Формирование тонкой структуры рельсов при объемной и дифференцированной закалке Морозов Константин Викторович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1 Формирование структуры и свойств рельсов ... 11

1.1 Термическая обработка рельсов 12

1.2 Рельсы с бейнитной структурой 23

1.3 Формирование градиентных структурно-фазовых состояний при термической обработке рельсов 26

1.4 Влияние различных факторов на структуру и свойства рельсов 30

1.4.1 Микролегирование 30

1.4.2 Изменение структуры и свойств рельсов при эксплуатации 33

1.4.3 Моделирование процессов при термомеханической обработке,

эксплуатации и пути повышение усталостного ресурса рельсовой стали.. 35

Заключение 37

Глава 2 Материал и методы исследования 41

Глава 3 Структура, фазовый состав и дефектная субструктура объемно закаленных рельсов 47

3.1 Рельсы повышенной износостойкости (категория «ИК») 47

3.2 Рельсы низкотемпературной надежности (категория «НЭ») 59

3.3 Рельсы высшего качества (категория «В») 71

3.4 Сравнительный анализ фазового состава и структуры объемно закаленных рельсов различных категорий 86

Заключение 101

ГЛАВА 4 Структура, фазовый состав и дефектная субструктура дифференцированно закаленных рельсов ДТ350 102

4.1 Структурно-фазовые состояния рельсов, дифференцированно закаленных по режиму 3 102

4.2 Дифференцированно закаленные рельсы по 1-му режиму: структура, фазовый состав и дислокационная субструктура 115

4.3 Сравнительный анализ фазового состава и структуры рельсовой стали, подвергнутой дифференцированной закалке 120

Заключение 137

ГЛАВА 5 Сравнительный анализ структурно-фазовых состояний в рельсах после объемной и дифференцированной закалки 138

Заключение 149

Основные выводы 151

Литература

• Формирование градиентных структурно-фазовых состояний при термической обработке рельсов
• Рельсы низкотемпературной надежности (категория «НЭ»)
• Дифференцированно закаленные рельсы по 1-му режиму: структура, фазовый состав и дислокационная субструктура
• Сравнительный анализ фазового состава и структуры рельсовой стали, подвергнутой дифференцированной закалке

Введение к работе

Актуальность темы. Эксплуатационная стойкость железнодорожных рельсов во многом определяется их структурно-фазовым состоянием, формируемым при термообработке. Несмотря на ряд недостатков объемной закалки рельсов в масле эта технология термического упрочнения еще используется на металлургических предприятиях. Целесообразность дифференцированной закалки сжатым воздухом с прокатного нагрева, особенно для 100-метровых рельсов, обусловлена экономическими соображениями. Возрастающие требования российских железных дорог по дифференцированной прочности по сечению рельсов и другим важным параметрам могут быть удовлетворены только технологией дифференцированной закалки. Для разработки режимов дифференцированной закалки, обеспечивающих требуемый уровень механических и эксплуатационных свойств, особенно для рельсов специальных категорий, необходим анализ природы формирования и эволюции структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры. В этом аспекте полезными могут оказаться данные по объемно закаленным рельсам, производство которых имеет уже более чем 50-летнюю историю. Все вышесказанное определяет актуальность данной работы, поскольку сравнительный анализ структур и фазового состава, формирующихся в сечении рельсов при различных видах закалки важны для понимания природы превращений, так как позволяют целенаправленно формировать эксплуатационные свойства.

Настоящая работа проводилась в соответствии с планами НИР Сибирского государственного индустриального университета и ОАО «Евраз-Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат».

Цель работы: выявление на различных масштабных уровнях закономерностей формирования структуры, фазового состава и дефектной субструктуры стали рельсов различных категорий, подвергнутых объемной и дифференцированной закалке.

Реализация данной цели потребовала решения следующих задач:

1. Исследование структуры, фазового состава и дефектной субструктуры стали рельсов повышенной износостойкости (категория «ИК»), низкотемпературной надежности (категория «НЭ»), высшего качества (категория «В») после объемной закалки в масле.

2. Выявление градиентов структуры, фазового состава и дислокационной субструктуры стали объемно закаленных рельсов различных категорий.

3. Исследование структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры стали рельсов, подвергнутых дифференцированной закалке сжатым воздухом в различных режимах.

4. Установление количественных закономерностей структурно-фазовых состояний и дислокационной субструктуры стали рельсов после дифференцированной закалки.

