Формирование тонкой структуры рельсов при объемной и дифференцированной закалке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Морозов, Константин Викторович

• Морозов, Константин Викторович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Морозов, Константин Викторович

ВВЕДЕНИЕ.....................................................4

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

3

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 ОБЪЕМНОЙИ ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОЙ ЗАКАЛКИ................................................138

Заключение............................................149

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.....................................151

Литература............................................154

ПРИЛОЖЕНИЕ.............................................181

4

ВВЕДЕНИЕ

Проблема формирования структуры и свойств рельсов при термообработке, освещенная во многих монографиях, представляет сложный комплекс взаимосвязанных научных и технических вопросов. Одним из наиболее важных направлений, способствующих развитию представлений о природе структурнофазовых превращений, является установление соответствующих количественных закономерностей по сечению рельсов. Это направление, начало которому положил Ю.В. Грдина, продолжил ряд исследователей в России и за рубежом. Значительные экспериментальные трудности, связанные с использованием методов современного физического материаловедения и, прежде всего, просвечивающей электронной дифракционной микроскопии, привели к относительно небольшому количеству исследований в этой области, совершенно несоизмеримому с числом работ по выплавке рельсовой стали, прокатке и калибровке рельсов, оптической микроскопии структуры рельсов, модельным представлениям и т.д.

Учитывая, что кинетика процессов формирования структурно-фазовых состояний связана с основами теории прочности и пластичности, представляется исключительно важной информация о параметрах тонкой структуры рельсов в разных их сечениях. В этом отношении могут оказаться интересными результаты анализа дислокационных субструктур и контуров экстинкции, позволяющие оценить уровень внутренних дальнодействующих полей напряжений. Очевидная научная фундаментальная значимость направлений этих исследований сочетается с тем, что понимание физической природы и основных параметров формирования и эволюции структурно-фазовых состояний и дислокационной субструктуры уже сегодня является желательным, а завтра по мере роста требований к механическим и эксплуатационным свойствам рельсов - крайне необходимым.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование тонкой структуры рельсов при объемной и дифференцированной закалке»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эксплуатационная стойкость железнодорожных рельсов во многом определяется структурно-фазовым состоянием рельсовой стали,

5

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 структурнофазовых 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 стали, 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.

6

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:

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

2. Подвергнутых дифференцированной закалке сжатым воздухом в различных режимах.

Послойными исследованиями выявлен градиентный характер структурнофазовых 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

7

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»).

8

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

9

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^ International Conference on Advanced nanomaterials, Aveiro, Portugal, 2014; Международном симпозиуме «Перспективные материалы и технологии», Витебск, Беларусь, 2015; б-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

10

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.

Автор считает своим долгом выразить искреннюю признательность сотрудникам СибГИУ, ИСЭ СО РАН, НИТПУ, ОАО «Евраз-ЗСМК» за помощь в проведении экспериментов и обсуждение результатов.

и

ГЛАВА 1 ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ РЕЛЬСОВ

Известно, что интенсивное развитие промышленности сопровождается ужесточением требований к эксплуатационной безопасности железнодорожного транспорта. Учитывая промышленный рост доли перевозок с одновременным повышением удельной нагрузки на ось колесной пары и средней скорости движения, разработка мероприятий, направленных на повышение надежности эксплуатации подвижного состава, является актуальной проблемой [1-4].

В [1-3] отмечено, что надежная работа железных дорог во многом определяются качеством и эксплуатационной стойкостью рельсов, при этом широкий спектр требований, предъявляемых в связи с этим к качеству железнодорожных рельсов, требует внедрения новых технологий упрочнения рельсов. Актуальность проблемы повышения эксплуатационных свойств рельсов обусловлена тем, что дальнейшее развитие железнодорожного транспорта предъявляет все возрастающие требования к качеству рельсовой стали. Анализ работ [1-7] показывает, что отечественные объемно-закаленные рельсы из перлитной стали имеют сравнительно низкую эксплуатационную стойкость в основном из-за массового выхода по местным контактно-усталостным дефектам и значительного бокового износа.

Увеличение интенсивности движения и грузонапряженности вызывает необходимость дальнейшего повышения надежности и эксплуатационной стойкости рельсов и обусловливает более высокий уровень требований к ним по твердости, контактно-усталостной прочности, сопротивлению образования контактно-усталостных дефектов и хрупкому разрушению. Несмотря на значительные достижения в развитии технологии термической обработки железнодорожных рельсов, общей теории прокатки - эти вопросы изучены еще недостаточно. Особенно это касается применения новых видов термоупрочнения и внешних энергетических воздействий [1-3].

12

В настоящее время уже можно констатировать, что однородность металлических материалов, используемых в промышленных целях, далеко не всегда является желательной. Большой интерес представляют материалы с градиентным строением. В таких материалах структура и физико-механические свойства являются функцией координаты, в роли которой чаще всего ^выступает расстояние от поверхности, подвергнутой термической или другой обработке. Перспективным может быть создание градиентных структурно-фазовых состояний в перлитных сталях с целью повышения эксплуатационной стойкости изделий сложной формы, подвергающихся интенсивному контактному воздействию, в частности, железнодорожных рельсов. Несмотря на значительное количество и многообразие активно разрабатываемых в последнее время способов упрочняющих поверхностных обработок, заменяющих, в значительной мере исчерпавшую себя объемную закалку, характер и свойства получаемых градиентных структур, а также теплофизические процессы формирования последних изучены недостаточно [1-3].

В настоящее время рельсовая сталь производится, в основном, в дуговых электропечах, гарантированно обеспечивающих достижение комплекса свойств, соответствующих Госстандарту [8-14]. Это позволяет организовать производство рельсов улучшенного качества, в том числе и для эксплуатации в сложных условиях [1-3]. Другие немаловажные факторы, определяющие структуру рельсов при дальнейшей термообработке - это температурно-деформационные режимы и калибровка [15-22]. Их анализ выходит за рамки этой работы.

7.7 ТТер.мнческля обрлйо/лки /удтмсоз

В [1, 2] отмечено, что повышение механических свойств рельсов с целью увеличения их эксплуатационной стойкости в условиях напряженной работы возможно только путем термической обработки. Группа способов упрочняющей термической обработки высокопрочных рельсов может быть разделена на:

13

термомеханическую, объемную, ступенчатую и изотермическую, дифференцированную [23-25].

Все эти методы должны обеспечивать получение однородной структуры сорбита закалки. Это дает основание для выбора оптимального уровня твердости для закаленного рельса стандартного химического состава. Технические требования к термически упрочненным рельсам типа Р65 (объемная закалка в масле и отпуск) предусмотрены ГОСТом 18267-72.

Сравнительный анализ различных видов термообработки представлен в работе [26]. Проведенные в 60-70-е годы исследования показали, что термическая обработка позволяет улучшить износостойкость и усталостную стойкость рельсов. Встал вопрос: какую предпочесть схему термообработки? Была выбрана технология объемной закалки в масле после объемного печного нагрева (табл. 1.1).

