


Gromov V.E., Aksenova K.V., Ivanov Yu.F., Kuznetsov R.V., Kormyshev V.E. Transformation of fine structure of lamellar pearlite under deformation of rail steel. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2023;66(1):50-56. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2023-1-50-56

Введение

Одним из основных и наиболее общих видов упрочнения поликристаллических тел является субструктурное, обусловленное дефектной субструктурой, которая во многом определяет механические свойства мате­риалов. Зарождение и развитие микротрещин в пластичных материалах тесно связано с эволюцией субструктуры [1, 2].

Значительное увеличение интенсивности движения железнодорожного транспорта и его грузонапряженности требует высокой эксплуатационной стойкости рельсов, изготавливаемых из перлитной стали. В процессе эксплуатации рельсы подвергаются значительным деформационным воздействиям, которые сопровождаются эволюцией структурно-фазового состояния перлита [3, 4]. Важность информации в этой области определяется глубиной понимания фундаментальных проблем физического материаловедения, с одной стороны, и практической значимостью – с другой. Прикладной характер связан с созданием качественных рельсов с высокими эксплуатационными свойствами, обеспечивающими безаварийную работу при пропущенном тоннаже свыше 2 млрд т брутто. Создание специальных видов рельсов для скоростных магистралей, низкотемпературной надежности, повышенной контактно-усталостной выносливости требует изучения зависимости упрочнения от структурного состояния рельсов перед деформацией, установления причинно-следственных связей между явлениями, определяющими деформа­ционное поведение [3, 4].

В исходном состоянии рельсы содержат около 70 % перлита пластинчатой морфологии [5 – 7], деформация которого сопровождается сложной трансформацией феррита и цементита [8, 9], обычно наблюдаемой методами просвечивающей электронной микроскопии. Основное внимание при этом уделяется деформационно индуцированному разрушению цементита [10 – 12], приводящему к росту концентрации углерода в феррите и дополнительному механизму упрочнения [13].

Целью настоящей работы являлся анализ дефектной субструктуры перлита пластинчатой морфологии рельсовой стали, разрушенной в условиях деформации одноосным растяжением плоских образцов.

Материал и методика исследования

В качестве материала исследования использовали образцы рельсовой стали, свойства и элементный состав которой регламентируются ГОСТ Р 51685 – 2013. Химический состав рельсов категории ДТ350, % (по массе): C 0,73; Mn 0,75; Si 0,58; P 0,012; S 0,007; Cr 0,42; Ni 0,07; Cu 0,13; Ti 0,003; Mo 0,006; V 0,04; Al 0,003; Ti 0,008; остальное – железо.

Механические испытания осуществляли путем одноосного растяжения плоских пропорциональных образцов в виде двухсторонних лопаток с размерами рабочей области лопаток 1,5×4,45×8,0 мм. Образцы вырезали из головки 100-метровых дифференцированно закаленных рельсов категории ДТ350 произ­водства АО «ЕВРАЗ Западно-Сибирский металлургичес­кий комбинат». Деформацию одноосным растяжением осуществляли на испытательной машине Instron 3369 при скорости нагружения 1,2 мм/мин.

Структуру поверхности разрушения изучали методами сканирующей электронной микроскопии (прибор SEM 515 Philips). Дефектную субструктуру стали в зоне разрушения исследовали методами просвечиваю­щей (метод тонких фольг) электронной дифракционной микроскопии (прибор JEM-2100 JEOL) [14 – 16]. Фольги для просвечивающего электронного микроскопа изготавливали сь ионным утонением (установка Ion Slicer EM-091001S, утонение осуществляется ионами аргона) пластинок, вырезанных из разрушенных образцов на установке Isomet Low Speed Saw перпендикулярно поверхности разрушения. Методика измерения скалярной и избыточной плотности дислокаций не отличалась от описанной в работах [3, 4].