5. Сравнительный анализ параметров структуры и дефектной субструктуры, формирующихся в головке рельсов в результате объемной и дифференцированной закалки по центральной оси и по выкружке.

Научная новизна. Впервые проведены комплексные количественные исследования структуры, фазового состава, дефектной субструктуры стали рельсов:

6. Высшего качества (категория «В»), повышенной износостойкости (категория «ИК»), низкотемпературной надежности (категория «НЭ»), подвергнутых объемной закалке в масле.

7. Подвергнутых дифференцированной закалке сжатым воздухом в различных режимах.

Послойными исследованиями выявлен градиентный характер структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры, характеризующийся закономерным изменением параметров по мере удаления от поверхности катания по разным направлениям. Выявлены и подвергнуты сравнительному анализу параметры структуры головки рельсов после объемной и дифференцированной закалки по центральной оси и по выкружке.

Достоверность экспериментальных результатов и обоснованность выводов обеспечиваются корректностью постановки задач исследования, комплексным подходом к их решению с использованием современных методов и методик, широким привлечением статистических методов обработки результатов, анализом литературных данных и критическим сопоставлением установленных в работе закономерностей фактам, полученным другими исследователями.

Научная и практическая значимость работы. Сформирован банк данных о закономерностях образования структуры, фазового состава, дефектной субструктуры при дифференцированной закалке рельсов, используемый для обоснования режимов, обеспечивающих комплекс требуемых эксплуатационных свойств. Выполнен сравнительный послойный анализ по центральной оси и по выкружке фазового состава и дефектной субструктуры рельсов, подвергнутых объемной и дифференцированной закалке, позволивший выявить источники и расположение наиболее опасных концентраторов напряжений, способных явиться источником микротрещин и при эксплуатации рельсов.

Научные результаты работы могут быть использованы для развития теории структурно-фазовых превращений в сталях, а основные положения диссертации представляют интерес как учебный материал в курсе лекций по физике конденсированного состояния, физического материаловедения, металловедения и термообработки, обработки металлов давлением.

Практическая значимость подтверждена актом использования результатов.

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, формированием основных выводов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Совокупность результатов исследований структуры, фазового состава, дефектной субструктуры стали рельсов различных категорий, подвергнутых объемной закалке в масле.

2. Градиентный характер изменения параметров структуры, фазового состава и дислокационной субструктуры стали объемно закаленных рельсов высшего качества (категория «В»), повышенной износостойкости (категория «ИК»), низкотемпературной надежности (категория «НЭ»).

3. Результаты исследования структурно-фазовых состояний и дислокационной субструктуры стали дифференцированно закаленных по различным режимам рельсов.

4. Количественные закономерности структурно-фазовых состояний и дислокационной субструктуры стали в рельсах, подвергнутых дифференцированной закалке в различных режимах.

5. Результаты сравнительного анализа параметров структуры и дефектной субструктуры, сформированных в головке рельсов по центральной оси и по выкружке в результате объемной и дифференцированной закалки.

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует специальности 01.04.07. - Физика конденсированного состояния пп. 1 и 7 (п. 1 «Теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и в том числе материалов световодов как в твердом, так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления», п.7 «Технические и технологические приложения физики конденсированного состояния»).

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях, чтениях, семинарах и школах: Пятой конференции Нанотехнологического общества России, Москва, 2013; Научной сессии НИЯУ МИФИ, Москва, 2014; XXII Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Оренбург, 2014; Международном научно-техническом конгрессе «ОМД-2014. Фундаментальные проблемы. Инновационные материалы и технологии», Москва, 2014; XXII Международной научно-практической конференции аспирантов, магистрантов и студентов «Физика конденсированного состояния», Гродно, Республика Беларусь, 2014; VII Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур ПРОСТ-2014», Москва, 2014; V Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии и экономика в машиностроении», Юрга, 2014; III Всероссийской конференции «Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций», посвященной 100-летию со дня рождения академика Ю.Н. Работнова, Новосибирск, 2014; Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения», Новокузнецк, 2014; VIII Российской научно-технической конференции «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций», Екатеринбург, 2014; LV Международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности», Харьков, Украина, 2014; Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: новые технологии, управление, инновации и качество», Новокузнецк, 2014; XII Международной конференции по наноструктурным материалам NANO 2014, Москва, 2014; International