С ю/сл/мыл* созЭңмьм. Технология

предусматривает индукционный нагрев всего рельса и дифференцированное по сечению контролируемое охлаждение сжатым воздухом. В результате обработки рельс приобретает упрочненную по всей толщине головку, микроструктура которой представляет собой ультрамелкий перлит и упрочненные в меньшей степени подошву и особенно шейку. Процесс оптимизирован таким образом, что последующая правка в роликоправильных машинах не требуется.

Злкллкл созЭцхюлг с /имреси. В Японии фирма Nippon Steel

Corporation в 1990 году впервые выпустила рельсы, подвергающиеся термоупрочнению после прокатки. Так появился способ глубокой закалки Deep Head Hardened Rail (DHH). В 1991 году Nippon Kokan Corporation (ныне JFE Steel) приступила к производству аналогичных рельсов, назвав их рельсами с утолщенным упрочненным слоем головки - Thicker Head Hardened Rail (THH). Прочность термообработанных рельсов может в соответствии с требованиями заказчика регулироваться за счет изменения давления, под которым подается воздух, температуры и времени охлаждения. Упрочнению подвергаются рельсы как из углеродистых, так и низколегированных сталей.

14

Здкдлкл С /ИУС/И(?<%77? С /%И?КД/ИЛО2О 7/л?рссл производится в

компании Voest Alpine. Способ заключается в том, что рельсы головкой вниз погружают в ванну с водным раствором синтетического вещества на такую глубину, чтобы зеркало ванны достигало области перехода от головки к шейке. Охлаждающая среда нетоксична и невозгораема: в ванне поддерживается постоянная температура среды, обеспечивается равномерное воздействие ее на рельс по всей его длине. Рельсы неоднократно проходили стендовые и полигонные испытания в России и показали хорошие результаты (табл. 1.1).

Таблица 1.1 - Способы термического упрочнения рельсов*

Компании Город,страна Вид нагрева Среда охлаждения

Азовсталь Мариуполь (Украина) С отдельного нагрева Водо-воздушная смесь

Евраз, НКМК Новокузнецк (Россия) С отдельного нагрева Масло

Евраз, НТМК Нижний Тагил (Россия) С отдельного нагрева Масло

Corus (Sogerail) Аянж (Франция) С отдельного нагрева Сжатый воздух

Nippon Steel Явата (Япония) С прокатного нагрева Сжатый воздух, вода

JFE Steel West Japan Works (Япошы) С прокатного нагрева Сжатый воздух

Voest Alpine Донавиц (Австрия) С прокатного нагрева Водный раствор полимера

Evraz Rocky Mountain Штат Колорадо (США) С прокатного нагрева Сжатый воздух

ArcelorMittal Стилтон (США) С прокатного нагрева Вода

Panzhihua Сычуань (Китай) С прокатного нагрева Водо-воздушная смесь

* Данные 2( )09 года

По мнению авторов [27] предполагаемая технология дифференцированного термического упрочнения должна предусматривать три стадии: быстрого охлаждения до температуры не ниже 550 °C; псевдоизотермическую (с отклонениями по температуре не более ±25 °C) и ускоренного охлаждения. При этом на первой стадии период охлаждения не должен быть больше инкубационного периода перлитного превращения, как показано на примере термокинетической диаграммы переохлажденного аустенита стали Э76Ф. Вторая стадия охлаждения должна обеспечивать полное перлитное превращение стали в соответствии с термокинетической диаграммой. Интенсивность охлаждения на

15

третьей стадии не должна приводить к образованию бейнита и мартенсита. При этом упрочняющей термической обработке подвергается только головка рельса. Для охлаждения шейки и подошвы рельса требуется меньшая интенсивность. Температура самоотпуска рельса должна составлять 300 - 400 °C. В результате охлаждения в головке из углеродистой стали формируется тонкодисперсная структура сорбита закалки и обеспечивается регламентированная твердость как в головке, так и по всему поперечному сечению рельса [27].

При внедрении новой технологии дифференцированной закалки необходимо четко представлять себе требования к конечному продукту, проанализированные в [28]:

* длину новых рельсов (актуальность производства рельсов длиной 50 и 100 м взамен 25 м с последующей их сваркой в рельсовые плети подтверждена мировой практикой производства и текущего содержания бесстыкового пути);

* обеспечение всех требований норм безопасности НБ ЖТ ТМ 01-2000 по прямолинейности, прочностным свойствам, условному пределу выносливости и циклической трещиностойкости к рельсам для высокоскоростного движения;

* необходимость изготовления рельсов для высокоскоростного движения (до 250 км/ч) с их укладкой и эксплуатацией на участках пути с совмещенным движением на сети дорог ОАО «РЖД».

Результаты проведенных исследований позволили авторам сделать следующие выводы:

1. Технология дифференцированной термической обработки рельсов является более перспективной и эффективной по сравнению с технологией объемной закалки в масле, поэтому отечественным комбинатам при реконструкции следует ориентироваться на выбор данного технологического решения.

2. На начальных стадиях реконструкции целесообразно сохранить отдельный печной нагрев рельсов под закалку с целью рекристаллизации и измельчения зерна после прокатки рельсов.

16

3. 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, водовоздушная смесь, поток воды) на основе оптимизации как технологических, так и экономических факторов.

4. 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 °C, 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 широких пределах: от 2 до 100 °С/с (соответственно уменьшается размер перлитной колонии и увеличивается дисперсность перлита), а внедрение ее в производство приведет к улучшеншо 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,

17

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 наклепывается, 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.

18

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Морозов, Константин Викторович, 2015 год

ст = Со + - /л - аг - G -

(^ -0,85; G - модуль сдвига альфа-железа 8000 кг/мм^; 6 — вектор Бюргерса дислокации 0,25 нм. /лог ю 0,5), т.е., прямо пропорционально квадратному корню

98

из величины скалярной плотности дислокаций. Следовательно, величина субструктурного упрочнения зерен феррито-карбидной смеси в -1,5 раза выше,

чем зерен пластинчатого перлита.

Рисунок 3.30 - Дислокационная субструктура, формирующаяся в зернах

ферритно-карбидной смеси вблизи глобулярных частиц карбидной фазы.

Частицы указаны стрелками

Рисунок 3.31 - Субструктура пластин цементита; а - светлое поле; б - темное поле, полученное в рефлексе [031]ҒезС; в - микроэлектронограмма, стрелкой указан рефлекс, в котором получено темное поле

Пластины цементита перлитных зерен также дефектны. Электронномикроскопическое изображение субструктуры пластин цементита перлитной колонии приведено на рисунке 3.31. Методами темнопольного анализа (изображение структуры пластины цементита получено в рефлексе карбидной фазы, рисунке 3.31, б) установлено, что пластины цементита разбиты на

99

фрагменты размерами (20...30) нм. Размеры фрагментов практически не зависят от категории рельсов и расстояния исследуемого слоя от поверхности образца.

