Fine structure of rails after ultra long-term operation.pdf Введение Сложные процессы, протекающие в рельсах при длительной эксплуатации, приводят к накоплению многочисленных дефектов, что сопровождается ухудшением механических свойств и является причиной выхода рельсов из строя [1-9]. В объемно-закаленных рельсах производства «Евраз-ЗСМК» при пропущенном тоннаже 500-1000 млн тонн выявлено формирование наноразмерной многофазной структуры в слое металла, прилегающем к рабочей поверхности, характеризующейся полным разрушением колоний пластинчатого перлита; протеканием начальной стадии динамической рекристаллизации зерен структурно свободного феррита; фрагментацией зерен феррито-карбидной смеси с образованием структуры, в которой частицы карбидной фазы расположены преимущественно по границам субзерен [1]. Для дифференцированно закаленных рельсов после пропущенного тоннажа 691.8 и 1411 млн тонн в работах [10, 11] выявлен градиентный характер структуры, фазового состава и дефектной субструктуры, характеризующийся закономерным изменением скалярной и избыточной плотности дислокаций, кривизны кручения кристаллической решетки и степени деформационного преобразования структуры пластинчатого перлита по сечению головки рельсов. Партия дифференцированно закаленных 100-метровых рельсов категории ДТ350, выпущенных на этом комбинате в 2013 г., достигла беспрецедентной в практике наработки 1.77 млрд тонн брутто пропущенного тоннажа на экспериментальном кольце РЖД. В настоящей работе изучена тонкая структура поверхности катания и выкружки головки 100-метровых дифференцировано закаленных рельсов после пропущенного тоннажа 1770 млн тонн и проведена оценка механизмов упрочнения головки рельсов дислокационной субструктурой и внутренними полями напряжений. Материал и методика исследования Материалом исследования являлись образцы 100-метровых дифференцированно закаленных рельсов типа Р65 категории ДТ350 из стали Э76ХФ. По содержанию химических элементов металл рельсов соответствует требованиям ТУ 0921-276-01124323-2012 РЖД: С - 0.73%; Mn - 0.75%; Si - 0.58%; P - 0.012%; S - 0.007%; Cr - 0.42%; Ni - 0.07%; Cu - 0.13%; Al - 0.002%; Ti - 0.003%, Mo - 0.006%; V - 0.04%. Дефектную субструктуру металла рельсов изучали методами просвечивающей электронной микроскопии [12-14]. Как и в [10, 11], объекты исследования для просвечивающего электронного микроскопа (Instrument JEOL JEM-2100, Japan) готовили путем утонения пластинок, вырезанных из объемной заготовки на расстоянии 2 и 10 мм от поверхности рельсов (поверхность катания и рабочая выкружка), а также из пластинки, примыкающей к поверхности рельсов (рис. 1). Рис. 1. Схема препарирования образца рельса при исследовании его структуры методами оптической и электронной дифракционной микроскопии. Сплошными линиями выделены направления по центральной оси (1) и по выкружке (2); пунктирными линиями условно указаны места расположения слоев металла, использованных для подготовки фольг (поверхность, 2, 10 мм от поверхности) Результаты исследования и их обсуждение На глубине 2 и 10 мм от поверхности катания микроструктура металла рельсов подобна и сформирована зернами высокодисперсного перлита с незначительными участками структурно-свободного феррита. Однако на глубине 2 мм независимо от направления исследования в микроструктуре наблюдается значительное количество перлитных колоний с изогнутыми (волнистыми) и разрушившимися пластинами цементита, присутствуют участки вырожденного перлита. Независимо от направления исследования (по радиусу скругления выкружки или вдоль центральной оси головки рельсов) в стали присутствует несколько структурных состояний перлита. Во-первых, собственно структура перлита пластинчатой морфологии, характерной особенностью которого является чередование параллельно расположенных пластин цементита и феррита. Во-вторых, перлит разрушенный, характерной особенностью которого является отсутствие протяженных пластин цементита. Пластины цементита раздроблены и сдвинуты относительно исходной осевой линии. Можно