Conference on Computational Intelligence and Industrial Engineering, Shenzhen, China, 2014; 4 Международной конференции «Nanomaterials: Application & Properties 2014», Алушта, 2014; VIII Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов» памяти академика Г.В. Курдюмова, Черноголовка, 2014; Научном семинаре с международным участием «Структура и свойства металлов при различных энергетических воздействиях и технологических обработках», Томск, 2014; 5^th International Conference on Advanced nanomaterials, Aveiro, Portugal, 2014; Международном симпозиуме «Перспективные материалы и технологии», Витебск, Беларусь, 2015; 6-ой международной конференции «Кристаллофизика и деформационное поведение перспективных материалов», Москва, 2015; XIX Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», Самара, 2015; 6-ом международном семинаре «Влияние внешних воздействий на прочность и пластичность металлов и сплавов», Барнаул, 2015; II Всероссийской научной конференции молодых ученых с международным участием ПМТС-2015, Томск, 2015; II Байкальском материаловедческом форуме, Улан -Удэ, 2015.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 40 работах, в том числе в 17 статьях в журналах, входящих в Перечень, рекомендованный ВАК для публикации результатов диссертационных исследований, 1 монографии, остальные - в трудах всероссийских и международных конференций и других научных мероприятий.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация включает в себя введение, 5 глав, основные выводы, список литературы из 267 наименований, приложение, изложена на 181 странице машинописного текста, содержит 67 рисунков, 35 таблиц.

Формирование градиентных структурно-фазовых состояний при термической обработке рельсов

Перед проведением реконструкции термического отделения целесообразно предусмотреть апробирование технологии двухсторонней закалки на опытных установках с отработкой режимов предварительного нагрева и последующего охлаждения рельсов, обеспечивающих максимально возможную при данном оборудовании прямолинейность рельсов с целью минимизации их последующей правки и ее негативного влияния на остаточные напряжения. При апробировании технологии дифференцированной закалки рельсов необходимо определиться с выбором закалочной среды (сжатый воздух, водовоздупшая смесь, поток воды) на основе оптимизации как технологических, так и экономических факторов.

При переходе на дифференцированную закалку рельсов с прокатного нагрева значительное внимание следует уделять вопросам мелкозернистости стали и способам ее обеспечения (контролируемая температура окончания прокатки, микролегирование стали нитридообразующими элементами).

В работе [29] показано, что применение предлагаемой технологии дифференцированного упрочнения железнодорожных рельсов из стали М76, включающей нагрев под закалку до 850 С, охлаждение в модуле водовоздушной смесью в течение 25 с при давлении в системе сжатого воздуха 3,6 атм, расходе сжатого воздуха 0,0975 м /с, расходе воды 0,00167 м /с и конечное охлаждение в масле, позволяет получать рельсы с более прочной головкой по сравнению с получаемой по обычной технологии. Система для водовоздушного подстуживания и охлаждения горячего проката позволяет гибко управлять созданием комплекса прочностных свойств металла путем вариации скорости охлаждения в пшроких пределах: от 2 до 100 С/с (соответственно уменьшается размер перлитной колонии и увеличивается дисперсность перлита), а внедрение ее в производство приведет к улучшению экологической обстановки в цехах.

При исследовании возможности закалки рельсов в водополимерных средах [30] установлено, что закалка головки рельса в водополимерных растворах ПК-М и Бреокс Термо А с одновременным охлаждением подошвы сжатым воздухом обеспечивает формирование дисперсной структуры соответственно троостосорбита и сорбита закалки, повышение уровня механических свойств, твердости и ударной вязкости при -60 С. Одновременное охлаждение головки и подошвы позволит получить прямолинейные рельсы. На уровень механических свойств и дисперсность структуры головки при закалке влияют соотношение концентрата и воды в растворе, его температура и длительность охлаждения.

Дифференцированное охлаждение (головки в водополимерном растворе или водовоздушной смесью, подошвы сжатым воздухом) особенно необходимо при изготовлении рельсов из бейнитных сталей и должно обеспечивать получение прямолинейных изделий. При правке имеющая высокую твердость структура значительно наклёпывается, что приводит к появлению неблагоприятных (растягивающих) остаточных напряжений.

В работе [31] прослежено развитие технологии закалки рельсов с нагрева токами высокой частоты (ТВЧ). В СССР промышленное производство рельсов, поверхностно закаленных с нагрева ТВЧ, началось практически в те же годы, что и за рубежом. Так, в 1955 г. на Омском механическом заводе было изготовлено оборудование и проведены опыты по закалке с нагрева ТВЧ рамных рельсов и остряков в упруго напряженном состоянии. В 1958 г. аналогичные закалочные установки были созданы на Новосибирском, а затем Днепропетровском и Муромском стрелочных заводах.

