Эволюция структурно-фазового состояния и свойств рельсов из заэвтектоидной стали при длительной эксплуатации

Введение

Непрерывное возрастание требований к надежности рельсов в условиях высоких нагрузок на ось и больших скоростей движения обусловливает необходимость их высокой эксплуатационной стойкости и анализа возможных причин изъятия [1]. Знание закономерностей формирования структурно-фазовых состояний и свойств специальных видов рельсов необходимо как для совершенствования технологии их производства, так и для предсказания их поведения при эксплуатации.

В России производство дифференцированно закаленных специальных видов рельсов повышенной износостойкости и контактной выносливости осуществляется уже более трех лет. Это рельсы категории ДТ 400 ИК для эксплуатации на прямых участках пути со скоростями до 200 км/час и кривых участках без ограничения по грузонапряженности. Важность информации о структурно-фазовом состоянии, прочностных и трибологических свойствах новых видов рельсов определяется глубиной фундаментальных проблем физического материаловедения, с одной стороны, и практической значимостью проблемы, с другой [2 – 4]. В соответствии с программой развития РЖД предусмотрено увеличение срока службы рельсов до 2,0 млрд т пропущенного тоннажа. По данным РЖД в 2020 г. до 75 % изъятий рельсов приходилось при достижении предельного состояния по износу и контактно-усталостным дефектам.

Целью настоящей работы является анализ изменения фазового состава, дислокационной субструктуры и свойств рельсов специального назначения после длительной эксплуатации.

Методика исследования

В качестве материала для исследования использованы образцы заэвтектоидной стали Э90ХАФ, свойства и элементный состав которой регламентируются ГОСТ 51685 – 2013, ТУ 24.10.75111-298-05757676.2017 РЖД. Анализу подвергались рельсы после дифференцированной закалки и после эксплуатации на экспериментальном кольце РЖД (пропущенный тоннаж 187 млн т брутто).

Измерение микротвердости стали осуществляли на приборе ПМТ-3 методом Виккерса при нагрузке на индентор 0,5 Н. Трибологические свойства характеризовали параметром износа и коэффициентом трения. Испытания проводили в условиях сухого трения по схеме диск – палец на трибометре Pin on Disc and Oscillating TRIBOtester (TRIBOtechnic, Франция) при следующих параметрах: шарик из твердого сплава ВК8 диаметром 6 мм; радиус трека износа 2 мм; пройденный контртелом путь 50 м; скорость вращения образца 25 мм/с; нагрузка на индентор 2 Н; температура комнатная. Профиль канавки износа и ее параметры исследовали контактным нанопрофилометром (см. рисунок). Параметр изнашивания κ рассчитывали по формуле:

\[\kappa = \frac{{2\sigma RA}}{{FL}},\]

где R – радиус трека, мм; А – площадь поперечного сечения канавки износа, мм²; F – величина приложенной нагрузки, Н; L – пройденный шариком контртела путь, м [5].

Дислокационная субструктура определялась методами просвечивающей электронной микроскопии (прибор JEOLJEM 2100 F) [6; 7]. Исследование фазового состава и структурных параметров проводилось на дифрактометре ХРД-600 в CuK_α-излучении с использованием баз данных РДК 4+ и программы полнопрофильного анализа POWDERCELL 2/4.

Результаты и их обсуждение

После эксплуатации рельсов категории ДТ 400 ИК микротвердость поверхности катания увеличилась в 1,4 раза (с 5,5 до 7,7 ГПа), а скалярная плотность дислокаций в 1,5 раза (с 5,0·10¹⁰ до 7,5·10¹⁰ см\(^-\)²). Такое изменение параметров связано с формированием сложного напряженно деформированного состояния поверхности катания рельсов при длительной эксплуатации [1]. Этим же может быть объяснено увеличение более чем в три раза сопротивления износу поверхности катания. В исходном состоянии параметр износа составляет 7,7·10\(^-\)⁶ мн³/(Н·м), а после эксплуатации 2,5·10\(^-\)⁶ мн³/(Н·м). Коэффициент трения уменьшается незначительно: от 0,43 до 0,35. Эти результаты не дают основания для экспраполяции износа при последующей эксплуатации. Как и в работе [1], нужны значения этого параметра при других значениях пропущенного тоннажа.

Рентгенофазовый анализ рельсов категории ДТ 400 ИК показал, что основными фазами стали являются α-Fe и карбид железа Fe₃C. В исходном состоянии содержание фаз составляет 95,83 и 4,17 % (по массе) соответственно. Параметры кристаллической решетки: для α-Fe а = 2,8736 Å, для карбида Fe₃C а = 4,7313 Å, b = 4,3299 Å, с = 2,8330 Å.

После пропущенного тоннажа содержание фаз для α-Fe и Fe₃C составляет 94,84 и 5,16 % (по массе) соответственно. При этом параметры кристаллической решетки: для α-Fe а = 2,8713 Å; для карбида железа а = 4,3057 Å, b = 4,3057 Å, с = 2,8342 Å. Эти данные свидетельствуют о том, что эксплуатация рельсов привела к увеличению в 1,24 раза содержания карбида Fe₃C, к изменению параметров его кристаллической решетки и, возможно, дефектной структуры. Параметр кристаллической решетки α-Fe уменьшился. Это коррелирует с увеличением содержания карбида железа и свидетельствует о выходе углерода из кристаллической решетки α-Fe с образованием карбидной фазы в процессе эксплуатации.

Выводы

Эксплуатация рельсов категории ДТ 400 ИК приводит к повышению износостойкости, микротвердости, скалярной плотности дислокаций и содержания карбида Fe₃C.