Упрочнение поверхностных слоев головки длинномерных рельсов при длительной эксплуатации

Введение

Согласно данным РЖД основными причинами выхода рельсов из строя и их изъятия являются контактно-усталостные повреждения и поверхностный износ. Эти дефекты существенно снижают срок службы рельсов и влияют на безопасность движения [1]. В последнее время наблюдается явно выраженный рост нагрузок на ось и повышение скоростей железнодорожного транспорта, что делает актуальной проблему создания рельсов с высокими эксплуатационными свойствами [2 – 5]. В процессе эксплуатации в поверхностных слоях рельсов наблюдаются значительные структурно-фазовые изменения [5 – 7], отмечаются высокие значения микротвердости, обезуглероживание [8 – 10], протекают релаксационные, рекристаллизационные и т. п. процессы, сопровождающиеся ухудшением механических свойств [11 – 13].

Повышение содержания углерода более 0,8 мас. % в рельсах приводит к снижению межпластинчатого расстояния, обеспечивает в поверхностных слоях субзеренную структуру с высоким содержанием малоугловых границ [14 – 17], что позволяет рассматривать такой подход как одно из перспективных направлений борьбы с контактной усталостью [18 – 21].

С 2018 г. в России на АО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» (АО «ЕВРАЗ ЗСМК») производятся длинномерные дифференцированно закаленные рельсы специального назначения повышенных износостойкости и контактной выносливости категории ДТ400ИК из заэвтектоидной стали для эксплуатации со скоростями движения до 200 км/ч на прямых и кривых участках железнодорожного пути без ограничений грузонапряженности [22 – 24].

В научной литературе практически отсутствуют публикации, в которых рассматриваются рельсы из заэвтектоидной стали, авторы фиксируют лишь качественные изменения [25 – 30]. Известно, что для рельсов с содержанием углерода менее 0,8 мас. % при длительной эксплуатации эволюция содержания различных морфологических типов структуры, параметров тонкой структуры и содержания цементита происходят более интенсивно на поверхности выкружки, чем по поверхности катания [31; 32].

Целью настоящей работы является сравнительная оценка количественных параметров тонкой структуры и механизмов деформационного упрочнения поверхностных слоев головки рельсов («поверхности катания» и «выкружки») из заэвтектоидной стали после длительной эксплуатации (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 (г. Щербинка). 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 – Fe.

Для исследования из рельсов были вырезаны две партии образцов A и B (рис. 1). Первая партия образцов А сгруппирована вдоль центральной оси симметрии головки рельса («поверхность катания») (рис. 1). Вторая партия образцов B вырезана по радиусу скругления головки рельса («выкружка») (рис. 1). Образцы этих двух партий методом электроискровой резки были получены на одинаковых расстояниях от поверхности контакта «колесо – рельс», а именно, 0 (верхний слой контактной поверхности), 2 и 10 мм от поверхности. Исследования выполнены методом просвечивающей дифракционной электронной микроскопии (ПЭМ) на тонких фольгах с применением электронного микроскопа JEM-2100 (Jeol, Япония) при рабочих увеличениях в колонне микроскопа от 15 000 до 500 000 крат.

Для каждого образца была проведена классификация морфологических признаков структуры, определен фазовый состав и рассчитаны параметры тонкой структуры (объемные доли морфологических составляющих); установлены места локализации карбидной фазы (цементита) и в каждом конкретном месте определена форма частиц и рассчитаны их размеры, расстояния между частицами и их объемная доля; скалярная ρ и избыточная ρ_± плотность дислокаций и амплитуды внутренних напряжений (σ_л – напряжения сдвига или «леса» дислокаций, создаваемые дислокационной структурой; σ_д – дальнодействующие (или локальные) напряжения, возникающие в тех местах материала, где присутствует избыточная плотность дислокаций). Все количественные параметры тонкой структуры определены в каждой морфологической составляющей и в целом по материалу и статистически обработаны. Методика определения количественных параметров подробно изложена в работах [33; 34]. На основании полученных параметров, согласно данным работ [33; 35; 36], для каждой партии образцов выполнена оценка основных механизмов упрочнения, формирующих предел текучести в исследуемой стали.