Технология термоупрочнения заключалась в следующем. Перед закалкой рамный или остряковый рельс укладывался на закалочный стенд, после чего упруго изгибался выпуклостью на головку. Основой закалочного стенда являлась ферма длиной 12,5 м. Индуктор и охлаждающее устройство располагались в непосредственной близости от конца рельса. Изогнутый рельс при закалке передвигался вместе с фермой под индуктором со скоростью 7 мм/с. Нагрев головки осуществлялся токами высокой частоты (2500 Гц), а охлаждение - струей сжатого воздуха (200-400 кПа), а с 1964 г. - водовоздушной смесью. После закалки твердость на поверхности головки была в пределах 340-380 НВ, а глубина закаленного слоя 8-9 мм. Структура металла закаленного слоя на глубине до 3-4 мм состояла из сорбита отпуска, а на глубине 4-9 мм сорбита закалки. Большими недостатками данного способа поверхностной закалки головки с нагрева ТВЧ рельсов по всей длине и применяемого оборудования являлись невысокая производительность, неоднородное структуры и малая глубина закаленного слоя, что не позволяло применить его в промышленных условиях для закалки рельсов тяжелых типов Р65 и Р75.

Особенно важную роль в эксплуатационной стойкости рельсов играют два последних фактора, которые способствуют уменьшению сопротивления и образованию в головке микротрещин усталости, приводящих к поперечному излому головки в процессе эксплуатации рельсов.

За период 1969-1980 гг. разработана, освоена и внедрена технология поверхностной закалки с нагрева ТВЧ рельсов типа Р50, Р65 и Р75. По данной технологии закалено и сдано железным дорогам МПС СССР более 300 тыс. т рельсов первого сорта, которые были уложены в магистральные пути грузонапряженных участков железных дорог.

Дли изучения эксплуатационных свойств закаленных рельсов было организовано 36 опытных участков пути на 11 главных направлениях. За период испытания рельсы пропустили 750-850 млн. т брутто. Удельный одиночный выход закаленных рельсов в 2,3 раза ниже, чем незакаленных после пропуска соответствующего тоннажа. Эксплуатационная стойкость закаленных рельсов при 5 %-ном у-ресурсе в 1,5 раза выше, чем незакаленных (750 против 500 млн. т брутто). Под 5 %-ным у-ресурсом принято считать тоннаж, пропущенный по рельсам с момента их укладки в путь до тех пор, пока одиночный выход рельсов в заданных условиях эксплуатации не составит величину, равную 5 % от числа рельсов, первоначально уложенных в путь. В среднем, в зависимости от плана пути, величина удельного вертикального износа рельсов, закаленных с нагрева ТВЧ, в 1,8 раза ниже, чем незакаленных (0,45 против 0,80 мм/100 млн. т брутто). Эксплуатационным испытанием установлено, что наибольшую сопротивляемость контактно-усталостным повреждениям оказывают закаленные рельсы, имеющие на поверхности катания твердость более 350 НВ.

Рельсы низкотемпературной надежности (категория «НЭ»)

Анализируя результаты, представленные в таблице 3.7, можно отметить, что основным типом зерен феррито-карбидной смеси являются зерна первого типа, однако относительное их содержание зависит и от направления анализа структуры (по центральной оси зерен первого типа больше, чем на выкружке), и от расстояния исследуемого слоя от поверхности катания (с увеличением расстояния от поверхности катания относительное содержание зерен первого типа возрастает). Принимая во внимание тот факт, что структура зерен второго типа сформировалась в результате сдвигового превращения, можно констатировать, что представленные в таблице 3.7 результаты свидетельствуют о снижении скорости переохлаждения стали с увеличением расстояния от поверхности катания (что согласуется с выводами, сделанными на основании результатов, представленных в таблице 3.6).

Ферритная составляющая структуры стали (зерна структурно свободного феррита, ферритная составляющая зерен перлита и зерен феррито-карбидной смеси) дефектна, а именно, характеризуется присутствием дислокаций. Методами электронной микроскопии выявлена дислокационная субструктура в виде хаотически распределенных дислокаций, сетчатая, ячеистая и фрагментированная дислокационная субструктуры (рисунок 3.12). В феррите перлитных зерен наблюдаются лишь первые два типа дислокационной субструктуры (хаотически распределенные дислокации и, значительно реже, сетчатая дислокационная субструктура); ячеистая и фрагментированная дислокационная субструктуры обнаруживаются лишь в зернах феррито-карбидной смеси и в зернах структурно свободного феррита. Следует отметить, что в объеме ячеек и фрагментов, как правило, наблюдаются хаотически распределенные дислокации.

