Физика упрочнения поверхности катания головки рельсов из заэвтектоидной стали после эксплуатации

Введение

Контактно-усталостные повреждения и поверхностный износ являются основными причинами, по которым рельсы изымаются из эксплуатации [1; 2]. В последние годы к рельсам предъявляются повышенные требования по эксплуатационной стойкости, что обусловлено ростом скоростей движения железнодорожного транспорта и нагрузок на ось [3 – 5]. С практической и фундаментальной точек зрения создание рельсов специального назначения с высокими эксплуатационными свойствами является актуальной проблемой [6 – 8]. В России, имеющей одну из самых протяженных в мире сеть железных дорог, эта задача с 2018 г. решается путем производства длинномерных дифференцированно закаленных рельсов повышенной износостойкости и контактной выносливости категории ДТ400ИК [9]. Эти рельсы изготавливаются из стали с содержанием углерода более 0,8 мас. %, что обеспечивает формирование в поверхностном слое субзеренной структуры с высоким содержанием малоугловых границ. Использование методов современного физического материаловедения и, в первую очередь, просвечивающей электронной микроскопии [10 – 12] позволяет проследить изменения структуры, фазового состава и дефектной субструктуры, которые приводят к деградации механических свойств [13 – 15]. Совершенствование технологии производства рельсов специального назначения и обеспечение высоких эксплуатационных свойств должны базироваться на понимании физической природы и закономерностей эволюции в поверхностных слоях рельсов структурно-фазовых состояний и тонкой субструктуры [16 – 18]. Такие данные могут быть полезны для обеспечения гарантированной наработки до 2 млрд т пропущенного тоннажа [19 – 21]. Для рельсов с содержанием углерода менее 0,8 мас. % из доэвтектоидной стали такой анализ выполнен в работах [22 – 25], что позволило количественно оценить физические механизмы упрочнения, установить их иерархию и определить суммарный предел текучести. Подобные работы для рельсов из заэвтектоидной стали в литературе практически отсутствуют.

Целью настоящей работы является сравнительный анализ механизмов деформационного упрочнения поверхности катания и выкружки рельсов специального назначения категории ДТ400ИК после эксплуатации на экспериментальном кольце РЖД (г. Щербинка, пропущенный тоннаж 187 млн т брутто).

Материал и методы исследования

Изучение внутренней структуры и фазового состава проведено на образцах дифференцированно закаленных рельсов категории ДТ400ИК из стали марки Э90ХАФ производства АО «ЕВРАЗ ЗСМК» после пропущенного тоннажа 187 млн т брутто на экспериментальном кольце РЖД. Основные элементы, входящие в химический состав рельсовой стали Э90ХАФ согласно ГОСТ 5185 – 2013 и ТУ 24.10.75111-298-057576.2017, мас. %: 0,92 С; 0,4 Si; 1,0 Mn; 0,3 Cr; 0,14 V; основа – железо. Механические свойства: предел текучести – более 900 МПа; предел прочности – 1350 МПа; относительное удлинение – 9,0 %; относительное сужение – 18 %; ударная вязкость – 15 Дж/см²; твердость на поверхности катания головки – 400 – 450 НВ.

Исследования выполнены на поверхности катания и скруглении головки рельса (выкружки) (рис. 1).

Исследования проводили методом просвечивающей дифракционной электронной микроскопии (ПЭМ) на тонких фольгах с применением электронного микроскопа JEM-2100 (Jeol, Япония) [26 – 28].

Для оценки механизмов упрочнения, формирующих предел текучести в исследуемой стали, для каждого образца была проведена классификация морфологических признаков структуры, определен фазовый состав, рассчитаны параметры тонкой структуры (а именно, объемные доли морфологических составляющих P_v); установлены места локализации карбидной фазы (цементита) и в каждом конкретном месте определена форма частиц и рассчитаны их размеры d, расстояния между частицами r и объемная доля δ; в каждой морфологической составляющей и в целом по материалу рассчитаны скалярная ρ и избыточная ρ_± плотность дислокаций и создаваемые ими амплитуды внутренних напряжений (σ_л – напряжения сдвига или «леса» дислокаций (создаются дислокационной структурой) и σ_д – дальнодействующие или локальные напряжения (возникают в тех местах материала, где присутствует избыточная плотность дислокаций)). Все количественные параметры тонкой структуры определены в каждой морфологической составляющей, статистически обработаны, а их средние значения приведены в табл. 1 (где D1 – размер фрагмента или субзерна; χ, χ_пл и χ_упр – амплитуда кривизны-кручения кристаллической решетки, пластическая и упругая ее составляющие; \(\sigma _{\rm{д}}^{{\rm{пл}}}\) и \(\sigma _{\rm{д}}^{{\rm{упр}}}\) – пластическая и упругая составляющие амплитуды внутренних дальнодействующих напряжений.