предположить, что такая структура была сформирована в результате срезания и сдвига пластин цементита движущимися дислокациями. В-третьих, вырожденный перлит (феррито-карбидная смесь), представленный зернами феррита, в которых частицы цементита различной формы и размеров расположены хаотически. В-четвертых, зерна феррита, в объеме которых наблюдается полосовая субструктура, организованная малоугловыми границами. Цементит в такой структуре присутствует в виде частиц округлой формы, расположенных вдоль малоугловых границ. Наиболее существенные преобразования структуры и фазового состава наблюдаются в поверхностном слое головки рельсов. Во-первых, формируются так называемые «каналы деформации» [1]. Это места локализации деформации, в которых степень деформации превышает среднюю в несколько раз. Они возникают в условиях интенсивной пластической деформации [1]. В этом случае в пределах колонии пластинчатого перлита формируются протяженные области, в объеме которых на месте пластинчатой структуры образуется фрагментированная субструктура (рис. 2, а). Во-вторых, формируются зерна динамической рекристаллизации феррита. Данная структура образуется, в первую очередь, вдоль границ зерен и в торцах колоний пластинчатого перлита (рис. 2, б). Последнее указывает на наиболее напряженные области материала, являющиеся концентраторами напряжений. Размеры таких зерен изменяются в пределах от 65 до 300 нм (рис. 3). Микроэлектронограммы, полученные с данных областей, являются кольцевыми (рис. 3, б). Это свидетельствует о том, что формирующаяся структура имеет большеугловую разориентацию, соответствующую именно зеренной структуре. Области с зернами динамической рекристаллизации содержат частицы карбида железа преимущественно округлой формы (рис. 3, в). Частицы располагаются в стыках и вдоль границ зерен. Размеры частиц изменяются в пределах от 30 до 70 нм. Можно предположить, что данная структура сформировалась в результате разрушения пластин цементита подвижными дислокациями по механизму растворения, ухода атомов углерода на ядра дислокаций и перемещения по дислокационным трубкам на границы формирующейся дефектной субструктуры. Рис. 2. ПЭМ-изображения структуры поверхностного слоя рабочей выкружки головки. На (а) обозначено: П.П. - пластинчатый перлит, К.Д. - канал деформации Рис. 3. ПЭМ-изображения структуры поверхностного слоя рабочей выкружки головки; а, в - светлопольные изображения; б - микроэлектронограмма, полученная с участка фольги, структура которого приведена на (а). На (в) стрелками указаны частицы карбида железа Исследования дефектной субструктуры выявили в ферритной составляющей структуры стали дислокационную субструктуру в виде хаотически распределенных дислокаций и дислокационных сеток. Следует отметить, что дислокационная субструктура обнаруживается преимущественно в ферритной составляющей перлитных колоний и в структуре каналов деформации; в зернах динамической рекристаллизации дислокации практически не обнаруживаются. Количественный анализ дислокационной субструктуры показал, что скалярная плотность дислокаций , определенная методом случайно брошенной секущей [14], увеличивается по мере приближения к поверхности головки (таблица). Количественные значения параметров дислокационной субструктуры головки рельсов Параметр Поверхность катания Рабочая выкружка 10 мм 2 мм Поверхность 10 мм 2 мм Поверхность ∙10-10, см-2 2.89 3.81 4.23 3.46 3.47 4.43 ∙10-10, см-2 1.65 1.92 3.12 1.87 2.70 3.84 Увеличение скалярной плотности дислокаций в поверхностном слое относительно слоя, расположенного на глубине 10 мм, измеренной вдоль центральной оси головки, составляет 21%; при измерении вдоль оси симметрии рабочей выкружки увеличение более значительно и составляет 52%. Следовательно, деформационное преобразование структуры металла рельсов более существенно в области рабочей выкружки. Анализ структуры металла рельсов выявил присутствие изгибных контуров экстинкции, появление которых свидетельствует о кривизне-кручении фольги. На рис. 4 приведены ПЭМ-изображения