Скалярная плотность дислокаций в феррите перлитных зерен изменяется в В среднем эта величина составляет 5,7x10 см" , т.е. в -2,3 раза превышает скалярную плотность дислокаций зерен перлита. Максимального значения скалярная плотность дислокаций достигает вблизи глобулярных частиц карбидной фазы и составляет -8x10 см" . Следует отметить, что в пределах ошибки измерения (+ 20 % от измеренного значения) величина скалярной плотности дислокаций в соответствующих структурных составляющих стали не

Электронно-микроскопические исследования структуры стали, выполненные методами тонких фолы на просвет, позволили выявить изгибные контуры экстинкции [210, 211, 226] (рисунок 3.13). Наличие в структуре материала изгибных контуров экстинкции указывает на изгиб-кручение кристаллической решетки данной области материала, а, следовательно, на внутренние поля напряжений, искривляющие тонкую фольгу и, соответственно, упрочняющие материал. В результате выполненных исследований (анализировали относительную ширину контура и структурный элемент, формирующий контур, т.е. концентратор напряжений) установлено, что источниками внутренних полей напряжений являются границы раздела пластин цементита зерен перлита (рисунок 3.13, а), границы раздела зерен перлита и зерен феррита (рисунок 3.13, б), зерен феррита (рисунок 3.13, б). В данном случае контур начинается от границы раздела пластин и зерен. Довольно часто источниками полей напряжений являются частицы второй фазы, расположенные по границам и в объеме зерен (рисунок 3.13, в, г).

Экспериментально показано, что упрочнение материала вследствие изгиба-кручения кристаллической решетки, оказываемое внутренними полями напряжений, обратно пропорционально ширине изгибного экстинкционного контура [227, 228]. Следовательно, оценив ширину контура, можно оценить и относительную величину упрочнения материала, вносимого внутренними полями напряжений. Выполненные оценки показывают, что средняя ширина изгибных контуров экстинкции, выявляемых в зернах перлита, 70 нм. Средняя ширина изгибных контуров экстинкции, выявляемых в зернах феррито-карбидной смеси, 35 нм. Следовательно, вклад полей напряжений в прочность зерен феррито-карбидной смеси в два раза выше, по сравнению с зернами пластинчатого перлита.

Таким образом, выполненный послойный электронно-микроскопический микродифракционный анализ фазового состава и дефектной субструктуры образцов объемно закаленной рельсовой стали категории «НЭ» позволяет высказать суждения о физических механизмах, приводящих к снижению твердости материала при удалении от поверхности катания. Во-первых, это механизм, обусловленный масштабным фактором: в соответствие с законом Холла-Петча [225, 229] с увеличением размера зерен (субзерен) прочность материала снижается. В исследуемой нами рельсовой стали снижение твердости с увеличением расстояния от поверхности катания обусловлено увеличением расстояния между пластинами феррита (таблица 3.6) и увеличением относительного содержания зерен пластинчатого перлита (таблица 3.5). Во-вторых, это механизм, основанный на упрочнении материала дислокационной субструктурой [229, 230], согласно которому прочность материала увеличивается с увеличением скалярной плотности дислокаций. Выполненные в настоящей работе исследования показывают, что в зернах феррито-карбидной смеси величина скалярной плотности дислокаций в -2,3 раза превышает скалярную плотность дислокаций зерен перлита. Следовательно, снижение относительного содержания в стали зерен феррито-карбидной смеси с увеличением расстояния от поверхности катания (таблица 3.5) будет способствовать уменьшению вклада в упрочнение стали от дислокационной субструктуры и, соответственно этому, снижению твердости стали. В-третьих, это механизм, основанный на упрочнении материала внутренними полями напряжений [227, 228]. Как показали настоящие исследования, вклад внутренних полей напряжений в прочность зерен феррито-карбидной смеси в два раза выше, по сравнению с зернами пластинчатого перлита. Следовательно, как уже отмечалось выше, снижение относительного содержания в стали зерен феррито-карбидной смеси с увеличением расстояния от поверхности катания будет способствовать уменьшению вклада в упрочнение стали, обусловленного внутренними полями напряжений.