Электронно-микроскопические исследования структуры стали методами тонких фольг на просвет позволили выявить изгибные контуры экстинкции [210, 226]. 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. Анализируя изгибные контуры экстинкции, можно указать источники внутренних полей напряжений и их относительную величину, т.е. выявить концентраторы напряжений. В результате выполненных исследований установлено, что источниками внутренних полей напряжений являются границы раздела зерен перлита (рисунок 3.32, а), зерен перлита и зерен феррита (рисунок 3.32, б), зерен феррита. В данном случае контур начинается от границы раздела зерен. Довольно части источниками полей напряжений являются частицы второй фазы, расположенные по границам и в объеме зерен (рисунок 3.32, в-е).

Общепризнанно, 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 -2 раза выше, по сравнению с зернами пластинчатого перлита.

Таким образом, анализ рельсов категорий «В», «ИК», «НЭ», выполненный методами оптической и электронной дифракционной микроскопии, выявил присутствие двух основных морфологических составляющих структуры - зерен пластинчатого перлита и зерен феррито-цементитной смеси.

100

Рисунок 3.32 — ПЭМ изображения структуры рельсов. Светлыми стрелками указаны изгибные контуры экстинкции, темными стрелками обозначены частицы второй фазы, являющиеся источника полей напряжений

Осуществлен количественный анализ и выявлены основные параметры, характеризующие состояние структуры стали. Выполнены оценки механизмов упрочнения стали; установлено, что зерна феррито-цементитной смеси являются более прочными структурными составляющими стали по сравнению с зернами пластинчатого перлита. Выполненные оценки качественно согласуются с

101

результатами тестирования определения твердости [234].

механических характеристик стали путем

Методами оптической и электронной дифракционной микроскопии выполнен анализ фазового состава и дефектной субструктуры рельсов категорий «В», «ИК», «НЭ», подвергнутых объемной закалке. Установлено, что объемная закалка рельсов независимо от категории сопровождается формированием многофазной, морфологически разноплановой структуры, образующейся по диффузионному и сдвиговому механизмам у <-> а - превращения твердого раствора на основе железа. Показано, что основной объем структуры рельсовой стали сформирован по диффузионному механизму у а - превращения, что привело к образованию зерен пластинчатого и, существенно реже, глобулярного перлита, зерен феррито-карбидной смеси и зерен структурно свободного феррита. Выявлен градиентный характер структуры рельсов, формирующийся в результате объемной закалки. 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 дефектной субструктуры стали. Установлено, что предпочтительными местами зарождения микротрещин (концентраторы напряжений) в стали являются границы раздела глобулярные частицы/матрица. 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.

102

ГЛАВА 4 СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И ДЕФЕКТНАЯ

СУБСТРУКТУРА ДИФФЕРЕНЦИРОВАННО ЗАКАЛЕННЫХ

РЕЛЬСОВ ДТ350

4.7 сос/иояния рбльсоб,

Методами металлографии установлено, что микроструктура рельсов после закалки по режиму 3 представляет собой мелкодисперсный тонкопластичнатый перлит. По границам зерен перлита выявляется структурно-свободный феррит, количество которого существенно уменьшается с увеличением расстояния до поверхности катания. Вблизи поверхности в слое толщиной -144 мкм зерна феррита формируют сетки вдоль границ зерен перлита (рисунок 4.1, а); на удалении от поверхности образца до 250 мкм зерна феррита наблюдаются в виде отдельных разрозненных вкраплений (рисунок 4.1, а). При большем удалении от поверхности катания зерна феррита методами металлографии не выявляются (рисунок 4.1, б).

Рисунок 4.1- Микроструктура рельсов, дифференцированно закаленных по режиму 3 у поверхности катания (а) и на глубине 10 мм (б)

103

Величина действительного зерна, оцениваемая по сплошной сетке феррита по границам зёрен, относится преимущественно к 5-6 номеру шкалы ГОСТ 5639. С увеличением расстояния от поверхности закалки количество феррита и дисперсность перлитных колоний уменьшаются, а межпластинчатое расстояние увеличивается. На глубине 10 мм межпластинчатое расстояние в колониях перлита составляет 140 нм против 110 нм на поверхности катания.

Таким образом, дифференцированная закалка рельсов по режиму 3, сопровождается формированием перлитной структуры с вкраплениями зерен структурно-свободного феррита по границам. С увеличением расстояние от поверхности охлаждения относительное содержание феррита снижается.

Фазовый состав слоя стали толщиной -10 мм, примыкающего к поверхности охлаждения, определяли методами рентгенофазового анализа. Результаты рентгенофазового исследования образцов приведены в таблице 4.1, из которой видны различия в состоянии стали вдоль центральной оси и на выкружке. А именно, в объеме материала на центральной оси относительное содержание цементита ниже, параметр решетки cr-Fe меньше, микронапряжения (Ad/d) выше, размеры областей когерентного рассеяния (Dour) меньше, чем у объема стали, расположенного на выкружке. В совокупности данные факты указывают на более высокую степень отпуска объема материала, расположенного вдоль центральной оси, и, соответственно, на более высокую скорость охлаждения материала, расположенного на выкружке.

Таблица 4.1 - Результаты рентгеноструктурного анализа рельсов, подвергнутых

дифференцированной закалке

Режим закалки Фазовый состав, % я (а-Ғе), нм Ad/d DoKP, нм

a-Fe ҒеуС

3 (ось) 90 10,0 0,28660 0,008 63,4

3 (выкружка) 88,6 11,4 0,28678 0,007 87,5

104

Выполненные ПЭМ исследования показали, что по морфологическому признаку можно выделить следующие структурные составляющие рельсовой стали: перлит пластинчатый, являющийся основной составляющей структуры исследуемой стали, зерна феррито-карбидной смеси и зерна структурно свободного феррита.

Рисунок 4.2 - ПЭМ изображение перлита пластинчатой морфологии; а, б -

светлопольные изображения; в — микроэлектронограмма

Перлит пластинчатой морфологии является эвтектоидной смесью феррита и цементита, в которой обе фазы имеют форму пластинок [2, 223, 231]. Характерное электронно-микроскопическое изображение пластинчатого перлита приведено на рисунке 4.2.

В большинстве случаев структура перлитных колоний исследуемой стали несовершенна. А именно: пластины цементита искривлены, разделены ферритными промежутками, имеют переменную толщину (рисунок 4.2).

В объеме пластин феррита наблюдается дислокационная субструктура в виде хаотически распределенных дислокаций или дислокаций, формирующих сетчатую субструктуру (рисунок 4.3, а); скалярная плотность дислокаций изменяется в пределах (4,2...6,0)х10*^ см^. Пластины цементита имеют блочную структуру (рисунок 4.3, б). Размеры блоков изменяются в пределах (15...25) нм.

