Помощь студентам в учебе
ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ДИФФЕРЕНЦИРОВАННО ЗАКАЛЕННЫХ РЕЛЬСОВ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
|
Содержание
Введение 4
Глава 1. ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРНОФАЗОВЫХ СОСТОЯНИЙ И СВОЙСТВ РЕЛЬСОВ 14
1.1. Изменение структуры и фазового состава в рельсовых сталях 14
1.2. Роль V и Nb в формировании структуры и свойств высокопрочного рельса 17
1.3. Стали перлитного класса: влияние различных факторов 18
1.4. Белый слой на поверхности катания рельсов 19
1.5. Упрочнение рельсов: изменение структурно-фазового состояния 21
1.6. Выводы из литературного обзора и постановка задач исследования 29
Глава 2. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МЕТОДИКИ .. 31
2.1 Рельсы - материал для исследования 31
2.2 Способы изучения структуры 31
2.2.1 Металлографический анализ 31
2.2.2 Рентгеноструктурный анализ (РСА) 31
2.2.3 Просвечивающая электронная дифракционная микроскопия (ПЭМ) ... 32
2.3 Способы изучения механических свойств 34
Глава 3. СТРУКТУРА И ДЕФЕКТНАЯ СУБСТРУКТУРА ДЛИННОМЕРНЫХ ЗАКАЛЕННЫХ РЕЛЬСОВ В ИСХОДНОМ СОСТОЯНИИ 35
Выводы по главе 3 45
Глава 4. ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ РЕЛЬСОВ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ 47
4.1. Методы оценки качества длинномерных закаленных рельсов 47
4.2. Изменение структуры рельсов при эксплуатации 52
4.3. Формирование градиентов структуры и фазового состава рельсов 67
4.4. Изменение пластинчатого перлита при пропущенном тоннаже 691,8 млн
тонн 71
Заключение 76
4.5. Перераспределение углерода при эксплуатации рельсов 77
Заключение 80
4.6. Пропущенный тоннаж 1411 млн тон (структура и свойства рельсов) 81
4.7. Основные механические и трибологические параметры 94
Глава 5. СТРУКТУРНО-МАСШТАБНЫЕ УРОВНИ ЭВОЛЮЦИИ СТРУКТУРЫ
И СВОЙСТВ РЕЛЬСОВ 98
5.1. Макро- и микромасштабные уровни 98
5.2. Изменение механических свойств при тоннаже 1770 млн. тонн 105
5.3. Образование различных градиентов в головке рельсов (рабочая выкружка)
110
5.4. Образование различных градиентов в головке рельсов 118
Глава 6. МЕХАНИЗМЫ УПРОЧНЕНИЯ РЕЛЬСОВ НА РАЗНЫХ СТАДИЯХ
ПРОПУЩЕННОГО ТОННАЖА 128
6.1. Эксплуатация рельсов с пропущенным тоннажом 691,8; 1411 и 1770 млн.
тонн: количественные оценки упрочнения 128
6.2. Деформационное упрочнение конструкционной стали с перлитной
структурой 133
6.3. Механизмы упрочнения перлитной стали при сжатии 136
Заключение 142
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 143
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 146
Приложение А. Акт об использовании 178
Приложение Б. Акт использования 179
Приложение В. Акт использования 180
Приложение Г. Справка об использовании 181
Приложение Д. Справка об использовании 182
Приложение Е. Справка об использовании 183
Введение 4
Глава 1. ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРНОФАЗОВЫХ СОСТОЯНИЙ И СВОЙСТВ РЕЛЬСОВ 14
1.1. Изменение структуры и фазового состава в рельсовых сталях 14
1.2. Роль V и Nb в формировании структуры и свойств высокопрочного рельса 17
1.3. Стали перлитного класса: влияние различных факторов 18
1.4. Белый слой на поверхности катания рельсов 19
1.5. Упрочнение рельсов: изменение структурно-фазового состояния 21
1.6. Выводы из литературного обзора и постановка задач исследования 29
Глава 2. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МЕТОДИКИ .. 31
2.1 Рельсы - материал для исследования 31
2.2 Способы изучения структуры 31
2.2.1 Металлографический анализ 31
2.2.2 Рентгеноструктурный анализ (РСА) 31
2.2.3 Просвечивающая электронная дифракционная микроскопия (ПЭМ) ... 32
2.3 Способы изучения механических свойств 34
Глава 3. СТРУКТУРА И ДЕФЕКТНАЯ СУБСТРУКТУРА ДЛИННОМЕРНЫХ ЗАКАЛЕННЫХ РЕЛЬСОВ В ИСХОДНОМ СОСТОЯНИИ 35
Выводы по главе 3 45
Глава 4. ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ РЕЛЬСОВ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ 47
4.1. Методы оценки качества длинномерных закаленных рельсов 47
4.2. Изменение структуры рельсов при эксплуатации 52
4.3. Формирование градиентов структуры и фазового состава рельсов 67
4.4. Изменение пластинчатого перлита при пропущенном тоннаже 691,8 млн
тонн 71
Заключение 76
4.5. Перераспределение углерода при эксплуатации рельсов 77
Заключение 80
4.6. Пропущенный тоннаж 1411 млн тон (структура и свойства рельсов) 81
4.7. Основные механические и трибологические параметры 94
Глава 5. СТРУКТУРНО-МАСШТАБНЫЕ УРОВНИ ЭВОЛЮЦИИ СТРУКТУРЫ
И СВОЙСТВ РЕЛЬСОВ 98
5.1. Макро- и микромасштабные уровни 98
5.2. Изменение механических свойств при тоннаже 1770 млн. тонн 105
5.3. Образование различных градиентов в головке рельсов (рабочая выкружка)
110
5.4. Образование различных градиентов в головке рельсов 118
Глава 6. МЕХАНИЗМЫ УПРОЧНЕНИЯ РЕЛЬСОВ НА РАЗНЫХ СТАДИЯХ
ПРОПУЩЕННОГО ТОННАЖА 128
6.1. Эксплуатация рельсов с пропущенным тоннажом 691,8; 1411 и 1770 млн.
