ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 3
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 6
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 8
Заключение 18
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 21
Актуальность темы исследования. Основными направлениями развития железнодорожного транспорта являются увеличение скорости подвижного состава, полезной нагрузки, надежности и безопасности его эксплуатации. Это требует существенного улучшения механических свойств колесных пар и рельсов, способных снизить износ и повысить сопротивляемость контактно усталостным разрушениям. По этим причинам металлургическими компаниями совместно с научно-исследовательскими организациями проведены интенсивные исследования, направленные на разработку нового способа дифференцированного упрочнения головки перлитных рельсов, приводящего к существенному сокращению межпластинчатого расстояния в структуре перлита. Рельсовые перлитные стали с межпластинчатым расстоянием ~0,10-0,12 мкм, характеризуются повышенной абразивной износостойкостью, усталостной прочностью и стойкостью к контактным и усталостным дефектам по сравнению с перлитной структурой после традиционной объёмной закалки. Эти исследования включены в основные требования к рельсовым сталям ГОСТ Р 51685-2013. В соответствии с планами развития ОАО «РЖД» до 2030 года в области верхнего строения пути основным направлением технической политики является расширение применения бесстыкового пути взамен звеньевого, выполненного с использованием контактной сварки с оплавлением. Практика эксплуатации бесстыкового пути на российских железных дорогах показывает, что, несмотря на качественный состав рельсовой перлитной стали, разработанный отечественными металлургами, и оптимальные режимы сварки, предложенные специалистами ВНИИЖТ, количество дефектов сварных швов остается высоким.
Степень разработанности темы исследования. Большой объём, исследований перлитных сталей проведен как отечественными (Л.И. Тушинский, В.Н. Гриднев, В.М. Счастливцев, В.И. Изотов, A.A. Батаев, A.B. Макаров, Л.Г. Коршунов, Д.А. Мирзаев, И.Л. Яковлева, Т.И. Табатчикова, P.A. Саврай и др.), так и зарубежными авторами (Е.Н Engel, R. Mehl, J.D. Embury, R.M. Ficher, H. Ohmori, A.T. Davenport, M. Gensamer, E.B. Pearsall, W.S. Pellini, J.R. Low и др.). Результаты исследований структурообразования, проведенных с использованием классической оптической микроскопии, фиксирующей только факт образования структур перлита, феррита, мартенсита, бейнита в зоне термического влияния рельсового стыка, вошли в нормативные документы, связанные с технологическим процессом контактной сварки рельсов оплавлением, последующей термообработкой и контролем рельсового стыка. Они представлены в работах А.И. Николина, В.А. Резанова, Е.А. Шура, С.И. Кучук-Яценко, Л.А. Андреевой, В.М. Федина и других ученых.
Необходимо признать, что до сих пор при исследовании рельсовых сталей большое внимание уделялось изучению макроструктуры, механических и трибологических свойств при различных термических и механических воздействиях. В тоже время, такие важные параметры перлитной структуры рельсовой стали после дифференцированной закалки с прокатного нагрева и последующей сварке, отвечающие за прочностные и пластические свойства, как: 1) толщина цементитной пластины, 2) межпластинчатое расстояние, 3) размер перлитной колонии, перлитного блока, 4) малоугловые, большеугловые границы зёрен и субзёрен, пока не исследованы. Слабо освещены вопросы взаимосвязи морфологии перлита со свойствами сварных рельсовых стыков. Сказанное выше определяет актуальность постановки настоящих исследований. Это позволило сформулировать рекомендации по возможности управления параметрами перлитной структуры как в процессе производства рельсовой стали, так и в последующих способах обработки (сварка, термообработка, упрочнение и т.д.)...
В результате выполнения диссертационной работы, направленной на установление особенностей влияния структуры металла на эксплуатационные свойства рельсового стыка, получены следующие основные результаты:
1. Проведен анализ структуры рельсового стыка в зоне термического влияния и по линии сплавления. Установлены основные структуры металла в ЗТВ рельсового стыка: доэвтектоидный феррит, перлит различной морфологии (пластинчатый, сфероидизированный, вырожденный). Показано, что для оценки качества сварки и термообработки рельсового стыка оптическая металлография не обладает достаточной разрешающей способностью и не способна обеспечить количественные измерения морфологических параметров структуры перлита.
2. Электронной микроскопией определены основные морфологические особенности структуры перлита металла в ЗТВ рельсового стыка: межпластинчатое расстояние, толщину ферритной и цементитной пластин, размеры перлитной колонии и перлитного блока. Показана высокая неоднородность дисперсности перлита в ЗТВ по объёму рельсового стыка. Неоднородность дисперсности перлита в головке рельса составляет 60140нм, в шейке - 120-185 нм, в подошве - 110-196нм.
3. Показано, что размер аустенитного зерна и, следовательно, размеры перлитных колоний в каждой области ЗТВ рельсового стыка зависят от пиковой температуры в момент сварки. Размер зерна аустенита в области линии сплавления составляет 254 мкм и далее по мере удаления от нее снижается до 65,3 мкм (расстояние 5 мм), 18,1 мкм (расстояние 10 мм). В области линии сплавления формируются перлитные колонии размером 30-55 мкм. В области рафинирования зерна средний размер колонии перлита составил 9 мкм, поскольку они сформированы из рекристаллизованного мелкого аустенита.
4. Найдена модификация перлита с частичной сфероидизацией цементита, отличающаяся от чисто сфероидизированной морфологии тем, что цементитные пластинки внешне выглядят, как пластиночные, но уже диспергированы и сформированы в многочисленные сферы, которые находятся в площади «материнской» пластины цементита и имеют низкие значения микротвердости.
5. Установлено, что характерной особенностью перлитной структуры металла ЗТВ являются ее дефектность и несовершенство в виде разрывов, разветвлений, отверстий, мостиков и искривлений, изгибов и кривизны цементитных пластин в перлитной колонии. На основе зафиксированных особенностей структуры перлита вычислены параметры качественных отношений, в частности, соотношение толщин пластин цементита и феррита для каждой области ЗТВ.
6. Показано, что механические свойства металла со структурой перлита в ЗТВ рельсового стыка связаны с микроструктурными параметрами (межпластинчатым расстоянием, размером колонии и размером блока, толщиной ферритной и цементитной пластины). Установлено, что межпластинчатое расстояние строго контролирует прочность пластинчатого перлита. С помощью регрессионного анализа микроструктурных параметров установлено, что размер перлитной колонии является важным структурным параметром, контролирующим ударную вязкость, т.к. границы колоний могут выступать в качестве препятствий для распространения трещин расщепления. Установлено, что около 70% измеренных большеугловых границ варьирующиеся в диапазоне от 19° до 33° могут эффективно препятствовать распространению трещины.
7. С помощью фрактографического анализа найдено, что размер граней скола на поверхностях разрушения варьируется от нескольких микрон до нескольких десятков микрон. Показано, что размер зерна аустенита (в диапазоне от 20 до 60 мкм) не влияет на ударную вязкость. Блоком управления ударной вязкости рельсовой стали является размер перлитной колонии...
