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.

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.

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).

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).

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).