тонн: количественные оценки упрочнения 128
6.2. Деформационное упрочнение конструкционной стали с перлитной
структурой 133
6.3. Механизмы упрочнения перлитной стали при сжатии 136
Заключение 142
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 143
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 146
Приложение А. Акт об использовании 178
Приложение Б. Акт использования 179
Приложение В. Акт использования 180
Приложение Г. Справка об использовании 181
Приложение Д. Справка об использовании 182
Приложение Е. Справка об использовании 183
Актуальность темы. Развернутая длина главных путей ОФО «РЖД» является одной из самых протяженных в мире и составляет свыше 125 тыс. км, на которых уложено по разным оценкам до 24 млн. т рельсов, а доля стоимости рельсов в общем объеме работ по капитальному ремонту пути составляет до 70%. В настоящее время на долю железных дорог в мире приходится до 85 % грузооборота и более 50 % пассажирских перевозок. В последнее время наблюдается значительное увеличение интенсивности железнодорожного транспорта и его грузонапряженности, что требует высокой эксплуатационной стойкости рельсов. Для решения этих проблем используется технология дифференцированной закалки 100-метровых рельсов, производство которых в России начато в 2013 г. на АО «Евраз-ЗСМК». Природа и процессы формирования и эволюции структурно-фазовых состояний и свойств поверхностных слоев рельсов при длительной эксплуатации представляют сложный комплекс взаимосвязанных научных и технических вопросов. Важность информации в этой области определяется глубиной понимания фундаментальных проблем физики конденсированного состояния с одной стороны и практической значимостью проблемы с другой, диктуемой ростом требований и надежности рельсов. Рассмотрение поведения рельсов на разных стадиях длительной эксплуатации и анализ причин их изъятия вызывает большой интерес как у производственников, так и исследователей.
Совершенствование режимов дифференцированной закалки длинномерных рельсов для формирования высоких эксплуатационных свойств должно базироваться на знании механизмов структурно-фазовых изменений по сечению рельсов на разных этапах их длительной эксплуатации. Выявление таких механизмов возможно лишь при анализе закономерностей эволюции параметров тонкой структуры и оценки вкладов структурных составляющих и дефектной субструктуры в упрочнение рельсов. В настоящее время это возможно при использовании высокоинформативных методов современного физического
5 материаловедения, в том числе просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), позволяющих проводить комплексный анализ как морфологии и дефектной структуры, так и фазового состава с достаточной степенью локальности по сечению рельсов.
Цель работы: выявление физической природы и механизмов деформационного упрочнения на основе установления закономерностей и сравнительного анализа структуры, фазового состава, дефектной субструктуры и свойств, формирующихся на различных расстояниях по центральной оси и по радиусу скругления выкружки в головке 100-м дифференцированно закаленных рельсов после различных сроков сверхдлительной эксплуатации (пропущенный тоннаж 691,8; 1411 и 1770 млн тонн).
Реализация данной цели потребовала решения следующих задач:
1. Анализ структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры длинномерных рельсов, формирующихся после дифференцированной закалки.
2. Установление градиентного характера изменения относительного содержания различных морфологических типов структуры (пластинчатый перлит; перлит разрушенный; вырожденный перлит; зерна перлита с пластинками наноразмерного цементита; зерна феррита с субмикроскопической зеренно- субзеренной структурой) вдоль центральной оси симметрии и радиуса скругления выкружки головки рельса на глубине до 10 мм при разных сроках сверхдлительной эксплуатации.
3. Проведение анализа стадий и механизмов разрушения пластин цементита по разным направлениям в головке рельсов с разным пропущенным тоннажом. Установление количественных закономерностей перераспределения карбидной фазы и атомов углерода на расстояниях 2, 5, 10 мм от поверхности катания по центральной оси и радиусу скругления выкружки и проведение оценки относительного содержания атомов углерода на структурных элементах стали.
4. Проведение сравнительного анализа количественной оценки механизмов
упрочнения (частицами карбидной фазы, за счет образования перлитной
структуры, дислокационной субструктурой, дальнодействующими полями
6
напряжений, твердорастворным упрочнением) вдоль центральной оси и по
радиусу скругления выкружки для рельсов в исходном состоянии и после
различного объема пропущенного тоннажа.
5. Установление иерархии основных вкладов в упрочнение рельсов в зависимости от направления анализа, расстояния до поверхности и пропущенного тоннажа. Теоретическая оценка аддитивного предела текучести и физическая интерпретация его изменения с увеличением сроков эксплуатации рельсов.
6. Исследование эволюции структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры рельсовой стали при деформации сжатием до разрушения и анализ механизмов упрочнения при разных степенях деформации.
Степень разработанности темы. Анализ литературных данных отечественных и зарубежных исследователей последних лет показывает, что срок службы и эксплуатационная стойкость объемно и дифференцированно закаленных рельсов во многом определяется структурно-фазовым состоянием, механическими свойствами, условиями эксплуатации и т.д. В рельсах при современных скоростях движения железнодорожных составов и высоких контактных давлениях уже при сравнительно небольшом пропущенном тоннаже в поверхностных слоях наблюдается сильное изменение структуры, отмечается аномально высокое значение микротвердости и распад цементита. В процессе длительной эксплуатации в объемно закаленных рельсах при пропущенном тоннаже 500-1000 млн. тонн накапливаются многочисленные дефекты, индуцируются сегрегационные, релаксационные, гомогенизационные и рекристаллизационные процессы; фазовые переходы, что может сопровождаться ухудшением физикомеханических свойств и являться причинами выхода рельсов из строя. Значение механизмов и закономерностей эволюции структурных фазовых состояний, дислокационной субструктуры и свойств в поверхностных слоях головки рельсов после различных сроков длительной эксплуатации необходимо для совершенствования технологии производства дифференцированно закаленных рельсов и создания специальных видов рельсов (для высокоскоростного движения, повышенной износостойкости, низкотемпературной надежности).