105

Рисунок 4.3 - Дефектная субструктура пластин феррита (а) и цементита (б)

колонии перлита; а — светлое поле; б - темное поле, полученное в рефлексе

[031]ҒезС; в - микроэлектронограмма, стрелкой указан рефлекс, в котором

получено темное поле

Зернами феррито-карбидной смеси в настоящем разделе (как и выше) условно названы зерна (субзерна) феррита, в объеме которых присутствуют частицы цементита глобулярной формы и в виде коротких пластинок (рисунок 4.4). Практически всегда частицы цементита расположены в объеме зерна хаотически. Можно предположить, что такие зерна сформировались по диффузионному механизму и являются дефектным пластинчатым перлитом или глобулярным перлитом [225]. Скалярная плотность дислокаций в зернах феррито-карбидной смеси изменяется в весьма широких пределах: от -lxlO'^ см^ в областях со структурой дислокационного хаоса, до (7...8)х10'° см'^ в сетчатой субструктуре, расположенной вблизи частиц карбидной фазы (рисунок 4.4). На рисунке 4.5. представлены для сравнения микрофотографии дислокационных структур, формирующихся преимущественно в пластинах феррита колоний перлита (рисунок 4.5, а) и в зернах феррито-карбидной смеси вблизи частиц глобулярного цементита (рисунок 4.5, б).

106

Рисунок 4.4 - ПЭМ изображение структуры зерен феррито-карбидной смеси

Рисунок 4.5 - Дислокационная субструктура, формирующаяся в рельсах

107

Зернами структурно свободного феррита в настоящей работе названы зерна феррита, свободные от выделений цементита (рисунок 4.6). В подавляющем большинстве случаев зерна структурно свободного феррита располагаются вдоль границ зерен перлита в виде протяженных прослоек или цепочек отдельных зерен, поперечные размеры которых изменяются в пределах от -0,5 мкм до -2,0 мкм. В объеме зерен присутствует дислокационная субструктура в виде хаотически распределенных дислокаций (рисунок 4.6, а), а также сетчатая (рисунок 4.6, в) и фрагментированная дислокационная субструктура. В объеме фрагментов наблюдается дислокационная субструктура в виде сеток и хаотически распределенных дислокаций. Скалярная плотность хаотически распределенных дислокаций -1,0x10*° см^; скалярная плотность дислокаций, формирующих сетки, -3,5x10*° см'^.

Рисунок 4.6 - ПЭМ изображения зерен структурно свободного феррита

Относительное содержание данных типов структуры зависит от глубины залегания исследуемых слоев и места расположения (по центральной оси или на выкружке) (таблица 4.2). Анализируя результаты, приведенные в таблице 4.2, можно отметить, что относительная объемная доля зерен структурно свободного феррита мала и изменяется в пределах от 0,01 до 0,02 структуры стали. Существенно более весома относительная объемная доля зерен феррито-карбидной смеси, величина которой изменяется в пределах от 0,15 до 0,43 структуры стали. При этом относительное содержание зерен феррито-карбидной смеси на выкружке несколько ниже, чем на центральной оси. С увеличением расстояния от поверхности образца относительное содержание зерен

108

пластинчатого перлита увеличивается, а зерен феррито-карбидной смеси уменьшается.

Таблица 4.2 - Относительное содержание структурных составляющих рельсов

Режим закалки Расстояние от поверхности, мм По центральной оси По выкружке

V(l) V(2) V(3) V(l) V(2) V(3)

3 0 0,55 0,43 0,02 0,64 0,35 <0,01

2 0,77 0,22 <0,01 0,69 0,30 <0,01

10 0,78 0,21 <0,01 0,84 0,15 <0,01

Примечание: V(l) - относительное содержание зерен перлита; V(2) -относительное содержание зерен феррито-карбидной смеси; V(3) - относительное содержание зерен структурно свободного феррита.

Как отмечалось выше, зерна феррито-карбидной смеси следует делить на два типа; зерна феррита, содержащие частицы глобулярной формы (рисунок 4.4, б) и зерна феррита, содержащие частицы пластинчатой формы (рисунок 4.4, в). Выполненные исследования показали, что относительное содержание зерен феррито-карбидной смеси, содержащих частицы глобулярной или пластинчатой формы, также зависит от глубины залегания исследуемых слоев и места их расположения (по центральной оси или на выкружке). А именно, с увеличением расстояния от поверхности катания относительное содержание зерен с глобулярными частицами снижается по центральной оси от 10% до 4%; на выкружке от 21 % до 3 % (остальное - зерна феррито-карбидной смеси с частицами цементита пластинчатой формы).

Следовательно, поверхностный слой исследуемых образцов рельсовой стали характеризуется сравнительно более неравновесным состоянием структуры, что, очевидно, обусловлено повышенной скоростью его охлаждения.

Дисперсность структуры перлита оценивали по величине межпластинчатого расстояния. Выполненные оценки показали, что межпластинчатое расстояние изменяется в пределах от 110 нм до 140 нм и в пределах ошибки измерения не зависит от расстояния до поверхности охлаждения и места расположения

109

анализируемого слоя. Следуя ГОСТ 8233-56, можно сказать, что перлитная структура исследуемой рельсовой стали относится к первому баллу, характеризуется как сорбитообразная, тип структуры - троостит.

Наряду с вышеперечисленными структурами, на выкружке в слое, примыкающем к поверхности катания, присутствуют зерна с пластинчатой структурой a-фазы (рисунок 4.7, а). Вдоль границ пластин располагаются частицы карбидной фазы глобулярной формы, размеры которых изменяются в пределах (30...50) нм. По морфологическому признаку такую структуру можно отнести к верхнему бейниту, либо к отпущенному мартенситу [223, 225].

Рисунок 4.7 - ПЭМ изображения структуры рельсовой стали на выкружке;

а, г - светлопольные изображения; б, в - микроэлектронограммы

На выкружке в слое стали, расположенном на расстоянии -2 мм от поверхности катания, выявлены зерна феррито-карбидной смеси, характеризующиеся высоким уровнем разориентации элементов внутризеренной структуры (субзерен), на что указывает квазикольцевой характер микроэлектронограмм (рисунок 4.7, б, в). Азимутальную составляющую угла полной разориентации Аа элементов субструктуры оценивали по методике, изложенной в [210]. Выполненные оценки показали, что Да -13 град. Размеры субзерен изменяются в пределах от 50 нм до 100 нм, размеры частиц карбидной фазы, имеющих округлую форму, от 10 нм до 30 нм (рисунок 4.7, г). Относительное содержание таких структур (3...5)% объема материала, занятого зернами феррито-карбидной смеси.

110

Указанные факты подтверждают сделанный выше вывод о неравновесности структуры поверхностного слоя исследуемых образцов рельсовой стали, подчеркивая более неравновесный характер структуры, формирующейся на выкружке. Причиной тому является, как отмечалось ранее, более высокая скорость охлаждения объема стали на выкружке.