Методика определения количественных параметров подробно изложена в работах [9; 29].

Результаты и их обсуждение

Проведенные исследования показали, что вне зависимости от места на поверхности головки рельса (рис. 1) в структуре наблюдаются следующие морфологические составляющие: пластинчатый (идеальный) перлит с параллельно чередующимися пластинками феррита и цементита; фрагментированный пластинчатый перлит, в котором наблюдается образование дислокационных стенок поперек направления и пластин α-фазы; разрушенный пластинчатый перлит с изогнутыми, разрезанными и измельченными пластинками Fe₃C; глобулярный перлит в виде зерен с глобулярными частицами Fe₃C; субзеренная структура – мелкие равноосные фрагменты, по границам и в стыках которых присутствуют частицы цементита. Изображения этих типов морфологических составляющих не отличаются от составляющих рельсов из доэвтектоидной стали, приведенных в работе [1].

Для поверхности выкружки выявлена еще одна разновидность структуры – полностью разрушенная. Эта структура с полностью разрушенными колониями перлита содержит мелкие карбидные частицы (Fe₃C), обладающие игольчатой формой и расположенные хаотически, и обладает высокой скалярной плотностью дислокаций (рис. 2, а).

Основную долю (90 %) материала на поверхности катания в центре головки составляет субзеренная структура (рис. 2, б), на поверхности выкружки доля этой структуры составляет 2 %. Как показали проведенные исследования, во всех морфологических составляющих тип дислокационной структуры не изменяется: дислокационная субструктура представляет плотные дислокационные сетки. Во всех морфологических составляющих присутствуют изгибные экстинкционные контуры, источниками которых являются границы раздела зерен и колоний перлита, пластин цементита в зернах перлита, границы фрагментов и субзерен, карбидные частицы (частицы цементита) пластинчатой и округлой формы, расположенные на границах и внутри дислокационных фрагментов и субзерен, стыки субзерен, а также дислокационная субструктура.

В поверхностном слое выкружки, как показали выполненные расчеты [9], в идеальном, разрушенном и глобулярном перлите скалярная плотность дислокаций ρ выше избыточной плотности дислокаций ρ_±, определенной из ширины изгибных экстинкционных контуров (табл. 1), то есть ρ > ρ_± и, соответственно, σ_д < σ_л. Это означает, что изгиб-кручение кристаллической решетки в этих морфологических составляющих носит чисто пластический характер. Во фрагментированном перлите, полностью разрушенной и субзеренной структурах величина ρ оказалась меньше рассчитанной величины ρ_±, то есть ρ < ρ_± и, соответственно, σ_л < σ_д, и это означает, что изгиб-кручение кристаллической решетки в этих морфологических составляющих носит упруго-пластический характер, но при этом, если во фрагментированном перлите и полностью разрушенной структуре χ_пл  \( \gg \) χ_упр, то в субзеренной структуре χ_пл ≈ χ_упр (табл. 1).

В поверхностном слое центра головки рельса во всех морфологических составляющих величина ρ оказалась меньше рассчитанной из ширины экстинкционных контуров [9] величины ρ_± (табл. 2), то есть изгиб-кручение кристаллической решетки во всех морфологических составляющих – упруго-пластический и χ = χ_пл + χ_упр, причем в субзеренной структуре, которая занимает основной объем материала, χ_упр > χ_пл практически в три раза.

В поверхностном слое головки рельсов во всех присутствующих морфологических составляющих имеет место упруго-пластический изгиб-кручение кристаллической решетки, причем в субзеренной структуре, которая занимает основную (90 %) долю материала, величины χ и σ_д имеют наибольшие значения, при этом значение σ_пл более чем на порядок меньше значения σ_упр (табл. 2). Именно поэтому в таких участках наблюдается образование микротрещин.

Полученные в табл. 1 и 2 количественные результаты явились основой расчета величины аддитивного (суммарного) предела текучести в каждой морфологической составляющей и в целом по материалу. Необходимо отметить, что вклад отдельных механизмов в общее упрочнение различен, поскольку в каждом случае он определяется целым рядом факторов [30 – 32]. Поэтому при оценке аддитивного предела текучести σ_ад необходимо учитывать объемные доли P_v каждой морфологической составляющей σ_i

\[\sigma  = \sum {{P_i}{\sigma _i}} ,\]

где Р_i и σ_i – объемные доли и предел текучести каждой морфологической составляющей структуры.