Результаты исследования и их обсуждение

Выполненные испытания показали, что предел прочности на разрыв изменяется в пределах от 1247 до 1335 МПа, деформация образцов при разрушении – от 0,69 до 0,75. Как правило, при деформации образцов растяжением на поверхности разрушения формируются три зоны: волокнистая (центральная часть образца); следующая за ней радиальная; по краю образца зона среза [17]. Волокнистая зона по форме является эллиптической с большой осью, параллельной длинным сторонам прямоугольника. Радиальная зона образцов, ширина которых значительно больше толщины, имеет вид шеврона или «елочки». Шевронные узоры часто связывают с нестабильным, относительно быстрым распространением трещины. Появление шевронного узора обусловлено несовпадением общего направления распространения трещины и кратчайшего направления от фронта трещины до свободной поверхности. В этом случае радиальные рубцы распространяются по направлению к свободной поверхности, формируя шевронные узоры [17]. Вершины V-образных шевронов направлены от очага разрушения.

Ранее в работах [2 – 4, 18] было показано, что в структуре исследуемой стали по морфологическому признаку выделяются следующие составляющие: зерна перлита пластинчатой морфологии, зерна феррито-карбидной смеси (зерна нерегулярного перлита) и зерна структурно свободного феррита (зерна феррита, в объе­ме которых нет частиц карбидной фазы). Основным типом структуры исследуемой стали являются зерна пластинчатого перлита, относительное содержание которых в материале 0,7; относительное содержание зерен феррито-карбидной смеси – 0,27; остальное – зерна структурно свободного феррита.

Как правило, структура пластинчатого перлита представлена чередующимися пластинами феррита (твердый раствор на основе ОЦК кристаллической решетки железа) и пластинами цементита (карбид железа состава Fe3C, орторомбическая кристалличес­кая решетка) [19]. Разрушение стали в условиях одноосного растяжения плоских образцов не приводит к изменению морфологии материала. В зоне разрушения и вдали от нее присутствуют зерна с характерной для перлита пластинчатой структурой. Изменение структуры стали выявляется на уровне дефектной подсистемы и сопровождается множественным преобразованием перлита.

При рассмотрении преобразования структуры плас­тин феррита установлено, что пластины феррита перлитных колоний фрагментируются, то есть разбиваются на области, разделенные малоугловыми границами. Деформация сопровождается формированием в объе­ме пластин феррита дислокационной субструктуры (рис. 1). Дислокации распределены хаотически или формируют скопления. Скалярная плотность дислокаций 7,9·1010 см–2, в исходном состоянии – 3,2·1010 см–2.

 

Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение
дислокационной субструктуры пластин феррита рельсовой стали

 

Деформация стали сопровождается формированием в образце полей напряжений. При исследовании мате­риала методами электронной микроскопии тонких фольг внутренние поля напряжений проявляются в виде изгибных контуров экстинкции, располагающихся преиму­щественно в пластинах феррита. Источниками полей напряжений в исследуемой стали являются границы раздела пластин цементита и пластин феррита (рис. 2), а также границы раздела зерен. Следует отметить, что растяжение исследуемой стали сопровож­дается вращением зерен перлита, которое наиболее ярко проявляется в зоне разрушения образцов (рис. 2). Последнее позволяет предположить наличие в зоне разрушения образца ротационной моды деформации [20 – 22], что связано с формированием локальной кривизны решетки. В связи с этим можно полагать, что развитие подобного эффекта в рельсовой стали делает облегченным перемещение атомов углерода.