Анализ исследований по проблеме установления физических механизмов упрочнения и формирования структурно-фазовых состояний в рельсах при длительной эксплуатации позволяет констатировать, что эта проблема является одной из ключевых для физики конденсированного состояния.
Научная новизна. Методами современного физического материаловедения впервые проведены комплексные количественные исследования структуры, фазового состава, дефектной субструктуры, механических свойств на различном расстоянии от поверхности катания по центральной оси и по выкружке 100метровых дифференцированно закаленных рельсов после длительной эксплуатации (пропущенный тоннаж 691,8; 1411 и 1770 млн. тонн брутто). Установлены закономерности изменения содержания морфологических типов структуры и плотности дислокаций в сечении головки рельсов. Дана физическая интерпретация изменения скалярной и избыточной плотности дислокаций с увеличением пропущенного тоннажа. Прослежено перераспределение карбидной фазы и атомов углерода в структуре рельсов при длительной эксплуатации разных сроков. Показано, что эти процессы в поверхностном слое выкружки развиты сильнее, чем на поверхности катания. Выполнена количественная оценка механизмов упрочнения поверхностных слоев рельсов по центральной оси и по выкружке после длительной эксплуатации и установлена их иерархия. Проведены теоретические оценки аддитивного предела текучести по разным направлениям в головке рельсов после разного пропущенного тоннажа. Для рельсов после пропущенного тоннажа 691,8 млн. тонн независимо от направления анализа и расстояния до рабочей поверхности основной вклад в упрочнение вносит дислокационная субструктура. После пропущенного тоннажа 1411 млн тонн основным механизмом упрочнения в поверхностном слое является независимо от направления анализа субструктурный механизм, а после 1770 млн тонн - субструктурный для рабочей выкружки и механизм, обусловленный внутренними полями напряжений, для поверхности катания. Выполнен анализ эволюции структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры рельсовой стали при деформации сжатием до разрушения. При анализе деформационных кривых, полученных экспериментально и рассчитанных теоретически, установлено их хорошее соответствие.
Научная и практическая значимость работы. Сформирован банк данных о закономерностях формирования структурно-фазовых состояний и дислокационной субструктуры, распределения карбидной фазы и атомов углерода в головке длинномерных дифференцированно закаленных рельсов по центральной оси и по выкружке после длительной эксплуатации. Отмечен 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. Выявлена физическая природа и механизмы упрочнения поверхностных слоев рельсов по различным направлениям при длительной эксплуатации и объеме рельсовой стали при сжатии до разрушения (с(е)).
Научные результаты работы могут быть использованы для развития теории структурно-фазовых превращений в сталях с перлитной структурой, а основные положения диссертации представляют интерес как учебный материал в курсе лекций по физике конденсированного состояния, физического материаловедения, металловедения и термообработки. Полученные экспериментальные результаты и теоретические оценки могут быть использованы при корректировке режимов термомеханического упрочнения, разработке методик неразрушающего контроля и мониторинге состояния рельсов и создании рельсов специального назначения.
Практическая значимость заключается в использовании результатов работы при сравнительном анализе и корректировке режимов термомеханического упрочнения рельсов, разработке методик неразрушающего контроля, обосновании сокращения сроков регламентных работ по проверке состояния рельсов после длительной эксплуатации. Полученные экспериментальные результаты могут быть использованы для развития теории структурно-фазовых превращений в перлитных сталях при интенсивной пластической деформации. Результаты диссертации апробированы при
9 проведении научных исследований в Сибирском государственном индустриальном университете и учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Материаловедение и технологии материалов». Практическая значимость подтверждена актами использования результатов.
Методология и методы исследования. Задачи диссертационной работы направлены на выявление закономерностей формирования структуры, фазового состава, дефектной субструктуры и свойств по центральной оси и по выкружке в головке длинномерных дифференцированно закаленных рельсов после различных сроков длительной эксплуатации. Диссертация является продолжением исследований рельсов, проводимых в Сибирском государственном индустриальном университете в течение последних 30 лет, итогом которых стала защита шести кандидатских диссертаций (В.А. Бердышев, В.А. Гришунин, К.В. Морозов, О.А. Перегудов, Юрьев А.А., Р.В. Кузнецов) по физике конденсированного состояния.
Экспериментальные исследования проводились с использованием аналитического и испытательного оборудования кафедры естественнонаучных дисциплин имени профессора В.М. Финкеля, центра коллективного пользования «Материаловедение» при Сибирском государственном индустриальном университете, Томского материаловедческого центра коллективного пользования при Национальном исследовательском Томском государственном университете. Использовались оптический микроскоп Olympus GX-51, рентгеновский дифрактометр Shimadzu XRD 6000, просвечивающий электронный дифракционный микроскоп JEOL JEM-2100F. Трибологические свойства изучали с помощью трибометра CSEM при комнатной температуре.