Если ранее предполагалось, что аддитивный предел текучести можно находить простым суммированием вкладов отдельных механизмов упрочнения [30], то к настоящему времени доказано, что суммирование в ряде случаев должно реализоваться в квадратичном приближении [31; 32]. Это, в первую очередь, относится к механизмам Δσ_л и Δσ_g, действующим локально и неоднородно внутри зерен. Таким образом,

\[{\sigma _{{\rm{ад}}}} = \Delta {\sigma _{\rm{п}}} + \Delta {\sigma _{{\rm{тв}}}} + \Delta {\sigma _{\rm{з}}} + \Delta {\sigma _{{\rm{ор}}}} + \Delta {\sigma _{{\rm{перл}}}} + \Delta {\sigma _{{\rm{сс}}}} + \sqrt {\Delta \sigma _{\rm{л}}^2 + \Delta \sigma _{\rm{д}}^2} ,\]

где Δσ_n = 35 МПа [9] – напряжение трения дислокаций в кристаллической решетке α-железа; Δσ_тв – твердорастворное упрочнение (упрочнение твердого раствора феррита растворенными в нем легирующими элементами); Δσ_з – зернограничное упрочнение (упрочнение за счет границ зерен); Δσ_ор – упрочнение материала некогерентными частицами при обходе их дислокациями по механизму Орована; Δσ_перл – упрочнение, обусловленное перлитной составляющей (барьерное торможение в перлитных колониях); Δσ_сс – субструктурное упрочнение (упрочнение, обусловленное внутрифазными границами); Δσ_л – упрочнение дислокациями «леса», которые перерезают скользящие дислокации (внутреннее напряжение сдвига); Δσ_д = Δσ_упр + Δσ_пл; Δσ_упр – упругая составляющая дальнодействующих напряжений; Δσ_пл ‒ пластическая составляющая дальнодействующих напряжений.

Количественная оценка этих вкладов упрочнения осуществлялась по формулам, приведенным в работах [29; 31; 32]. Результаты представлены в табл. 3, 4.

Анализ данных свидетельствует о многофакторности прочности стали и совокупном характере физических механизмов. Для поверхности выкружки основным механизмом упрочнения является упрочнение Орована Δσ_ор. Это связано с тем, что на поверхности выкружки основной объем (60 %) занимает полностью разрушенная структура. Значителен вклад дальнодействующих полей напряжений Δσ_g и напряжений «леса» дислокаций Δσ_л. Возникшая субзеренная структура формирует большое количество стыков зерен, что приводит к росту источников контуров экстинкции и, соответственно, к росту Δσ_g. Но поскольку P_v субзеренной структуры невысока (2 %), то ее вклад в упрочнение поверхности выкружки небольшой. Упрочнение в основном формируют фрагментированная субструктура и полностью разрушенная структура. Аддитивный предел текучести на поверхности выкружки составляет 2218 МПа.

Для центральной части поверхности катания головки рельсов аддитивный предел текучести значительно выше и составляет 7950 МПа. Основными механизмами упрочнения (табл. 4) являются упрочнение внутренними упругими локальными напряжениями, а также субструктурное упрочнение и упрочнение некогерентными частицами.

Установленное значительное различие в величинах аддитивного предела текучести (\(\sigma _{{\rm{ад}}}^{{\rm{выкр}}} < \sigma _{{\rm{ад}}}^{{\rm{центр}}}\)) может быть интерпретировано на основании того, что для поверхности катания в центре головки объемная доля субзеренной структуры в 45 раз превышает аналогичное значение для выкружки. Субзерна имеют нанометровый диапазон, что обеспечивает высокую плотность субграниц и стыков (в большей степени тройных) субзерен, являющихся источниками контуров экстинкции (в основном упругих). Такие контуры приводят к высоким значениям внутренних дальнодействующих напряжений, причем их упругая составляющая более чем на порядок выше пластической. Все это и является определяющим фактором. На поверхности выкружки основными морфологическими составляющими являются разрушенный перлит и полностью разрушенная структура с низкой плотностью границ.

Введение

Методами просвечивающей электронной микроскопии выявлены морфологические составляющие структуры поверхности катания головки рельсов из заэвтектоидной стали в центре и на выкружке: пластинчатый перлит, фрагментированный перлит, разрушенный пластинчатый перлит, глобулярный перлит, полностью разрушенный перлит, субзеренная структура. Проведен количественный анализ механизмов упрочнения, оценены вклады, обусловленные трением кристаллической решетки, твердорастворным упрочнением, упрочнением за счет перлита, некогерентными частицами цементита, границами зерен и субграницами, дислокационной субструктурой и внутренними полями напряжений. Для поверхности скругления (выкружки) установлено, что основным механизмом упрочнения является упрочнение некогерентными частицами, а также механизмы, обусловленные внутренними дальнодействующими (локальными) напряжениями, внутренними напряжениями сдвига («леса» дислокаций) и субструктурным упрочнением.

Для центральной части поверхности катания основными механизмами упрочнения являются упрочнение дальнодействующими полями напряжений, некогерентными частицами и субструктурное упрочнение. Определен аддитивный предел текучести на поверхности катания и дано объяснение различия его значений для центра головки и выкружки.