Результаты и их обсуждение

Ранее проведенные исследования [33; 34; 36] показали, что на расстоянии 10 мм от поверхности контакта «колесо – рельс» по центральной оси симметрии («поверхность катания») структура стали после длительной эксплуатации представлена различным по морфологии перлитом (пластинчатым идеальным, состоящим из практически параллельных пластин α-фазы и цементита; частично разрушенным, или дефектным, в котором пластины цементита изогнуты, частично разрушены; глобулярным), суммарная объемная доля которого составила 80 %, а также фрагментированным пластинчатым перлитом (20 %), в котором наблюдается образование дислокационных стенок поперек направления пластин α-фазы (средний размер фрагментов – 90×420 нм). Изображения этих морфологических составляющих представлены в работах [33; 34; 36].

По мере приближения к поверхности контакта «колесо – рельс» происходит разрушение перлита, совершенствование фрагментированной структуры, размер фрагментов уменьшается, формируется и быстро развивается субзеренная структура (рис. 2, а), состоящая практически из бездислокационных субзерен, средний размер которых на поверхности контакта составляет 80 нм, а объемная доля – 90 %.

Одновременно эксплуатация приводит к разрушению и перераспределению частиц цементита, к некоторому увеличению, а когда начинает интенсивно развиваться бездислокационная субзеренная структура, уменьшению скалярной и избыточной плотности дислокаций. Фрагментация пластинчатого перлита и развитие субзеренной структуры привели к упругому искажению кристаллической решетки α-фазы. В результате амплитуда внутренних локальных (дальнодействующих) напряжений σ_д, возникающих там, где присутствует избыточная плотность дислокаций, оказывается в 4,5 раза больше внутренних напряжений сдвига σ_л, определяемых дислокационной структурой, и при этом упругая составляющая внутренних дальнодействующих напряжений на поверхности контакта оказывается больше пластической более чем на порядок. Именно это и является причиной появления микротрещин в субзеренной структуре (рис. 2, б). Изменения средних количественных параметров тонкой структуры по мере приближения к поверхности контакта «колесо – рельс» приведены на рис. 3, а – г.

В отличие от центральной оси симметрии («поверхности катания») в структуре стали по радиусу скругления головки рельса («выкружке») на такой же глубине от поверхности контакта (10 мм) наряду с различным по морфологии перлитом и фрагментированным пластинчатым перлитом, объемные доли которых практически такие же, как и на «поверхности катания» (78 и 20 % соответственно), в небольшом количестве (~2 %) присутствует еще одна морфологическая составляющая, а именно, феррито-карбидная смесь – участки структуры с полностью разрушенными колониями перлита (рис. 2, в), в которых по данным дифракционного анализа [33] присутствуют мелкие частицы цементита игольчатой формы, средний размер которых составляет 10×25 нм, а также наблюдается высокая скалярная плотность дислокаций. По мере приближения к поверхности контакта «колесо – рельс», как и на «поверхности катания», происходят интенсивное разрушение перлита, совершенствование фрагментированной структуры, размер фрагментов уменьшается, а феррито-карбидная смесь занимает все больший объем материала. На поверхности контакта объемная доля феррито-карбидной смеси составляет 60 %, и при этом перлит (пластинчатый идеальный, разрушенный и глобулярный) в структуре продолжает присутствовать, в небольшом количестве (~2 %) появляется субзеренная структура. Изменения объемных долей морфологических составляющих в структуре «выкружки» по мере приближения к поверхности контакта представлены на рис. 3, д.

Дислокационная структура во всех морфологических составляющих, как и на «поверхности катания», представлена либо хаотически расположенными дислокациями, либо дислокационными сетками. Скалярная плотность дислокаций ρ во всех морфологических составляющих по мере приближения к поверхности контакта «колесо – рельс» увеличивается. Установлено, что наибольшей величиной ρ обладает феррито-карбидная смесь (полностью разрушенная структура), наименьшей – субзеренная структура. Но так как на поверхности контакта объемная доля феррито-карбидной смеси составляет 60 % объема материала, а субзеренной структуры – лишь 2 %, то средняя по материалу величина скалярной плотности дислокаций полностью определяется величиной ρ в феррито-карбидной смеси и поэтому, в отличие от «поверхности катания», средняя по материалу ρ по мере приближения к поверхности контакта увеличивается (рис. 3, е). Увеличивается и кривизна-кручение кристаллической решетки α-фазы и, соответственно, избыточная плотность дислокаций (причем даже с большей скоростью) и быстро приближается к величине ρ (рис. 3, е). Это объясняется тем, что в феррито-карбидной смеси, фрагментированном пластинчатом перлите и субзеренной структуре появляется упругая составляющая в изгибе-кручении кристаллической решетки, и амплитуда дальнодействующих напряжений σ_is начинает превышать напряжение сдвига σ_f  (рис. 3, з), причем упругая составляющая σ_is превышает пластическую как на «поверхности катания».