Достоверность экспериментальных результатов и обоснованность выводов обеспечиваются корректностью постановки задач исследования, комплексным подходом к их решению с использованием современных методов и методик, детальным анализом процессов в рельсах при длительной эксплуатации, установлением взаимосвязей между различными структурными характеристиками, широким привлечением статистических методов обработки
результатов, анализом литературных данных и критическим сопоставлением установленных в работе закономерностей фактам, полученным другими исследователями.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Физическая природа преобразования структурно-фазовых состояний и свойств рельсов при эксплуатации. Градиентный характер изменения скалярной и избыточной плотности дислокаций, твердости и микротвердости, относительного содержания морфологических типов структуры вдоль центральной оси и по радиусу скругления выкружки в рельсах с разным пропущенным тоннажом.
2. Результаты сравнительного анализа перераспределения карбидной фазы и атомов углерода, стадий и механизмов разрушения пластин цементита по разным направлениям в головке рельсов с разным пропущенным тоннажом, на расстояниях 2, 5, 10 мм от поверхности.
3. Сравнительный анализ количественной оценки физических механизмов упрочнения поверхностных слоев рельсов на разном расстоянии от поверхности по центральной оси и радиусу скругления выкружки после пропущенного тоннажа 0; 691,8; 1411 и 1770 млн. тонн брутто.
4. Иерархия основных вкладов в упрочнение рельсовой стали в зависимости от направления анализа (по центральной оси и радиусу скругления), расстояния до поверхности катания и пропущенного тоннажа в головке рельсов.
5. Теоретические оценки аддитивного предела текучести по разным направлениям в головке рельсов (по центральной оси и радиусу скругления), на различных расстояниях и пропущенном тоннаже. Физическая интерпретация немонотонного изменения предела текучести с увеличением срока эксплуатации.
6. Результаты количественной оценки параметров структурно-фазовых
состояний и дефектной субструктуры рельсовой стали при деформации сжатием до разрушения и анализ механизмов деформационного упрочнения при разных степенях деформации.
Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, обработке и анализе результатов исследований методами современного физического материаловедения, сопоставлении полученных данных с результатами других авторов, написании статей и тезисов докладов, формулировании основных выводов. Результаты, представленные в работе, получены лично автором или при его непосредственном участии, в рамках ряда проектов в сотрудничестве с коллективами образовательных и научных подразделений Сибирского государственного индустриального университета.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях, чтениях, семинарах и школах: XIV Международном семинаре «Структурные основы модифицирования материалов МНТ-XIV», Обнинск, 2017; LVIII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», Пермь, 2017; Седьмой Международной конференции «Кристаллофизика и деформационное поведение перспективных материалов посвященной памяти проф. С.С. Горелика», Москва, 2017; XIV International Conference on Nanostructured Materials, г. Hong Kong, 2018 г.; XXIII Петербургских чтениях по проблемам прочности, Санкт-Петербург, 2018; 60-й Международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности», Витебск, 2018; XVIII Уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых, Екатеринбург, 2018; XXIII Петербургских чтениях по проблемам прочности», посвященные 100-летию ФТИ им. А.Ф. Иоффе и 110-летию со дня рождения чл.- корр. АН СССР А.В. Степанова, 2018г.; 60-й международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности», Витебск, Беларусь, 2018; Х Международной конференции, посвященной памяти академика Г.В. Курдюмова «Фазовые превращения и прочность кристаллов», Черноголовка, 2018; ХШ ежегодном заседании Научного Совета по физике конденсированных сред при отделении физических наук РАН и научно-практическом семинаре «Актуальные проблемы физики конденсированных сред», Черноголовка 2020; «Кристаллофизика и деформационное поведение перспективных материалов» IX Международной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения
12
академика Б. К. Вайнштейна, Москва, 2021; IV Международной школе молодых
ученых «Актуальные проблемы современного материаловедения», Москва, 2021;
международном симпозиуме «Перспективные материалы и технологии»
материалы, Минск, 2021; X Международной школе, посвященной 10-летию
лаборатории «Физика прочности и интеллектуальные диагностические системы»,
2021; LXIII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности»,
посвященной 70-летию Тольяттинского государственного университета,
Тольятти, 2021; 11th, 12th International online symposium on materials in external fields (2022, 2023), Novokuznetsk, 2022, 2023; 3-я Международной научнопрактической конференции «Современные проблемы и направления развития металловедения и термической обработки металлов и сплавов», Курск, 2022; XII Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов», памяти академика Г.В. Курдюмова, Черноголовка, 2022; XXIII Международной научно-практической конференции «Металлургия: технологии, инновации, качество», Новокузнецк, 2022.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует специальности 1.3.8 - Физика конденсированного состояния пп. 1 и 7 (п. 1 «Экспериментальное изучение физической природы и свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и, в том числе, материалов световодов как в твердом (кристаллы, поликристаллы), так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления», п. 7 «Технические и технологические приложения физики конденсированного состояния»).
Публикации.
По теме диссертационной работы опубликовано 51 работа, из них 18 рецензируемые публикации в изданиях, рекомендованных ВАК, 21 публикация в изданиях, индексируемых базами данных Scopus или Web of Science, 7 монографий и глав в коллективных монографиях, 5 публикаций в сборниках
13 трудов конференций и прочих научных журналах, зарегистрировано 2 базы данных.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация включает в себя введение, 6 глав, основные выводы, список литературы из 271 наименований, 6 приложений, изложена на 183 страницах машинописного текста, содержит 122 рисунка, 29 таблиц.
Совершенствование режимов дифференцированной закалки длинномерных рельсов для формирования высоких эксплуатационных свойств должно базироваться на знании механизмов структурно-фазовых изменений по сечению рельсов на разных этапах их длительной эксплуатации. Выявление таких механизмов возможно лишь при анализе закономерностей эволюции параметров тонкой структуры и оценки вкладов структурных составляющих и дефектной субструктуры в упрочнение рельсов. В настоящее время это возможно при использовании высокоинформативных методов современного физического
5 материаловедения, в том числе просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), позволяющих проводить комплексный анализ как морфологии и дефектной структуры, так и фазового состава с достаточной степенью локальности по сечению рельсов.