Рисунок 4.8 - Электронно-микроскопическое изображение структуры рельсов с изгибными контурами экстинкции

Анализ электронно-микроскопических изображений позволил выявить в структуре стали изгибные контуры экстинкции (рисунок 4.8). Наличие на электронно-микроскопических изображениях структуры изгибных контуров экстинкции указывает на изгиб-кручение кристаллической решетки данной области материала, а, следовательно, на внутренние поля напряжений, искривляющие тонкую фольгу [210, 226]. Расположение изгибных контуров экстинкции указывает на источники внутренних полей напряжений (концентраторы напряжений). В исследуемой стали концентраторами напряжений

Ill

являются границы раздела пластин цементита зерен перлита (рисунок 4.8, а), границы раздела колоний перлита (рисунок 4.8, б), границы раздела

частица/матрица (рисунок 4.8, в). Изгибные экстинкционные контуры

наблюдаются и в объеме частиц цементита (рисунок 4.8, г).

В работах [227, 228] показано, что ширина изгибного экстинкционного контура обратно пропорциональна величине изгиба-кручения кристаллической решетки (амплитуде внутренних полей напряжений). Следовательно, проследив изменение данного параметра контура, можно указать источник внутренних полей напряжений (концентратор напряжений) и оценить его интенсивность. Пример такого анализа изгибных контуров экстинкции, формирующихся у частиц второй фазы, приведен на рисунке 4.9. Отчетливо видно, что ширина контура быстро увеличивается по мере удаления от частицы (рисунок 4.9, б).

Следовательно, максимальный уровень внутреннего поля напряжений реализуется на границе раздела частица/матрица.

Рисунок 4.9 - Электронно-микроскопическое изображение структуры рельсов (а); б - зависимость ширины изгибного контура (Һ) от расстояния от частицы карбидной фазы (X) (частица указана стрелкой)

Дифференцированная закалка стали воздушной, водо-воздушной или другими средами предполагает формирование в материале градиентного структурно-фазового состояния [3,233]. Анализ этого вопроса осуществляли,

112

исследуя фольги, расположенные на расстоянии 0, 2, 10 мм от поверхности катания. В качестве количественных параметров, характеризующих градиентное состояние структуры стали, использовали относительное содержание структурных составляющих стали (зерен перлита, феррита и феррито-карбидной смеси), величину скалярной плотности дислокаций, межпластинчатое расстояние колоний перлита, величину разориентации элементов субструктуры, относительное содержание частиц глобулярной и пластинчатой форм в зернах феррито-карбидной смеси. Зависимости, наиболее отчетливо характеризующие градиентный характер формирующейся в рельсовой стали структуры, приведены на рисунках 4.10-4.12.

Рисунок 4.10- Зависимость относительного содержания зерен перлита

(кривые 1 и 2) и зерен феррито-карбидной смеси (кривые 3 и 4) от расстояния до поверхности катания. Кривые 1 и 3 - изменение содержания зерен перлита и зерен феррито-карбидной смеси по центральной оси;

кривые 2 и 4 - по выкружке

Анализируя представленные на рисунке 4.10 зависимости, можно отметить, что основной структурной составляющей стали является перлит пластинчатый, относительное содержание которого у поверхности катания в —1,5 раза, а на глубине 10 мм - в -2 раза выше, чем зерен феррито-карбидной смеси. Относительное содержание зерен структурно-свободного феррита не превышает 1,5 % и не зависит от расстояния до поверхности катания.

113

Зависимость скалярной плотности дислокаций от расстояния от поверхности катания обнаруживается лишь для структуры, формирующейся вдоль центральной оси (рисунок 4.11, кривые 1 и 3). Эта тенденция характерна и для зерен перлита и для зерен феррито-карбидной смеси. При анализе дислокационной субструктуры стали по выкружке такой тенденции не выявлено (рисунок 4.11, кривые 2 и 4).

Рисунок 4.11 - Зависимость скалярной плотности дислокаций, расположенных в зернах феррито-карбидной смеси (кривые 1 и 2) и зернах перлита (кривые 3 и 4) от расстояния до поверхности катания. Кривые 1 и 3 - изменение скалярной плотности дислокаций в объеме материала вдоль центральной оси; кривые 2 и 4 -по выкружке

Анализируя результаты, представленные на рисунке 4.12 (кривые 1 и 2), можно отметить, что азимутальная составляющая угла полной разориентации элементов субструктуры зерен феррито-карбидной смеси изменяется в пределах от 5,4 град до 10,7 град, и увеличивается по мере удаления от поверхности катания. Данная тенденция наиболее отчетливо проявляется при исследовании структуры на выкружке. Удаление от поверхности катания (поверхности охлаждения) выявило явно выраженную тенденцию снижения относительного содержания зерен феррита с глобулярными частицами цементита (глобулярного перлита) (рисунок 4.12, кривые 3 и 4). Следовательно, дифференцированная закалка способствует созданию в поверхностном слое рельсовой стали условий,

114

благоприятствующих формированию глобулярного перлита. Данная тенденция особенно явно выражена для структуры по выкружке.

X, мм

Рисунок 4.12 - Зависимость азимутальной составляющей угла полной разориентации элементов дислокационной субструктуры зерен феррито-карбидной смеси (кривые 1 и 2) и относительного содержания частиц глобулярной формы в зернах феррито-карбидной смеси (кривые 3 и 4) от расстояния от поверхности катания; кривые 1 и 4 - изменение указанных параметров структуры стали по выкружке; кривые 2 и 3 - вдоль центральной оси

Отметим еще раз, что величина межпластинчатого расстояния зерен перлита сравнительно слабо зависит от расстояния анализируемого слоя до поверхности катания и направления исследования (по центральной оси или по выкружке) и не может быть использована в качестве параметра, характеризующего градиентность структуры стали.

Таким образом, дифференцированная закалка рельсовой стали сопровождается формированием морфологически разноплановой структуры, образующейся по диффузионному механизму у а - превращения твердого раствора на основе железа и представленной зернами пластинчатого перлита, зернами структурно свободного феррита и зернами феррито-карбидной смеси. Выполнен анализ изменения параметров структуры стали с увеличением

115

расстояния от поверхности катания и выявлен градиентный характер формирующейся структуры материала.

злкдл(?ллы(?ра/мсм ио 7-Jty /?ю/сдл(у;

СОС/ЛЛС Л ЭЛСЛО/ЛЛ(Л0ЛЛ#Я с^^сл^кл^я

Исследования, выполненные методами металлографии, показали, что микроструктура поверхностного слоя стали, независимо от направления анализа, представляет собой преимущественно мелкодисперсный тонкопластинчатый перлит. По границам зерен перлита выявляется структурно-свободный феррит в виде сетки (вблизи поверхности в слое толщиной -150 мкм) и в виде отдельных разрозненных вкраплений (на удалении от поверхности образца до -300 мкм). Величина действительного зерна, оцениваемая по сплошной сетке феррита по границам зёрен, изменяется в пределах 6-7 номеров шкалы ГОСТ 5639. На глубине 10 мм микроструктура стали представлена перлитом. Феррит наблюдается в виде редко расположенных по границам зерен вкраплений. Характерные изображения структуры травленого шлифа образца, демонстрирующие изменение структуры стали в зависимости от расстояния до поверхности охлаждения, представлены на рисунке 4.13.