По полученным количественным параметрам тонкой структуры был выполнен анализ и проведено сравнение основных механизмов упрочнения заэвтектоидной рельсовой стали на различных расстояниях от поверхности после длительной эксплуатации вдоль центральной оси симметрии головки рельса («поверхности катания») и по радиусу скругления головки рельса («выкружке»): вклады, обусловленные упрочнением за счет перлита Δσ_перл (барьерное торможение в перлитных колониях); некогерентными частицами цементита Δσ_ор (упрочнение материала некогерентными частицами при обходе их дислокациями по механизму Орована); границами зерен и субграницами Δσ_сс (субструктурное упрочнение – упрочнение, обусловленное внутрифазными границами); дислокационной субструктурой Δσ_л (упрочнение дислокациями «леса», которые перерезают скользящие дислокации, т. е. внутреннее напряжение сдвига) и внутренними полями напряжений Δσ_д (упрочнение дальнодействующими полями напряжений). Количественная оценка этих вкладов упрочнения осуществлялась по формулам, приведенным в работах [33 – 36]. Полученные результаты представлены на рис. 4.

Выполненный анализ показал, что независимо от направления исследований прочность металла рельсов зависит от расстояния до поверхности контакта «колесо – рельс» (рис. 3). А именно, по мере приближения к поверхности контакта все основные прочностные характеристики материала рельса увеличиваются, причем наибольшему упрочнению подвергается приповерхностный слой толщиной не более 2 мм. При большем удалении от поверхности прочностные свойства стали остаются практически на уровне прочностных свойств стали в исходном состоянии. Основными механизмами упрочнения металла вдоль «поверхности катания» являются упрочнение внутренними дальнодействующими (локальными) напряжениями (причем в основном упругого характера), субструктурное упрочнение и упрочнение некогерентными частицами. Это связано с тем, что на поверхности контакта субзеренная структура занимает практически весь объем материала (90 %). Субзерна обладают нанометровым диапазоном (80 нм). Это приводит к высокой плотности субграниц и стыков (в большей степени тройных), являющихся источниками изгибных экстинкционных контуров (в основном упругих), что, в свою очередь, приводит к высоким значениям внутренних дальнодействующих напряжений, упругая составляющая которых более чем на порядок выше пластической.

На контактной поверхности «выкружки» основным механизмом упрочнения является упрочнение некогерентными частицами, а также механизмы, обусловленные внутренними дальнодействующими (локальными) напряжениями, внутренними напряжениями сдвига («леса» дислокаций). Это объясняется тем, что основными морфологическими составляющими, формирующими упрочнение, являются феррито-карбидная смесь с низкой плотностью границ, занимающая 60 % объема материала, и фрагментированный пластинчатый перлит, объемная доля которого составляет 20 %. Возникшая на поверхности контакта субзеренная структура, формирующая большое число стыков зерен, приводит к росту источников экстинкционных контуров и, соответственно, росту Δσ_д. Но поскольку объемная доля субзеренной структуры мала (2 %), то ее вклад в упрочнение поверхности контакта «колесо – рельс» выкружки небольшой.

Выводы

Выполнен количественный анализ тонкой структуры и механизмов упрочнения заэвтектоидной рельсовой стали в различных морфологических составляющих и в целом по материалу на различных расстояниях от поверхности контакта «колесо – рельс» вдоль центральной оси симметрии головки рельса («поверхность катания») и по радиусу скругления головки рельса («выкружка») после пропущенного тоннажа 187 млн т брутто.

Установлено принципиальное отличие микроструктуры металла в зависимости от расположения градиентной структуры слоев стали в рельсе на «поверхности катания» или «выкружке»: вблизи контакта «колесо – рельс» на «поверхности катания» превалирующей морфологической составляющей является субзеренная структура, в «выкружке» – феррито-карбидная смесь. В результате эти данные позволили выявить разные механизмы упрочнения: на «поверхности катания» – упрочнение полями внутренних напряжений, в «выкружке» – упрочнение некогерентными частицами.

Независимо от направления исследований прочность металла рельсов зависит от расстояния до поверхности контакта «колесо – рельс». Наибольшему упрочнению подвергается приповерхностный слой толщиной не более 2 мм. При большем удалении от поверхности прочностные свойства стали остаются практически на уровне прочностных свойств стали в исходном состоянии.