Цель работы: выявление физической природы и механизмов деформационного упрочнения на основе установления закономерностей и сравнительного анализа структуры, фазового состава, дефектной субструктуры и свойств, формирующихся на различных расстояниях по центральной оси и по радиусу скругления выкружки в головке 100-м дифференцированно закаленных рельсов после различных сроков сверхдлительной эксплуатации (пропущенный тоннаж 691,8; 1411 и 1770 млн тонн).
Реализация данной цели потребовала решения следующих задач:
1. Анализ структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры длинномерных рельсов, формирующихся после дифференцированной закалки.
2. Установление градиентного характера изменения относительного содержания различных морфологических типов структуры (пластинчатый перлит; перлит разрушенный; вырожденный перлит; зерна перлита с пластинками наноразмерного цементита; зерна феррита с субмикроскопической зеренно- субзеренной структурой) вдоль центральной оси симметрии и радиуса скругления выкружки головки рельса на глубине до 10 мм при разных сроках сверхдлительной эксплуатации.
3. Проведение анализа стадий и механизмов разрушения пластин цементита по разным направлениям в головке рельсов с разным пропущенным тоннажом. Установление количественных закономерностей перераспределения карбидной фазы и атомов углерода на расстояниях 2, 5, 10 мм от поверхности катания по центральной оси и радиусу скругления выкружки и проведение оценки относительного содержания атомов углерода на структурных элементах стали.
4. Проведение сравнительного анализа количественной оценки механизмов
упрочнения (частицами карбидной фазы, за счет образования перлитной
структуры, дислокационной субструктурой, дальнодействующими полями
6
напряжений, твердорастворным упрочнением) вдоль центральной оси и по
радиусу скругления выкружки для рельсов в исходном состоянии и после
различного объема пропущенного тоннажа.
5. Установление иерархии основных вкладов в упрочнение рельсов в зависимости от направления анализа, расстояния до поверхности и пропущенного тоннажа. Теоретическая оценка аддитивного предела текучести и физическая интерпретация его изменения с увеличением сроков эксплуатации рельсов.
6. Исследование эволюции структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры рельсовой стали при деформации сжатием до разрушения и анализ механизмов упрочнения при разных степенях деформации.
Степень разработанности темы. Анализ литературных данных отечественных и зарубежных исследователей последних лет показывает, что срок службы и эксплуатационная стойкость объемно и дифференцированно закаленных рельсов во многом определяется структурно-фазовым состоянием, механическими свойствами, условиями эксплуатации и т.д. В рельсах при современных скоростях движения железнодорожных составов и высоких контактных давлениях уже при сравнительно небольшом пропущенном тоннаже в поверхностных слоях наблюдается сильное изменение структуры, отмечается аномально высокое значение микротвердости и распад цементита. В процессе длительной эксплуатации в объемно закаленных рельсах при пропущенном тоннаже 500-1000 млн. тонн накапливаются многочисленные дефекты, индуцируются сегрегационные, релаксационные, гомогенизационные и рекристаллизационные процессы; фазовые переходы, что может сопровождаться ухудшением физикомеханических свойств и являться причинами выхода рельсов из строя. Значение механизмов и закономерностей эволюции структурных фазовых состояний, дислокационной субструктуры и свойств в поверхностных слоях головки рельсов после различных сроков длительной эксплуатации необходимо для совершенствования технологии производства дифференцированно закаленных рельсов и создания специальных видов рельсов (для высокоскоростного движения, повышенной износостойкости, низкотемпературной надежности).
Анализ исследований по проблеме установления физических механизмов упрочнения и формирования структурно-фазовых состояний в рельсах при длительной эксплуатации позволяет констатировать, что эта проблема является одной из ключевых для физики конденсированного состояния.
Научная новизна. Методами современного физического материаловедения впервые проведены комплексные количественные исследования структуры, фазового состава, дефектной субструктуры, механических свойств на различном расстоянии от поверхности катания по центральной оси и по выкружке 100метровых дифференцированно закаленных рельсов после длительной эксплуатации (пропущенный тоннаж 691,8; 1411 и 1770 млн. тонн брутто). Установлены закономерности изменения содержания морфологических типов структуры и плотности дислокаций в сечении головки рельсов. Дана физическая интерпретация изменения скалярной и избыточной плотности дислокаций с увеличением пропущенного тоннажа. Прослежено перераспределение карбидной фазы и атомов углерода в структуре рельсов при длительной эксплуатации разных сроков. Показано, что эти процессы в поверхностном слое выкружки развиты сильнее, чем на поверхности катания. Выполнена количественная оценка механизмов упрочнения поверхностных слоев рельсов по центральной оси и по выкружке после длительной эксплуатации и установлена их иерархия. Проведены теоретические оценки аддитивного предела текучести по разным направлениям в головке рельсов после разного пропущенного тоннажа. Для рельсов после пропущенного тоннажа 691,8 млн. тонн независимо от направления анализа и расстояния до рабочей поверхности основной вклад в упрочнение вносит дислокационная субструктура. После пропущенного тоннажа 1411 млн тонн основным механизмом упрочнения в поверхностном слое является независимо от направления анализа субструктурный механизм, а после 1770 млн тонн - субструктурный для рабочей выкружки и механизм, обусловленный внутренними полями напряжений, для поверхности катания. Выполнен анализ эволюции структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры рельсовой стали при деформации сжатием до разрушения. При анализе деформационных кривых, полученных экспериментально и рассчитанных теоретически, установлено их хорошее соответствие.