Таким образом, дифференцированная закалка сопровождается формированием перлитной структуры с вкраплениями зерен структурносвободного феррита по границам. С увеличением расстояние от поверхности охлаждения относительное содержание феррита снижается.

Результаты рентгенофазового исследования образцов приведены в таблице 4.3.

Таблица 4.3 - Результаты рентгеноструктурного анализа рельсов, подвергнутых

дифференцированной закалке по режиму 1

Режим закалки Фазовый состав, % <2 (Ғе), нм Ad/d DoKP, нм

Fe ҒезС

1 (ось) 89 И 0,28638 0,005 108,9

1 (выкружка) 92,7 7,3 0,28664 0,007 83,7

116

Рисунок 4.13 - Микроструктура рельсов у поверхности (а) и на глубине 10

мм (б) от поверхности катания. Режим закалки - 1

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 бУ-Ғе меньше, микронапряжения (Ad/d) ниже, размеры областей когерентного рассеяния (Dour) 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 фольг

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 и

117

частицами в виде коротких пластинок наблюдаются раздельно, что позволило

оценить их относительное содержание в материале, равное 1:10.

Рисунок 4.14 - ПЭМ изображения структуры рельсов

Таблица 4.4 - Относительное содержание структурных составляющих

рельсов ДТ 350

Режим закалки Расстояние от поверхности, мм По центральной оси По выкружке

V(l) V(2) V(3) V(l) V(2) V(3)

1 0 0,67 0,28 0,05 0,61 0,37 0,02

2 0,82 0,17 <0,01 0,63 0,34 0,03

10 0,73 0,26 <0,01 0,71 0,28 <0,01

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

118

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 4x10*° см'^ до 5,5x10*° см"2. 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.

119

Рисунок 4.15 - Электронно-микроскопическое изображение дислокационной субструктуры

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.

Рисунок 4.16- ПЭМ изображения наноразмерных частиц карбидной фазы; а, б - светлопольные изображения; в - микроэлектронограмма; на (а) стрелками указаны частицы карбидной фазы

120

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 структурносвободного 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.

Анализ структуры и фазового состава рельсов, выполненный методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии тонких фольг, показал, что не зависимо от номера режима закалки в поверхностном слое образцов толщиной -10 мм формируется поликристаллическая структура, представленная зернами перлита пластинчатой морфологии (эвтектоидная смесь феррита и цементита, в которой обе фазы имеют форму протяженных пластинок) (рисунок 4.17, а), зернами феррита, в объеме которых наблюдаются частицы цементита разнообразной формы (далее по тексту, зерна феррито-карбидной

121

смеси) (рисунок 4.17, в-д) и зернами структурно свободного феррита (зернами феррита, не содержащими в объеме частиц карбидной фазы) (рисунок 4.17, е).

Относительное содержание данных типов структуры зависит и от направления исседования, и от глубины залегания исследуемых слоев. Анализируя результаты, приведенные в таблице 4.5 и на рисунке 4.18, можно отметить, что основным типом структуры рельсовой стали является перлит пластинчатой морфологии, относительное содержание которого изменяется в пределах от 34 % до 87 %. Несколько меньшая относительная объемная доля зерен феррито-карбидной смеси (от 12 % до 65 % структуры стали).

Относительная объемная доля зерен структурно свободного феррита мала и изменяется в пределах от 1 % до 5 % структуры стали.

Таблица 4.5 - Относительное содержание структурных составляющих рельсов ДТ

350, подвергнутых дифференцированной закалке по различным режимам

№ режима закалки Расстояние от поверхности, мм По центральной оси По выкружке

V(l) V(2) V(3) V(l) V(2) V(3)

1 0 0,67 0,28 0,05 0,61 0,37 0,02

2 0,82 0,17 <0,01 0,63 0,34 0,03

10 0,73 0,26 <0,01 0,71 0,28 <0,01

2 0 0,34 0,65 <0,01 0,60 0,39 <0,01

2 0,76 0,23 <0,01 0,71 0,28 <0,01

10 0,87 0,12 <0,01 0,69 0,30 <0,01

3 0 0,55 0,43 0,02 0,64 0,35 <0,01

2 0,77 0,22 <0,01 0,69 0,30 <0,01

10 0,78 0,21 <0,01 0,84 0,15 <0,01

Примечание: V(l) - относительное содержание зерен перлита; V(2) -относительное содержание зерен феррито-карбидной смеси; V(3) — относительное содержание зерен структурно свободного феррита.

122

(режим закалки 2, ось); феррито-карбидной смеси (в-д - режим закалки 1, в, г —

ось, д - выкружка) и структурно свободного феррита (е, зерно обозначено «Ф»),

(режим закалки 1, выкружка); а, в-е светлопольные изображения; б -

микроэлектронограмма к (а)

123

О 2 4 6 8 10

X, ММ

Рисунок 4.18 - Зависимость относительного содержания зерен пластинчатого перлита и зерен феррито-карбидной смеси от расстояния от поверхности катания. Обозначено: первая цифра - номер режима закалки; вторая цифра - относительное содержание зерен пластинчатого перлита (1) или зерен феррито-карбидной смеси (2); ось - анализ вдоль центральной оси; В - по выкружке

Просматривается определенная закономерность в изменении структуры стали в зависимости от расстояния до поверхности катания. А именно, с увеличением расстояния от поверхности катания относительное содержание зерен пластинчатого перлита увеличивается. Следовательно, поверхностный слой исследуемых образцов рельсовой стали характеризуется сравнительно более неравновесным состоянием структуры, что, очевидно, обусловлено повышенной скоростью его охлаждения.

Очевидно, что прочностные характеристики рельсовой стали, как и любого другого материала, определяются не только соотношением ее структурных составляющих, но и состоянием их дефектной субструктуры. В связи с этим рассмотрим более подробно субструктуру выявленных составляющих структуры рельсовой стали.

124

Зерна сирук/ярумп? сяойоЭноео располагаются цепочками либо

протяженными прослойками между зернами перлита (рисунок 4.19). Размеры зерен структурно свободного феррита изменяются в пределах от десятых долей до единиц микрометров. Часто вдоль границ таких зерен располагаются частицы цементита преимущественно глобулярной формы. Размеры частиц изменяются в

пределах от десятков до сотен нанометров.

Рисунок 4.19 - ПЭМ изображения зерен структурно свободного феррита рельсов; а, в - светлопольные изображения; б - микроэлектронограмма;

значком «Ф» обозначено зерно структурно свободного феррита

З^рнд ллдстииячл/иоао преимущественно несовершенны. Часто

пластины цементита искривлены и непараллельны друг другу, имеют различного типа сростки, наблюдаются ферритные мостики (участки феррита, разделяющие пластину цементита) (рисунок 4.20).

Дисперсность структуры перлита оценивали по величине межпластинчатого расстояния. Результаты данных оценок приведены в таблице 4.6 и на рисунке 4.21.

