IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Увеличение объема грузоперевозок, интенсивности движения с одновременным ростом нагрузок на ось приводят к значительному износу поверхности катания и выходу рельсов из строя. Уже после сравнительно небольших сроков эксплуатации (пропущенный тоннаж 100-500 млн. тонн брутто) наблюдается формирование структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры, характерных для интенсивных (мегапластических) пластических деформаций: искривленные и разрушенные цементитные пластины, высокая плотность дислокаций на межфазных границах, где цементит растворяется и образуется аустенит[1].

Цель работы – анализ деформационного преобразования структуры и свойств поверхностного слоя рельс, обусловленного длительной эксплуатацией на железной дороге.

В качестве материала исследования использовали образцы рельсовой стали Р65, свойства и элементный состав которой регламентируется ГОСТом Р 51685 – 2000. Образцы рельсовой стали были вырезаны из рельсов в исходном состоянии и после эксплуатации на железной дороге (пропущенный тоннаж (500 и 1000) млн. т брутто). Анализу подвергали структурно-фазовое состояние поверхностного слоя зоны катания рельса. Структуру металла исследовали методами металлографии (метод поперечных травленых шлифов, травление осуществляли в 4%-ном спиртовом растворе азотной кислоты), сканирующей и просвечивающей дифракционной электронной микроскопии (метод тонких фольг).

Визуальный осмотр нетравленых шлифов выявил в образцах рельсовой стали после наработки (500 и 1000) млн. тонн брутто на поверхности катания сглаженную блестящую полосу наката, свидетельствующую об эксплуатации рельсов.

Эксплуатация рельсов приводит к снижению ее износостойкости. При этом при пропущенном тоннаже 500 млн. т. брутто износостойкость рельсов снижается в ≈3 раза, а при 1000 млн. т брутто – в ≈3,4 раза. Снижение износостойкости сопровождается уменьшением коэффициента трения[2].

Анализируя результаты, можно выделить две стадии изменения коэффициента трения: начальную стадию (стадия приработки), характеризующуюся изменяющимся коэффициентом трения, и основную стадию с практически неизмененной величиной коэффициента трения.

Выполненные методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии исследования показали, что структура рельсовой стали перед эксплуатацией представлена пластинчатым перлитом, зернами феррито-карбидной смеси и зернами структурно свободного феррита. В зернах структурно свободного феррита наблюдается дислокационная субструктура в виде хаотически распределенных дислокаций (скалярная плотность дислокаций ≈10¹⁰ см^-2); в зернах перлита (а именно, в пластинах феррита) – сетчатая дислокационная субструктура (скалярная плотность дислокаций ≈4*10¹⁰ см^-2).

Результаты анализа структуры и фазового состава поверхностного слоя рельсовой стали, формирующейся после пропущенного тоннажа 500 млн. т брутто, свидетельствуют о формировании нанокристаллической многофазной структуры, что, очевидно, и является основной причиной некоторого (в ≈1,2 раза) повышения твердости стали[3].

Таким образом, выявлен факт снижения износостойкости поверхностности катания рельсов после эксплуатации на железной дороге (пропущенный тоннаж (500 и 1000) млн. т брутто). Показано, что после пропущенного тоннажа 500 млн. т брутто в поверхностном слое рельсовой стали формируется высокодефектная нанокристаллическая многофазная структура, способствующая повышению (в ≈1,2 раза) твердости стали. Увеличение наработки рельсов до 1000 млн. т брутто приводит к разрушению зерен перлита и протеканию начальной стадии динамической рекристаллизации стали, что может являться причинами разупрочнения поверхностного слоя рельсов.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ №15-12-00010.

Список литературы

1. Ворожищев В.И. Состав и технология производства рельсов повышенной работоспособности. – Новокузнецк: Изд-во «Новокузнецкий полиграфический комбинат, 2008. – 351 с.

2. Шур Е.А. Повреждение рельсов. – М.: Интекст, 2012. – 192 с.

3. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. – М.: Металлургия, 1986. – 242 с.

Код для цитирования: Скопировать