Научная и практическая значимость работы. Сформирован банк данных о закономерностях формирования структурно-фазовых состояний и дислокационной субструктуры, распределения карбидной фазы и атомов углерода в головке длинномерных дифференцированно закаленных рельсов по центральной оси и по выкружке после длительной эксплуатации. Отмечен 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. Выявлена физическая природа и механизмы упрочнения поверхностных слоев рельсов по различным направлениям при длительной эксплуатации и объеме рельсовой стали при сжатии до разрушения (с(е)).
Научные результаты работы могут быть использованы для развития теории структурно-фазовых превращений в сталях с перлитной структурой, а основные положения диссертации представляют интерес как учебный материал в курсе лекций по физике конденсированного состояния, физического материаловедения, металловедения и термообработки. Полученные экспериментальные результаты и теоретические оценки могут быть использованы при корректировке режимов термомеханического упрочнения, разработке методик неразрушающего контроля и мониторинге состояния рельсов и создании рельсов специального назначения.
Практическая значимость заключается в использовании результатов работы при сравнительном анализе и корректировке режимов термомеханического упрочнения рельсов, разработке методик неразрушающего контроля, обосновании сокращения сроков регламентных работ по проверке состояния рельсов после длительной эксплуатации. Полученные экспериментальные результаты могут быть использованы для развития теории структурно-фазовых превращений в перлитных сталях при интенсивной пластической деформации. Результаты диссертации апробированы при
9 проведении научных исследований в Сибирском государственном индустриальном университете и учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Материаловедение и технологии материалов». Практическая значимость подтверждена актами использования результатов.
Методология и методы исследования. Задачи диссертационной работы направлены на выявление закономерностей формирования структуры, фазового состава, дефектной субструктуры и свойств по центральной оси и по выкружке в головке длинномерных дифференцированно закаленных рельсов после различных сроков длительной эксплуатации. Диссертация является продолжением исследований рельсов, проводимых в Сибирском государственном индустриальном университете в течение последних 30 лет, итогом которых стала защита шести кандидатских диссертаций (В.А. Бердышев, В.А. Гришунин, К.В. Морозов, О.А. Перегудов, Юрьев А.А., Р.В. Кузнецов) по физике конденсированного состояния.
Экспериментальные исследования проводились с использованием аналитического и испытательного оборудования кафедры естественнонаучных дисциплин имени профессора В.М. Финкеля, центра коллективного пользования «Материаловедение» при Сибирском государственном индустриальном университете, Томского материаловедческого центра коллективного пользования при Национальном исследовательском Томском государственном университете. Использовались оптический микроскоп Olympus GX-51, рентгеновский дифрактометр Shimadzu XRD 6000, просвечивающий электронный дифракционный микроскоп JEOL JEM-2100F. Трибологические свойства изучали с помощью трибометра CSEM при комнатной температуре.
Достоверность экспериментальных результатов и обоснованность выводов обеспечиваются корректностью постановки задач исследования, комплексным подходом к их решению с использованием современных методов и методик, детальным анализом процессов в рельсах при длительной эксплуатации, установлением взаимосвязей между различными структурными характеристиками, широким привлечением статистических методов обработки
результатов, анализом литературных данных и критическим сопоставлением установленных в работе закономерностей фактам, полученным другими исследователями.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Физическая природа преобразования структурно-фазовых состояний и свойств рельсов при эксплуатации. Градиентный характер изменения скалярной и избыточной плотности дислокаций, твердости и микротвердости, относительного содержания морфологических типов структуры вдоль центральной оси и по радиусу скругления выкружки в рельсах с разным пропущенным тоннажом.
2. Результаты сравнительного анализа перераспределения карбидной фазы и атомов углерода, стадий и механизмов разрушения пластин цементита по разным направлениям в головке рельсов с разным пропущенным тоннажом, на расстояниях 2, 5, 10 мм от поверхности.
3. Сравнительный анализ количественной оценки физических механизмов упрочнения поверхностных слоев рельсов на разном расстоянии от поверхности по центральной оси и радиусу скругления выкружки после пропущенного тоннажа 0; 691,8; 1411 и 1770 млн. тонн брутто.
4. Иерархия основных вкладов в упрочнение рельсовой стали в зависимости от направления анализа (по центральной оси и радиусу скругления), расстояния до поверхности катания и пропущенного тоннажа в головке рельсов.
5. Теоретические оценки аддитивного предела текучести по разным направлениям в головке рельсов (по центральной оси и радиусу скругления), на различных расстояниях и пропущенном тоннаже. Физическая интерпретация немонотонного изменения предела текучести с увеличением срока эксплуатации.
6. Результаты количественной оценки параметров структурно-фазовых
состояний и дефектной субструктуры рельсовой стали при деформации сжатием до разрушения и анализ механизмов деформационного упрочнения при разных степенях деформации.
Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, обработке и анализе результатов исследований методами современного физического материаловедения, сопоставлении полученных данных с результатами других авторов, написании статей и тезисов докладов, формулировании основных выводов. Результаты, представленные в работе, получены лично автором или при его непосредственном участии, в рамках ряда проектов в сотрудничестве с коллективами образовательных и научных подразделений Сибирского государственного индустриального университета.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях, чтениях, семинарах и школах: XIV Международном семинаре «Структурные основы модифицирования материалов МНТ-XIV», Обнинск, 2017; LVIII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», Пермь, 2017; Седьмой Международной конференции «Кристаллофизика и деформационное поведение перспективных материалов посвященной памяти проф. С.С. Горелика», Москва, 2017; XIV International Conference on Nanostructured Materials, г. Hong Kong, 2018 г.; XXIII Петербургских чтениях по проблемам прочности, Санкт-Петербург, 2018; 60-й Международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности», Витебск, 2018; XVIII Уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых, Екатеринбург, 2018; XXIII Петербургских чтениях по проблемам прочности», посвященные 100-летию ФТИ им. А.Ф. Иоффе и 110-летию со дня рождения чл.- корр. АН СССР А.В. Степанова, 2018г.; 60-й международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности», Витебск, Беларусь, 2018; Х Международной конференции, посвященной памяти академика Г.В. Курдюмова «Фазовые превращения и прочность кристаллов», Черноголовка, 2018; ХШ ежегодном заседании Научного Совета по физике конденсированных сред при отделении физических наук РАН и научно-практическом семинаре «Актуальные проблемы физики конденсированных сред», Черноголовка 2020; «Кристаллофизика и деформационное поведение перспективных материалов» IX Международной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения
12
академика Б. К. Вайнштейна, Москва, 2021; IV Международной школе молодых
ученых «Актуальные проблемы современного материаловедения», Москва, 2021;
международном симпозиуме «Перспективные материалы и технологии»
материалы, Минск, 2021; X Международной школе, посвященной 10-летию
лаборатории «Физика прочности и интеллектуальные диагностические системы»,
2021; LXIII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности»,
посвященной 70-летию Тольяттинского государственного университета,
Тольятти, 2021; 11th, 12th International online symposium on materials in external fields (2022, 2023), Novokuznetsk, 2022, 2023; 3-я Международной научнопрактической конференции «Современные проблемы и направления развития металловедения и термической обработки металлов и сплавов», Курск, 2022; XII Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов», памяти академика Г.В. Курдюмова, Черноголовка, 2022; XXIII Международной научно-практической конференции «Металлургия: технологии, инновации, качество», Новокузнецк, 2022.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует специальности 1.3.8 - Физика конденсированного состояния пп. 1 и 7 (п. 1 «Экспериментальное изучение физической природы и свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и, в том числе, материалов световодов как в твердом (кристаллы, поликристаллы), так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления», п. 7 «Технические и технологические приложения физики конденсированного состояния»).
Публикации.
По теме диссертационной работы опубликовано 51 работа, из них 18 рецензируемые публикации в изданиях, рекомендованных ВАК, 21 публикация в изданиях, индексируемых базами данных Scopus или Web of Science, 7 монографий и глав в коллективных монографиях, 5 публикаций в сборниках
13 трудов конференций и прочих научных журналах, зарегистрировано 2 базы данных.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация включает в себя введение, 6 глав, основные выводы, список литературы из 271 наименований, 6 приложений, изложена на 183 страницах машинописного текста, содержит 122 рисунка, 29 таблиц.
Методами современного физического материаловедения проведены исследования структуры, фазового состава, дефектной субструктуры и трибологических свойств, формирующихся на различных расстояниях по центральной оси и по выкружке в головке дифференцированно закаленных рельсов после пропущенного тоннажа 691,8, 1411 и 1770 млн. тонн брутто и выявлена физическая природа деформационного упрочнения.
1. В исходном состоянии структура рельсовой стали представлена зернами перлита и пластинчатой морфологии, зернами структурно-свободного феррита и зернами феррито-карбидной смеси, относительное содержание, которых зависит от глубины залегания исследуемых слоев. Независимо от расстояния до поверхности катания по выкружке доля зерен пластинчатого перлита ниже, а зерен феррито-карбидной смеси выше, чем по центральной оси. Величина межпластинчатого расстояния снижается при удалении от поверхности головки рельсов.
2. Длительная эксплуатация рельсов сопровождается значительным преобразованием структурно-фазовых состояний рельсовой стали. Установлен градиентный характер изменения относительного содержания различных типов структуры (пластинчатый перлит: перлит разрушенный, вырожденный перлит (феррито-карбидная смесь); зерна перлита с пластинами феррита, содержащими наноразмерный цементит; зерна феррита с субмикрокристаллической зеренно- субзеренной структурой) вдоль центральной оси симметрии и радиуса скругления выкружки головки рельса.
3. Выявлены количественные характеристики немонотонного изменения скалярной «р» и избыточной р± плотности дислокаций в зависимости от расстояния от поверхности катания по радиусу скругления выкружки и по центральной оси симметрии головки. Независимо от места анализа <р> ниже величины р±, что указывает на упругий характер изгиба-кручения решетки. Величина р±, измеренная в поверхностном слое вдоль центральной оси и вдоль радиуса скругления выкружки более, чем в 2 раза превышает эту характеристика дефектной субструктуры, выявленную в слое на глубине 10 мм. Дана физическая интерпретация изменения «р» и р± с увеличением пропущенного тоннажа.
4. Проанализированы стадии и процессы 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). Выявлено, что на заключительном этапе растворения цементита уже при пропущенном тоннаже 1411 млн тонн весь объем материала, ранее занимаемый цементитной пластиной, заполняется наноразмерными частицами.
5. Выявлены количественные закономерности снижения объемной карбидной фазы в поверхностном слое на расстояниях 2,5,10 мм от поверхности катания по центральной оси и радиусу скругления выкружки, что может быть обусловлено как обезуглероживанием поверхностного слоя, так и выходом атомов углерода на дефекты структуры стали. При этом данный процесс в поверхностном слое выкружки развит в значительно большей степени по сравнению с поверхностью катания.
6. Выполнены оценки относительного содержания атомов углерода на структурных элементах стали. Показано, что если в исходном состоянии основное количество атомов углерода сосредоточено в частицах цементита (0,74% вес), то после длительной эксплуатации рельсов местом расположения углерода наряду с частицами цементита, являются дефекты кристаллической структуры (дислокации, границы зерен и субзерен). Для пропущенного тоннажа 1770 млн тонн концентрация углерода составляет 0,24% вес и 0,4% вес на поверхности катания и поверхности выкружки, соответственно.