В заключение, еще раз отметим, что объемная закалка рельсов категории «НЭ», как и для рельсов категории «ИК» сопровождается формированием многофазной, морфологически разноплановой структуры, образующейся по диффузионному и сдвиговому механизмам у -» а - превращения твердого раствора на основе железа. Показано, что с увеличением расстояния от поверхности катания относительное содержание структуры, сформировавшейся по диффузионному механизму у -» а - превращения увеличивается. Осуществлен количественный анализ и выявлены основные параметры, характеризующие состояние структуры стали. Выполнены оценки механизмов упрочнения стали; установлено, что зерна феррито-карбидной смеси являются более прочными структурными составляющими стали по сравнению с зернами пластинчатого перлита. Выполненные оценки качественно согласуются с результатами тестирования механических характеристик стали путем определения твердости.

Дифференцированно закаленные рельсы по 1-му режиму: структура, фазовый состав и дислокационная субструктура

Анализируя приведенные в таблице 4.3 результаты, можно отметить различия в состоянии стали вдоль центральной оси и на выкружке. А именно, в объеме материала на центральной оси (по отношению к объему материала по выкружке) относительное содержание цементита выше, параметр решетки or-Fe меньше, микронапряжения (Ad/d) ниже, размеры областей когерентного рассеяния (DOKP) больше, чем у объема стали, расположенном на выкружке. В совокупности данные факты указывают на более высокую скорость охлаждения объема материала, расположенного на выкружке, по отношению к объему материала, расположенного вдоль центральной оси.

Методами просвечивающей электронной микроскопии тонких фолы установлено, что структура исследуемой стали, не зависимо от расстояния исследуемого слоя до поверхности катания, представлена зернами перлита пластинчатой морфологии (рисунок 4.14, а), зернами структурно свободного феррита (зернами феррита, не содержащими в объеме частиц карбидной фазы) (рисунок 4.14, б) и зернами феррита, в объеме которых наблюдаются частицы цементита (далее по тексту, зерна феррито-карбидной смеси) преимущественно в виде коротких пластинок (рисунок 4.14, г) и частицы глобулярной формы (рисунок 4.14, в). Как правило, объемы стали с частицами глобулярной формы

Относительное содержание выявленных типов структуры зависит от глубины залегания исследуемых слоев (таблица 4.4). Анализируя результаты, приведенные в этой таблице, можно отметить, что относительная объемная доля зерен структурно свободного феррита мала и изменяется в пределах от 0,01 до 0,05 структуры стали. Существенно более весома относительная объемная доля зерен феррито-карбидной смеси, величина которой изменяется в пределах от 0,17 до 0,37 структуры стали и снижается при удалении от поверхности катания.

Просматривается некоторая закономерность в изменении структуры стали в зависимости от расположения анализируемого слоя (на центральной оси или на выкружке). А именно, не зависимо от расстояния до поверхности катания на выкружке доля зерен пластинчатого перлита ниже, а зерен феррито-карбидной смеси выше, чем на центральной оси. На глубине -10 мм эти различия в структуре стали нивелируются. Следовательно, процессы фазовых превращений, имеющие место при дифференцированной закалке, протекают по несколько различающимся термокинетическим диаграммам относительно объема стали по центральной оси и на выкружке.

Характеристикой перлита, регламентируемой ГОСТом, является величина межпластинчатого расстояния. Результаты выполненных оценок показывают, что средняя величина межпластинчатого расстояния изменяется в пределах от 120 нм до 190 нм и уменьшается при удалении от поверхности катания как по центральной оси, так и по выкружке. Следуя ГОСТ 8233-56, можно сказать, что перлитная структура поверхностного слоя толщиной -10 мм исследуемой рельсовой стали относится к первому баллу, характеризуется как сорбитообразная, тип структуры - троостит.

Ферритная составляющая структуры стали (зерна структурно свободного феррита, ферритная составляющая зерен перлита и зерен феррито-карбидной смеси) дефектна. Методами электронной микроскопии выявлена дислокационная субструктура в виде хаотически распределенных дислокаций (рисунок 4.15, а) и сетчатая (рисунок 4.15, б) дислокационная субструктуры. Скалярная плотность дислокаций в исследуемой стали изменяется в пределах от 4х1010 см"2 до 5,5х1010 см" . При этом в зернах феррито-карбидной смеси величина скалярной плотности дислокаций несколько выше, чем в ферритной составляющей зерен перлита не зависимо от расположения (по центральной оси или на выкружке) и расстояния исследуемого слоя от поверхности катания.