Анализируя представленные таким образом результаты, можно отметить, что величина межпластинчатого расстояния изменяется в пределах от 105 нм до 200 нм и либо снижается при переходе от поверхности катания к слою, расположенному на глубине 10 мм (режимы упрочнения 1 и 2), либо не зависит от расстояния до поверхности катания (режим 3).

125

a

Рисунок 4.20 — ПЭМ изображение перлита пластинчатой морфологии рельсов

Таблица 4.6 - Средние значения величины межпластинчатого расстояния (Һ)

зерен перлита рельсов

№ режима термоупрочнения Расстояние от поверхности, мм Һ, нм (по центральной оси) Һ, нм (по выкружке)

№1 0 165 190

2 120 135

10 135 125

№2 0 150 200

2 105 130

10 120 150

№3 0 110 130

2 110 125

10 140 130

126

В образцах, упрочненных по режимам 1 и 2, средняя по исследованному поверхностному объему стали толщиной -10 мм величина межпластинчатого расстояния практически одинакова и равна 145 нм и 142,5 нм, соответственно. В образце, упрочненному по 3 режиму, средняя величина межпластинчатого расстояния меньше и составляет 124 нм. Следуя ГОСТ 8233-56, можно сказать, что перлитная структура всех образцов исследуемой рельсовой стали относится к первому баллу, характеризуется как сорбитообразная, тип структуры - троостит.

Рисунок 4.21 - Зависимость межпластинчатого расстояния зерен пластинчатого перлита от расстояния от поверхности катания.

Обозначено: цифра - номер режима упрочнения; ось - анализ вдоль центральной оси; В — на выкружке

Зерна феррнАИ(?-кар%на)нои сумеем характеризуются наличием в объеме частиц карбидной фазы, размеры и форма которых изменяются в широких пределах (рисунок 4.17, в-д). На рисунке 4.22 приведены электронно-

микроскопические изображения наиболее характерных зерен феррито-карбидной смеси, различающихся формой и размерами частиц карбидной фазы.

Зерна феррито-карбидной смеси фрагментированы, т.е. разбиты на области с небольшой разориентацией (рисунок 4.23). По границам фрагментов располагаются частицы карбидной фазы пластинчатой или глобулярной формы. Размеры частиц изменяются в пределах от 20 нм до 40 нм. Средние размеры

127

Рисунок 4.22 - ПЭМ изображение зерен феррито-карбидной смеси; а-д -

светлопольные изображения; е - темное поле, полученное в рефлексе

[122]ҒезС; ж - микроэлектронограмма (стрелкой указан рефлекс, в котором

получено темное поле)

фрагментов составляют 120 нм. Фрагменты разделены малоугловыми границами. Величина азимутальной составляющей полного угла разориентации фрагментов Да, определенная по методике, представленной в [210], изменяется в пределах от

128

5,1 град, до 10,0 град, (рисунок 4.24, таблица 4.7). Усреднение по анализируемому объему образцов (объему слоя толщиной 10 мм) показывает, что величина угла Да для рельсов, термоупрочненных по первому режиму, составляет 6,3 град., для второго режима упрочнения - 7,4 град., для третьего - 8,1 град.

Рисунок 4.23 - Субструктура зерен феррито-карбидной смеси рельсов.

Ф - фрагменты

Таблица 4.7 — Средняя величина азимутальной составляющей полного угла разориентации фрагментов зерен феррито-карбидной смеси рельсов

№ режима термоупрочнения Расстояние от поверхности, мм Да, град, (по центральной оси) Да, град, (на выкружке)

1 0 7,75 5,1

2 5,5 7,2

10 7,35 5,1

2 0 7,7 8,2

2 9,6

10 4,4 9,5

3 0 7,85 6,0

2 5,4 10,7

10 8,3 10,1

Как отмечалось выше, зерна ферритно-карбидной смеси характеризуются наличием в объеме зерна феррита частиц карбидной фазы. Частицы карбидной

129

фазы различаются по размерам и форме. Выделяются частицы глобулярной формы и частицы в виде коротких пластинок.

Рисунок 4.24 - Зависимость средней величины азимутальной составляющей полного угла разориентации фрагментов зерен феррито-карбидной смеси от расстояния от поверхности катания.

Обозначено: цифра - номер режима термообработки; ось — анализ вдоль центральной оси; В - по выкружке

Из анализа характерных электронно-микроскопических изображений (рисунок 4.22) частиц карбидной фазы, присутствующих в объеме зерен ферритно-карбидной смеси, можно предположить, что зерна с глобулярными частицами цементита являются зернами глобулярного перлита; зерна с частицами цементита в виде коротких пластинок можно отнести к зернам высокодефектного пластинчатого перлита.

Анализируя результаты, представленные в таблице 4.8 и на рисунке 4.25, можно отметить, что объемная доля зерен с глобулярными частицами карбидной фазы изменяется в пределах от 1 % до 21,4 %. В образце после термообработки по 1-му режиму объемная доля зерен с глобулярными частицами карбидной фазы увеличивается по мере удаления от поверхности образца; в образце после термообработки по 2-му режиму - увеличивается незначительно, проходя через максимум (минимум) в слое, расположенном на глубине 2 мм; в образце после 3

130

режима - уменьшается по мере удаления от поверхности образца. Усреднение по анализируемому объему образцов (объему слоя толщиной 10 мм) показывает, что объемная доля зерен с глобулярными частицами карбидной фазы для рельсов, упрочненных по 1-му режиму, составляет 4,2%, по второму режиму - 4,3%, по третьему режиму - 7,8%.

Рисунок 4.25 - Зависимость относительного содержания зерен феррито-карбидной смеси с глобулярными частицами от расстояния от поверхности катания. Обозначено: цифра - номер режима закалки; ось - анализ вдоль центральной оси; В - по выкружке

Таблица 4.8 - Относительное содержание глобул в зернах феррито-карбидной

смеси рельсов

№ режима термообработки Расстояние от поверхности, мм AV, % (по центральной оси) AV, % (по выкружке)

1 0 2 1

2 1 5,5

10 10 5,6

2 0 1,3 5,3

2 5 1,1

10 1,5 7,2

3 0 10,3 21,4

2 4,1 3,7

10 4,2 3

131

Особняком в данной классификации стоят зерна феррито-карбидной смеси, характеризующиеся высоким уровнем разориентации элементов внутризеренной структуры (фрагментов) (рисунок 4.26, а), на что указывает квазикольцевой характер микроэлектронограмм (рисунок 4.26, б).

Рисунок 4.26 - ПЭМ изображение зерен феррито-карбидной смеси а -

светлопольные изображения; б - микроэлектронограмма

Азимутальную составляющую угла полной разориентации Да элементов субструктуры оценивали по методике, изложенной в [210]. Выполненные оценки показали, что Да, = -13 град. Размеры фрагментов таких зерен изменяются в пределах от 50 нм до 100 нм, размеры частиц карбидной фазы, имеющих округлую форму, от 10 нм до 30 нм (рисунок 4.26, а). Относительное содержание данных зерен зависит от режима закалки и составляет для 1-го и 2-го режимов менее -1 %; для 3-го режима -5 % объема материала, занятого зернами феррито-карбидной смеси.