7. Проведен сравнительный анализ количественной оценки механизмов упрочнения, обусловленного упрочнением частицами карбидной фазы, упрочнением за счет образования перлитной структуры и формирования дислокационной субструктуры, упрочнением дальнодействующими полями
145 напряжений и твердорастворным упрочнением для исходного состояния и после различных объемов пропущенного тоннажа.
8. Установлено, что для рельсов после пропущенного тоннажа 691,8 млн тонн независимо от направления анализа и расстояния до рабочей поверхности основной вклад в упрочнение вносит дислокационная субструктура. После пропущенного тоннажа 1411 млн тонн основным механизмом упрочнения металла в поверхностном слое (слое, формирующем поверхность головки) является независимо от направления анализа субструктурный механизм, а после 1770 млн тонн - субструктурный для рабочей выкружки и механизм, обусловленный внутренними полями напряжений, для поверхности катания.
9. На основе многофакторного анализа упрочнения выполнены теоретические оценки аддитивного предела текучести по разным направлениям в головке рельсов после различного пропущенного тоннажа и дано физическое объяснение выявленного несоответствия изменения предела текучести с увеличением сроков эксплуатации.
10. Исследована эволюция структурно-фазовых состояний и дислокационной субструктуры рельсовой стали при деформации одноосным сжатием до разрушения, проведен анализ механизмов упрочнения при разных степенях деформации. Выполнен сравнительный анализ деформационных кривых, полученных экспериментально и рассчитанных теоретически и показано хорошее их согласие.
1. В исходном состоянии структура рельсовой стали представлена зернами перлита и пластинчатой морфологии, зернами структурно-свободного феррита и зернами феррито-карбидной смеси, относительное содержание, которых зависит от глубины залегания исследуемых слоев. Независимо от расстояния до поверхности катания по выкружке доля зерен пластинчатого перлита ниже, а зерен феррито-карбидной смеси выше, чем по центральной оси. Величина межпластинчатого расстояния снижается при удалении от поверхности головки рельсов.
2. Длительная эксплуатация рельсов сопровождается значительным преобразованием структурно-фазовых состояний рельсовой стали. Установлен градиентный характер изменения относительного содержания различных типов структуры (пластинчатый перлит: перлит разрушенный, вырожденный перлит (феррито-карбидная смесь); зерна перлита с пластинами феррита, содержащими наноразмерный цементит; зерна феррита с субмикрокристаллической зеренно- субзеренной структурой) вдоль центральной оси симметрии и радиуса скругления выкружки головки рельса.
3. Выявлены количественные характеристики немонотонного изменения скалярной «р» и избыточной р± плотности дислокаций в зависимости от расстояния от поверхности катания по радиусу скругления выкружки и по центральной оси симметрии головки. Независимо от места анализа <р> ниже величины р±, что указывает на упругий характер изгиба-кручения решетки. Величина р±, измеренная в поверхностном слое вдоль центральной оси и вдоль радиуса скругления выкружки более, чем в 2 раза превышает эту характеристика дефектной субструктуры, выявленную в слое на глубине 10 мм. Дана физическая интерпретация изменения «р» и р± с увеличением пропущенного тоннажа.
4. Проанализированы стадии и процессы 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). Выявлено, что на заключительном этапе растворения цементита уже при пропущенном тоннаже 1411 млн тонн весь объем материала, ранее занимаемый цементитной пластиной, заполняется наноразмерными частицами.
5. Выявлены количественные закономерности снижения объемной карбидной фазы в поверхностном слое на расстояниях 2,5,10 мм от поверхности катания по центральной оси и радиусу скругления выкружки, что может быть обусловлено как обезуглероживанием поверхностного слоя, так и выходом атомов углерода на дефекты структуры стали. При этом данный процесс в поверхностном слое выкружки развит в значительно большей степени по сравнению с поверхностью катания.
6. Выполнены оценки относительного содержания атомов углерода на структурных элементах стали. Показано, что если в исходном состоянии основное количество атомов углерода сосредоточено в частицах цементита (0,74% вес), то после длительной эксплуатации рельсов местом расположения углерода наряду с частицами цементита, являются дефекты кристаллической структуры (дислокации, границы зерен и субзерен). Для пропущенного тоннажа 1770 млн тонн концентрация углерода составляет 0,24% вес и 0,4% вес на поверхности катания и поверхности выкружки, соответственно.
7. Проведен сравнительный анализ количественной оценки механизмов упрочнения, обусловленного упрочнением частицами карбидной фазы, упрочнением за счет образования перлитной структуры и формирования дислокационной субструктуры, упрочнением дальнодействующими полями
145 напряжений и твердорастворным упрочнением для исходного состояния и после различных объемов пропущенного тоннажа.
8. Установлено, что для рельсов после пропущенного тоннажа 691,8 млн тонн независимо от направления анализа и расстояния до рабочей поверхности основной вклад в упрочнение вносит дислокационная субструктура. После пропущенного тоннажа 1411 млн тонн основным механизмом упрочнения металла в поверхностном слое (слое, формирующем поверхность головки) является независимо от направления анализа субструктурный механизм, а после 1770 млн тонн - субструктурный для рабочей выкружки и механизм, обусловленный внутренними полями напряжений, для поверхности катания.
9. На основе многофакторного анализа упрочнения выполнены теоретические оценки аддитивного предела текучести по разным направлениям в головке рельсов после различного пропущенного тоннажа и дано физическое объяснение выявленного несоответствия изменения предела текучести с увеличением сроков эксплуатации.
10. Исследована эволюция структурно-фазовых состояний и дислокационной субструктуры рельсовой стали при деформации одноосным сжатием до разрушения, проведен анализ механизмов упрочнения при разных степенях деформации. Выполнен сравнительный анализ деформационных кривых, полученных экспериментально и рассчитанных теоретически и показано хорошее их согласие.