 

Рис. 2. Электронно-микроскопическое изображение структуры зерен перлита
в зоне разрушения; стрелками указаны изгибные контуры экстинкции (длинной стрелкой обозначено направление растяжения образца (продольная ось образца))

 

Деформация исследуемой стали сопровождается разрушением пластин цементита. В научной литературе обсуждаются два возможных механизма разрушения пластин цементита: разрезание и растворение [2, 3, 13]. Растворение пластин цементита происходит из-за большего значения энергии связи дислокаций с атомами углерода (~0,6 – 0,7 эВ) по сравнению с энергией связи атомов углерода в решетке цементита [23 – 25]. Согласно результатам работы [26] увеличение свободной энергии, вызванное геометрическим утонением пластин цементита и образованием полос скольжения, дестабилизирует цементит и обеспечивает его разрушение. Подобная термодинамическая модель, основанная на эффекте Гиббса-Томсона и диффузионно-контролируемом процессе растворения, предложена в работе [27]. Атомы углерода выносятся движущимися дислокациями в объем пластин феррита с последующим формированием наноразмерных частиц карбида железа (рис. 3). Средний размер частиц, расположенных в пластинах феррита – 8,3 нм. Наиболее отчетливо частицы такого размера обнаруживаются при использовании методики темнопольного анализа (рис. 3, б).

 

Рис. 3. Электронно-микроскопическое изображение наноразмерных частиц цементита, образовавшихся в пластинах феррита рельсовой стали:
а – светлое поле; б – темное поле, полученное в рефлексе [110]α-Fe + [121]Fe3C;
в – микроэлектронограмма
(стрелкой показан рефлекс,
в котором получено темнопольное изображение (б))

 

Растворение цементита сопровождается формированием вокруг пластин области материала, отличающейся от основного объема зерна контрастом (рис. 4, а). Можно предположить, что изменение контраста обусловлено изменением химического состава материала, окружаю­щего пластину цементита, а именно, повышенной концентрацией углерода. Вытянутые из цементита дислокациями атомы углерода способны образовывать атмосферы Коттрелла, приводя к изменению контраста.

Наряду с растворением пластическая деформация стали сопровождается фрагментацией пластин цементита. Обнаружено, что в зоне разрушения образцов пластины цементита, сохраняя свою исходную морфологию, разбиваются на области когерентного рас­сеи­вания, средние размеры которых составляют 9,3 нм (рис. 5).

 

Рис. 4. Электронно-микроскопическое изображение структуры рельсовой стали
возле пластин цементита:
а – светлое поле; б – темное поле, полученное в рефлексе [230]Fe3C; в – микроэлектронограмма 
(стрелкой показан рефлекс, в котором получено темнопольное изображение (б))

Рис. 5. Электронно-микроскопическое изображение фрагментированной структуры цементита:
а – светлое поле; б – темное поле, полученное в рефлексе [110]α-Fe + [121]Fe3C;
в – микроэлектронограмма (стрелкой показан рефлекс,
в котором получено темнопольное изображение (б))

Выводы

Методами современного физического материаловедения проведены исследования механических свойств, дефектной субструктуры перлита пластинчатой морфологии и поверхности разрушения рельсовой стали, подвергнутой разрушению в условиях деформации одноосным растяжением. Установлено, что предел прочности на разрыв изменяется от 1247 до 1335 МПа; деформация образцов при разрушении – от 0,69 до 0,75. Обнаружено формирование трех зон поверхности разрушения: волокнистой, радиальной и зоны среза. Показано, что деформация стали сопровождается разбиением пластин феррита малоугловыми границами на фрагменты и существенным увеличением скалярной плотности дислокаций до 7,9·1010 см–2 (скалярная плотность дислокаций исходной стали 3,2·1010 см–2 ). Выявлено разрушение пластин цементита по механизмам разрезания и растворения с последующим выносом углерода движущимися дислокациями в объем пластин феррита с образованием в них наноразмерных (8,3 нм) частиц третичного цементита округлой формы. Обсуждены термодинамические модели разрушения цементита. Показано, что растворение пластин цементита сопровождается их фрагментацией (разделением на области когерентного рассеивания, средние размеры которых 9,3 нм).

Список литературы

1. Конева Н.А., Тришкина Л.И., Козлов Э.В. Физика субструктурного и зернограничного упрочнения. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2014; 11(1): 40–49.