Особенностью структуры выкружки является присутствие в слое толщиной 2 мм наноразмерных (5... 10 нм) частиц карбидной фазы, выявленных исключительно в ферритных пластинах перлитных колоний (рисунок 4.16, а). Этот факт указывает на повторный распад твердого раствора на основе а-железа, имеющий место после формирования перлитной структуры. Отсутствие подобных наноразмерных частиц в структуре стали на центральной оси свидетельствует в пользу высказанного выше предположения о более высокой скорости охлаждения поверхностного слоя выкружки.

Еще один интересный факт, выявленный при анализе структуры поверхностного слоя (слоя толщиной 2 мм) стали по выкружке - наличие крапчатого контраста на изображении пластин цементита перлитных колоний (рисунок 4.16, б). Наличие такого контраста указывает на дефектность пластин цементита, что также может свидетельствовать о достаточно высокой скорости охлаждения объема поверхностного слоя стали на выкружке.

Таким образом, анализ представленных в настоящем разделе результатов, полученных при исследовании фазового состава и дефектной субструктуры рельсов ДТ350 (режим закалки 1), показывают, что дифференцированная закалка стали сопровождается формированием морфологически многоплановой структуры, представленной зернами пластинчатого перлита, зернами феррито-карбидной смеси и зернами структурно-свободного феррита, располагающихся в виде вкраплений по границам зерен перлита. С увеличением расстояние от поверхности охлаждения относительное содержание зерен структурно-свободного феррита снижается. Выявленные в результате выполненных исследований факты свидетельствуют о более высокой скорости охлаждения объема материала, расположенного на выкружке, по отношению к объему материала, расположенного вдоль центральной оси.

Сравнительный анализ фазового состава и структуры рельсовой стали, подвергнутой дифференцированной закалке

Таким образом, морфология изгибных экстинкционных контуров характеризует градиент изгиба-кручения кристаллической решетки материала, величина поперечного размера контуров - амплитуду изгиба-кручения кристаллической решетки [227, 228, 243]. Изучая характер и расположение экстинкционных изгибных контуров в структуре материала, можно сделать вполне определенное заключение об источниках (концентраторах) внутренних полей напряжений, объемах их локализации и путях компенсации.

Выполненные в настоящей работе исследования дают основание заключить, что в рельсовой стали концентраторами напряжений являются внутрифазные границы (границы раздела зерен феррита и перлита (рисунок 5.3, а, б), зерен перлита и границы раздела колоний перлита (рисунок 5.3, в, г)) и межфазные границы (границы раздела пластин цементита и феррита в перлите (Рисунок 5.3, в, г), границы раздела глобулярная частица/матрица (рисунок 5.3, е)). Изгибные экстинкционные контуры наблюдаются и в объеме сравнительно крупных (десятые доли микрометра) частиц цементита. Обращает на себя внимание следующий факт: границы раздела глобулярная частица/матрица являются источниками внутренних полей напряжений исключительно в стали, подвергнутой объемной закалке (рисунок 5.3, е). В стали после дифференцированной закалки изгибные экстинкционные контуры у глобулярных частиц наблюдались крайне редко (рисунок 5.3, д).

Количество концентраторов напряжений в стали оценивали по количеству изгибных контуров на единицу площади фольги (далее по тексту - плотность контуров). Результаты таких исследований приведены на рисунке 5.4.

Анализ представленных на рисунке 5.4 результатов свидетельствует о том, что, во-первых, плотность контуров максимальна у поверхности катания и, во-вторых, плотность контуров в рельсовой стали после объемной закалке незначительно выше или сравнима, по отношению к стали, подвергнутой дифференцированной закалке.

Зависимость плотности концентраторов напряжений от расстояния от поверхности катания рельсов. Обозначено: первая цифра способ закалки (1 - дифференцированная закалка; 2 - объемная закалка с последующим дополнительным отпуском); вторая цифра - номер режима дифференцированной закалки или категория рельсов при объемной закалке (2-1 - рельсы (В); 2-2- рельсы (ИК); 2-3- рельсы (НЭ)); ось - анализ структуры вдоль центральной оси; В - анализ структуры по выкружке

