Фундаментальные проблемы современного материаловедения,  2019,  том 16,  №3, 303-308

 

Ю.Ф. Иванов1,2, В.Е. Громов3, А.М. Глезер4, А.А. Юрьев3, О.А. Перегудов5

Механизмы упрочнения поверхности рельсов при мегапластической деформации

1Институт сильноточной электроники СО РАН, пр. Академический, 2/3, 634055, Томск, Россия
2Национальный исследовательский Томский политехнический университет, пр. Ленина, 30, 634050, Томск, Россия

3Сибирский государственный индустриальный университет, ул. Кирова, 42, 654007, Новокузнецк, Россия

4Московский национальный исследовательский технологический университет "МИСиС", пр. Ленинский, 4, 119049, Москва, Россия

5Омский государственный технический университет, пр. Мира, 11, 644050, Омск, Россия

Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

Методами современного физического материаловедения выполнены исследования структуры, фазового состава и дислокационной субструктуры, формирующиеся на поверхности головки объемно и дифференцированно закаленных рельсов при интенсивной пластической деформации (пропущенный тоннаж 692 и 1000 млн. тонн, соответственно). Структура рельсовой стали в исходном состоянии представлена зернами перлита пластинчатой морфологии, зернами структурно-свободного феррита и зернами феррито-карбидной смеси. Для обоих типов рельсов при эксплуатации выявлено формирование градиентной структуры, характеризующейся почти полным разрушением колоний пластинчатого перлита. Интенсивная пластическая деформация, реализующаяся при длительной эксплуатации рельсов сопровождается одновременным протеканием двух процессов разрушения пластин цементита – путем разрезания скользящими дислокациями и растаскивания их осколков и в результате вытягивания атомов углерода из кристаллической решетки цементита вследствие заметной разницы энергии связи атомов углерода с дислокациями (~0,6 эВ) и с атомами железа в кристаллической решетке цементита (~0,4 эВ). Показано, что если в исходном состоянии основное количество атомов углерода сосредоточено в частицах цементита, то после длительной эксплуатации рельсов местом расположения углерода наряду с частицами цементита являются дефекты кристаллической структуры (дислокации, границы зерен и субзерен). Проведены количественные теоретические оценки аддитивного предела текучести поверхности металла рельсов на основе анализа многофакторного характера упрочнения, обусловленного формированием дислокационной субструктуры и малоугловых границ субзерен и фрагментов, частиц карбидной фазы (дисперсионное упрочнение), твердого раствора на основе α-железа (твердорастворное упрочнение) и дальнодействующих полей напряжений. Установлено, что для объемно-закаленных рельсов основной вклад в упрочнение поверхности вносит субзереннный механизм упрочнения, а для дифференцированно закаленных – дислокационная субструктура.

Ключевые слова: механизмы упрочнения, структура, фазовый состав, интенсивная пластическая деформация.

УДК 669.539.382:669.17

DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2019.03.003


 

Fundamental’nye problemy sovremennogo materialovedenia

(Basic Problems of Material Science (BPMS)) Vol. 16, No.3 (2019) 303-308

 

Yu.F. Ivanov1,2, V.E. Gromov3, A.M. Glezer4, A.A. Yur’ev3, O.A. Peregudov5

Rail surface mechanism strengthening at megaplastic deformation


1Institute of High Current Electronics SB RAS, Akademicheskii Pr., 2/3, Tomsk, 634055, Russia

2National Research Tomsk Polytechnic University, Lenin Pr., 30, Tomsk, 634050, Russia

3Siberian State Industrial University, Kirov Str., 42, Novokuznetsk, 654007, Russia

4Moscow National Research Technological University «MISIS», Leninskiy Pr., 4, Moscow, 119049, Russia

5Omsk State Technical University, Mira Pr., 11, Omsk, 644050, Russia

The studies of structure, phase composition and dislocation substructure being formed on the surface of the head of the bulk and differentially-hardened rails at severe plastic deformation during long term operation (passed tonnage 692 and 1000 mln. Ton, correspondently) are performed by methods of modern physical material science. The structure rail steel in initial state are presented by plate morphology perlite grains, structure-free ferrite grains and ferrite-carbide mixture grains. The formation of gradient structure, being characterized by almost complete failure of lamellar pearlite colonies, are revealed for both types of rails. The severe plastic deformation being realized at long term operation is accompanied by simultaneous proceeding of two processes of cementite plates’ failure by cutting with gliding dislocations and by pulling their fragments apart and as a result of pulling of carbon atoms from crystal lattice of cementite due to the marked difference of binding energy of carbon atoms with dislocations      (~ 0.6 eV) and with iron atoms in the crystal lattice of cementite (~ 0.4 eV). It is shown that if in the initial state the main amount of carbon atoms is concentrated in cementite particles then after the long operation of rails the defects of crystal structure (dislocations, grain and subgrain boundaries) are the place of carbon location along with cementite particles. The quantitative theoretical estimations of additive yield point of rail metal surface on the basis of analysis of multifactor character of hardening caused by the formation of dislocation substructure and low angle subgrains and fragments, the hardening by particles of carbide phase (dispersion hardening), the hardening caused by solid solution on the base of α-iron, the hardening by long-range stress fields are performed. It is established that the subgrain mechanism of hardening contributes significantly to surface hardening of bulk hardened rails and the dislocation substructure – of differentially hardened rails.

Keywords: mechanisms of hardening, structure, phase composition, intensive plastic deformation.