2. Структурно-фазовое состояние и механизмы упрочнения деформированной стали / Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов, Н.А. Попова, С.В. Коновалов, Н.А. Конева. Новокузнецк: Полиграфист; 2016: 510.

3. Yuriev A.A., Ivanov Yu.F., Gromov V.E., Rubannikova Yu.A., Starostenkov M.D., Tabakov P.Y. Structure and Properties of Lengthy Rails after Extreme Long-Term Operation. USA: Materials Research Forum LLC; 2021: 190.

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

5. Hong M.H., Reynolds W.T., Tarui T., Hono K. Atom probe and transmission electron microscopy investigations of hea­vily drawn pearlitic steel wire. Metallurgical and Materials Transactions A. 1999; 30(3): 717–727. https://doi.org/10.1007/s11661-999-1003-y

6. Hono K., Ohnuma M., Murayama M., Nishida S., Yoshie A., Takahashi T. Cementite decomposition in heavily drawn pearlite steel wire. Scripta Materialia. 2001; 44(6): 977–983. https://doi.org/10.1016/S1359-6462(00)00690-4

7. Taniyama A., Takayama T., Arai M., Hamada T. Structure analysis of ferrite in deformed pearlitic steel by means of X-ray diffraction method with synchrotron radiation. Scripta Materialia. 2004; 51(1): 53–58. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2004.03.018

8. Goto S., Kirchheim R., Al-Kassab T., Borchers C. Application of cold drawn lamellar microstructure for developing ultra-high strength wires. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2007; 17(6): 1129–1138. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(07)60238-6

9. Borchers C., Al-Kassab T., Goto S., Kirchheim R. Partially amorphous nanocomposite obtained from heavily deformed pearlitic steel. Materials Science and Engineering: A. 2009; 502(1-2): 131–138. https://doi.org/10.1016/j.msea.2008.10.018

10. Read H.G., Reynolds Jr. W.T, Hono K., Tarui T. APFIM and TEM studies of drawn pearlitic wire. Scripta Materialia. 1997; 37(8): 1221–1230. https://doi.org/10.1016/S1359-6462(97)00223-6

11. Maruyama N., Tarui T., Tashiro H. Atom probe study on the ductility of drawn pearlitic steels. Scripta Materialia. 2002; 46(8): 599–603. https://doi.org/10.1016/S1359-6462(02)00037-4

12. Tarui T., Maruyama N., Takahashi J., Nishida S., Tashiro H. Microstructure control and strengthening of high-carbon steel wires. Nippon Steel Technical Report. 2005; 91: 56–61.

13. Danoix F., Julien D., Sauvage X., Copreaux J. Direct evidence of cementite dissolution in drawn pearlitic steels observed by tomographic atom probe. Materials Science and Engineering: A. 1998; 250(1): 8–13. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(98)00529-2

14. Egerton F.R. Physical Principles of Electron Microscopy. Basel: Springer International Publishing; 2016: 196. https://doi.org/10.1007/978-3-319-39877-8

15. Kumar C.S.S.R. Transmission Electron Microscopy. Characterization of Nanomaterials. New York: Springer; 2014: 717. https://doi.org/10.1007/978-3-642-38934-4

16. Carter C.B., Williams D.B. Transmission Electron Microscopy. Berlin: Springer International Publishing; 2016: 518.

17. Фрактография и атлас фрактограмм. Справ. изд. / Пер. с англ.; под ред. Дж. Феллоуза. М.: Металлургия; 1982: 489.

18. Кузнецов Р.В., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Кормышев В.Е., Шлярова Ю.А., Полевой Е.В., Юрьев А.А. Эволюция структурно-фазовых состояний и свойств дифференцированно закаленных рельсов при экстремально длительной эксплуатации. Сообщение 4. Формирование градиентов структурно-фазового состояния металла головки рельсов по центральной оси после пропущенного тоннажа 1770 млн т брутто. Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2021; 3: 37–46.