структуры головки рельсов, содержащие экстинкционные контуры. Источниками кривизны-кручения материала являются границы раздела пластин феррита и цементита (рис. 4, а), границы раздела субзерен (рис. 4, б), границы раздела частиц глобулярной формы, расположенных на границе (рис. 4, в) и в объеме (рис. 4, г) субзерен. Наличие контуров указывает на существование в материале внутренних полей напряжений [14]. Используя методику, изложенную в [1], была проведена оценка избыточной плотности дислокаций +, зависимость величины которой от расстояния от поверхности головки рельсов приведена в таблице. Анализируя полученные результаты, отметим, что величина избыточной плотности дислокаций ниже величины скалярной плотности дислокаций. Последнее указывает на упругий характер изгиба-кручения фольги. Величина избыточной плотности дислокаций, измеренная вдоль центральной оси головки и вдоль оси симметрии рабочей выкружки в поверхностном слое более чем в 2 раза превышает эту же характеристику дефектной субструктуры материала, выявленную в слое, расположенном на глубине 10 мм. Следовательно, длительная эксплуатация рельсов способствует кратному увеличению внутренних упругих полей напряжений металла поверхностного слоя головки рельсов независимо от области анализа структуры материала. Рис. 4. Электронно-микроскопическое изображение структуры поверхностного слоя. Стрелками указаны изгибные экстинкционные контуры Выявленные преобразования дислокационной субструктуры будут существенным образом влиять на прочностные и пластические характеристики металла, определяя в конечном итоге срок службы рельсов. Выявить закономерности, связывающие параметры дислокационной субструктуры и механические свойства материала, вскрыть физическую природу эволюции свойств при длительной эксплуатации рельсов, позволяют оценки механизмов упрочнения. Используя результаты количественного анализа дислокационной субструктуры рельсов и широко апробированные выражения, приведенные в [1, 12], были проведены оценки механизмов дислокационного упрочнения (рис. 5). В соответствии с требованиями ТУ 0921-276-01124329-2012 РЖД для рельсов категории ДТ350 значения механических свойств в головке рельсов должны быть σт ≥ 800 МПа, а σв ≥ 1240 МПа. Видно, что приведенные на рис. 5 значения дислокационных механизмов упрочнения составляют значительную долю от этих величин. Рис. 5. Зависимость вкладов дислокационного упрочнения от расстояния до поверхности катания по центральной оси головки (кр. 1, 2) и радиусу скругления выкружки (кр. 3, 4). Кр. 2 и 3 - вклады, обусловленные дислокационной субструктурой; кр. 1 и 4 - вклады, обусловленные внутренними полями напряжений Заключение Методами просвечивающей электронной микроскопии изучена структура дифференцированно закаленных 100-метровых рельсов после пропущенного тоннажа 1770 млн тонн брутто. Установлено существенное преобразование структурно-фазового состояния и дефектной субструктуры в поверхностных слоях в головке рельсов по центральной оси и оси симметрии выкружки на различной глубине до 10 мм. Установлены различные морфологические структурные состояния перлита. Выявлено, что в результате длительной эксплуатации в поверхностных слоях формируются особые области - так называемые «каналы деформации» и зерна динамической рекристаллизации феррита. Показано, что скалярная и избыточная плотность дислокаций ферритной составляющей структуры стали увеличивается по мере приближения к поверхности головки рельсов. Выявлено, что деформационное преобразование ферритной составляющей структуры металла более существенно в области рабочей выкружки. Установлено, что экстремально длительная эксплуатация рельсов способствует кратному увеличению внутренних упругих полей напряжений металла поверхностного слоя головки, независимо от области анализа структуры материала. Проведена количественная оценка дислокационных механизмов упрочнения на разных расстояниях и поверхности катания головки по центральной оси и радиусу скругления выкружки.

Скачать электронную версию публикации