Как отмечалось выше, величина внутренних полей напряжений обратно пропорциональна поперечным размерам изгибного контура. Выполненные в настоящей работе исследования показали, что независимо от категории стали и режима закалки, изгибные экстинкционные контуры минимальных поперечных размеров формируются у глобулярных частиц карбидной фазы, расположенных в зернах феррито-карбидной смеси (рисунок 4.3, е). Более широкие изгибные контуры фиксируются у межфазных границ. К примеру, контур экстинкции, формирующийся у границ раздела колоний перлита, имеет ширину, изменяющуюся в пределах от 170 нм до 300 нм; у границ раздела зерен перлита и феррита - от 150 нм до 200 нм; у границы раздела глобулярной частицы цементита и ферритной матрицы - от 70 нм до 100 нм. Используя соотношение (2) нетрудно оценить амплитуду внутренних полей напряжений, присутствие которых приводит к изгибу-кручению кристаллической решетки стали. Принимая во внимание, что толщина фольги t « 200 нм, модуль сдвига стали G « 80 ГПа, получаем, что внутрифазные границы раздела генерируют поля напряжений величиной (0,5...0,9) ГПа, а межфазные границы раздела (частица/матрица) - (1,6...2,3) ГПа. Предел текучести исследуемой рельсовой стали «0,85 ГПа, предел прочности «1,25 ГПа. Сопоставляя оценочные результаты с прочностными характеристиками стали, можно заключить, что внутренние поля напряжений, формируемые внутрифазными границами раздела, не превышают предела текучести стали. Внутренние поля напряжений, генерируемые межфазными границами раздела (частица/матрица), могут достигать величины предела прочности стали и являться опасными концентраторами внутренних напряжений, способными при эксплуатации изделия привести к формированию микротрещин.

В таблице 5.5 приведены сравнительные результаты, выявленные при определении средней плотности изгибный экстинкционных контуров (количество контуров на единицу площади фольги), характеризующие однородность распределения внутренних полей напряжений рельсовой стали по центральной оси и по выкружке, формирующихся при объемной закалке и при закалке дифференцированной.

Анализируя результаты, представленные в таблице 5.5, можно сделать следующее заключение: после объемной закалка структура рельсовой стали менее однородна по количеству концентраторов напряжений, приходящихся на единицу площади материала (по сравнению со структурой рельсовой стали, формирующейся в результате дифференцированной закалки) в приповерхностном слое стали (слое толщиной 2 мм) и более однородна в слое, расположенном на расстоянии -10 мм от поверхности катания.

Методами современного физического материаловедения (металлография травленого поперечного шлифа, рентгеноструктурный анализ и просвечивающая электронная дифракционная микроскопия) выполнен сравнительный анализ рельсов, подвергнутых объемной закалке с последующим отпуском и дифференцированной закалке [244-267]. Показано, что независимо от режима термической обработки сталь является поликристаллическим агрегатом, сформированным зернами пластинчатого перлита, зернами феррито-карбидной смеси и зернами структурно свободного феррита.

Сравнительный анализ фазового состава и дефектной субструктуры объемов стали, расположенных по центральной оси рельса и по выкружке, позволил выявить следующее: в образцах объемно закаленных рельсов по сравнению с рельсами сталью, подвергнутыми дифференцированной закалке, в 2... 10 раз мельче зерна перлита, в 5 раз больше зерен феррита и в -1,5 раза толще поверхностный слой со сплошной сеткой зерен феррита; более однородная структура поверхностного слоя толщиной -10 мкм, по результатам, полученным при исследовании стали методами дифракции рентгеновских лучей, формируется при объемной закалке рельсов; после объемной закалки формируется более однородная в морфологическом отношении (зерна перлита, феррита и феррито-карбидной смеси) структура (по сравнению со структурой стали, формирующейся в результате дифференцированной закалки) в приповерхностном слое стали (слое толщиной 2 мм) и менее однородная в слое, расположенном на расстоянии -10 мм от поверхности катания; - после объемной закалки структура зерен перлита более однородна (по сравнению со структурой стали, формирующейся в результате дифференцированной закалки) в приповерхностном слое стали (слое толщиной 2 мм) и менее однородна в слое, расположенном на расстоянии -10 мм от поверхности катания.

Установлено что закалка рельсов сопровождается формированием внутренних полей напряжений, величина которых зависит от типа концентратора напряжений. Показано, что наиболее опасным концентратором напряжений, способным явиться источником микротрещин при эксплуатации рельсов, являются границы раздела глобулярная частица/матрица. Выявлено, что такие потенциально опасные концентраторы напряжений формируются преимущественно в рельсах, подвергнутых объемной закалке. Показано, что после объемной закалки структура рельсов менее однородна по количеству концентраторов напряжений, приходящихся на единицу площади материала (по сравнению со структурой рельсов, формирующейся в результате дифференцированной закалки) в приповерхностном слое рельсов (слое толщиной 2 мм) и более однородна в слое, расположенном на расстоянии -10 мм от поверхности катания.