19. Перлит в углеродистых сталях / В.М. Счастливцев, Д.А. Мирзаев, И.Л. Яковлева, К.Ю. Окишев, Т.И. Табатчикова, Ю.В. Хлебникова. Екатеринбург: УрО РАН; 2006: 312.

20. Panin V.E., Egorushkin V.E., Panin A.V., Chernyavskii A.G. Plastic distortion as a fundamental mechanism in nonlinear mesomechanics of plastic deformation and fracture. Physical Mesomechanics. 2016; 19(3): 255–268. https://doi.org/10.1134/S1029959916030048

21. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин А.В. Нелинейные волновые процессы в деформируемом твердом теле как многоуровневой иерархически организованной системе. Успехи физических наук. 2012; 182(12): 1351–1357.

22. Григорович К.В., Громов В.Е., Кузнецов Р.В., Иванов Ю.Ф., Шлярова Ю.А. Формирование тонкой структуры перлитной стали при сверхдлительной пластичес­кой деформации. Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки. 2022; 503(41): 69–72. https://doi.org/10.31857/S2686740022020079

23. Li Y.J., Choi P., Borchers C., Westerkamp S., Goto S., Raabe D., Kirchheim R. Atomic-scale mechanisms of deformation-induced cementite decomposition in pearlite. Acta Materialia. 2011; 59(10): 3965–3977. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2011.03.022

24. Gavriljuk V.G. Comment on “Effect of interlamellar spacing on cementite dissolution during wire drawing of pearlitic steel wires”. Scripta Materialia. 2001; 45(12): 1469–1472. https://doi.org/10.1016/S1359-6462(01)01185-X

25. Gavriljuk V.G. Decomposition of cementite in pearlite steel due to plastic deformation. Materials Science and Engineering: A. 2003; 345(1-2): 81–89. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(02)00358-1

26. Languillaume J., Kapelski G., Baudelet B. Cementite dissolution in heavily cold drawn pearlitic steel wires. Acta Materialia. 1997; 45(3): 1201–1212. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(96)00216-9

27. Sauvage X., Copreaux J., Danoix F., Blavette D. Atomic-scale observation and modelling of cementite dissolution in heavily deformed pearlitic steels. Philosophical Magazine A. 2000; 80(4): 781–796. https://doi.org/10.1080/01418610008212082


Об авторах

В. Е. Громов
Сибирский государственный индустриальный университет
Россия

Виктор Евгеньевич Громов, д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля

Россия, 654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42



К. В. Аксёнова
Сибирский государственный индустриальный университет
Россия

Крестина Владимировна Аксёнова, к.т.н., доцент кафедры естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля

Россия, 654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42



Ю. Ф. Иванов
Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН
Россия

Юрий Федорович Иванов, д.ф.-м.н., профессор, главный научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники

Россия, 634055, Томск, пр. Академический 2/3



Р. В. Кузнецов
Сибирский государственный индустриальный университет
Россия

Роман Вадимович Кузнецов, соискатель степени к.т.н. кафед­ры естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля

Россия, 654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42



В. Е. Кормышев
Сибирский государственный индустриальный университет
Россия

Василий Евгеньевич Кормышев, к.т.н., старший научный сотрудник Управления научных исследований

Россия, 654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42



Рецензия

Для цитирования:


Громов В.Е., Аксёнова К.В., Иванов Ю.Ф., Кузнецов Р.В., Кормышев В.Е. Трансформация тонкой структуры пластинчатого перлита при деформации рельсовой стали. Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2023;66(1):50-56. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2023-1-50-56

For citation:


Gromov V.E., Aksenova K.V., Ivanov Yu.F., Kuznetsov R.V., Kormyshev V.E. Transformation of fine structure of lamellar pearlite under deformation of rail steel. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2023;66(1):50-56. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2023-1-50-56

Просмотров: 278


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 0368-0797 (Print)
ISSN 2410-2091 (Online)