Ферритная составляющая структуры стали дефектна. Методами электронной микроскопии выявлена дислокационная субструктура в виде хаотически распределенных дислокаций (рисунок 4.27, а), сетчатая (рисунок 4.27,

132

б), ячеистая (рисунок 4.27, в) и фрагментированная (рисунок 4.27, г) дислокационная субструктуры. В феррите перлитных зерен наблюдаются лишь первые два типа дислокационной субструктуры (субструктура дислокационного хаоса и сетчатая дислокационная субструктура); ячеистая и фрагментированная дислокационная субструктуры выявляются лишь в зернах структурно свободного феррита и в зернах феррито-карбидной смеси.

Рисунок 4.27 - ПЭМ изображения дислокационной субструктуры рельсов; а -хаотически распределенные дислокации; б - сетчатая дислокационная субструктура; в - ячеистая дислокационная субструктура; г -фрагментированная дислокационная субструктура

Скалярная плотность дислокаций в ферритной составляющей структуры исследованных образцов стали (</?>) изменяется в широких пределах от 2x10'^ см* 2 до 8,Ох1О*о см'2 (таблица 4.9, рисунок 4.28).

133

Таблица 4.9 - Скалярная плотность дислокаций в структурных

составляющих рельсов

№ режима закалки Расстояние от поверхности, мм По центральной оси На выкружке

РО), ю'°, СМ'2 Р(2), to'", см'" р(1), 10'", СМ'2 р(2), 10'", СМ'2

1 0 4,4 5,4 4,3 5,7

2 4,0 5,5 4,3 5,3

10 4,5 4,9 4,2 4,8

2 0 3,8 5,2 4,5 5,3

2 5,0 4,6 4,75 5,1

10 4,3 4,8 4,6 5,1

3 0 3,2 4,5 3,8 4,2

2 4,0 4,8 4,3 5,0

10 5,0 6,0 3,7 5,1

Примечание: р(1) - скалярная плотность дислокаций в ферритной составляющей зерен перлита; р(2) - скалярная плотность дислокаций в зернах феррито-карбидной смеси. .

Максимального значения скалярная плотность дислокаций достигает вблизи глобулярных частиц карбидной фазы (рисунок 4.27, б) и составляет -8x10'° см^. Представленные на рисунке 4.28 результаты анализа дислокационной субструктуры ферритной составляющей зерен перлита и зерен феррито-карбидной смеси позволили выявить некоторые закономерности в изменении данной характеристики стали. А именно, в зернах феррито-карбидной смеси величина скалярной плотности дислокаций несколько выше, чем в ферритной составляющей зерен перлита не зависимо от режима закалки, направления исследования и расстояния исследуемого слоя от поверхности образца. С другой стороны, величина скалярной плотности дислокаций (в пределах ошибки измерения, составляющей ± 20 % от измеренного значения [210]) практически не зависит от расстояния до поверхности исследуемых образцов.

134

6,0-

5.5-§ 5,0-2 4,5-л

9- 4,0-

3.5-

3,0-

X, мм

Рисунок 4.28 - Зависимое ;ь скалярной плотности дислокаций в структурных составляющих рельсов ДТ 350 от расстояния от поверхности катания. Обозначено: первая цифра - номер режима закалки; вторая цифра -скалярная плотность дислокаций в ферритной составляющей зерен перлита (1) или зерен феррито-карбидной смеси (2); ось - анализ вдоль центральной оси;

В - по выкружке

Рисунок 4.29 - ПЭМ изображение пластин цементита; а - светлопольное изображение; б - темное поле, полученное в рефлексе [031]ҒезС + [110]ot-Fe; в - микроэлектронограмма (стрелкой указан рефлекс, в котором получено темное поле)

135

Пластины цементита перлитных зерен также дефектны. Электронномикроскопическое изображение субструктуры пластин цементита перлитной колонии приведено на рисунке 4.29. Методами темнопольного анализа (изображение структуры пластины цементита получено в рефлексе карбидной фазы, рисунок 4.29, б) установлено, что пластины цементита разбиты на фрагменты размерами (20...30) нм. Размеры фрагментов практически не зависят от номера образца и расстояния исследуемого слоя от поверхности образца.

указаны стрелками

Электронно-микроскопические исследования структуры стали методами тонких фольг на просвет позволили выявить изгибные контуры экстинкции [210, 211]. Наличие в структуре материала из гиб пых контуров экстинкции указывает на изгиб-кручение кристаллической решетки данной области материала, а,

136 следовательно, на внутренние поля напряжений, искривляющие тонкую фольгу и, соответственно, упрочняющие материал. Анализируя изгибные контуры экстинкции, можно указать источники внутренних полей напряжений и их относительную величину, т.е. выявить концентраторы напряжений. В результате выполненных исследований установлено, что источниками внутренних полей напряжений являются границы раздела зерен перлита (рисунок 4.30, а, б), зерен перлита и зерен феррита (рисунок 4.30, в). В данном случае контур начинается от границы раздела зерен. Довольно части источниками полей напряжений являются частицы второй фазы, расположенные по границам и в объеме зерен (рисунок 4.30, г).

Общепризнанно, 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, 120 нм. Средняя ширина изгибных контуров экстинкции, выявляемых в зернах структурно свободного феррита — 80 нм; в зернах феррито-карбндной смеси, 75 нм. Минимальная ширина изгибных контуров экстинкции выявляется вблизи частиц карбидной фазы, присутствующих в зернах феррито-карбидной смеси, и составляет 40...50 нм. Следовательно, максимальных значений внутренние поля напряжений будут достигать вблизи частиц второй фазы. Последнее означает, что частицы карбидной фазы являются потенциальными местами формирования микротрещин (являются концентраторами напряжений) и могут быть опасны при эксплуатации

изделия.

137

Выполненные послойные исследования структуры, фазового состава и дефектной субструктуры рельсов ДТ350, подвергнутых дифференцированной закалке, показали, что, независимо от расстояния до поверхности катания и направления исследования (по центральной оси или по выкружке) закалка сопровождается формированием морфологически многоплановой структуры, представленной зернами пластинчатого перлита, зернами феррито-карбидной смеси и зернами структурно-свободного феррита, располагающимися в виде вкраплений по границам зерен перлита. Осуществлен количественный анализ и выявлены основные параметры, характеризующие состояние структуры стали. Показано, что формирующаяся структура имеет явно выраженных градиентный характер: состояние поверхностного слоя (слоя толщиной -10 мм) исследуемой рельсовой стали зависит от номера режима закалки, направления исследования (по центральной оси или на выкружке) и глубины залегания (поверхность, 2 мм, 10 мм от поверхности) анализируемого слоя. Общим для исследованных рельсов является факт снижения относительного содержания зерен структурносвободного феррита и зерен феррито-карбидной смеси с увеличением расстояния от поверхности охлаждения. Следовательно, поверхностный слой исследуемых образцов рельсов характеризуется сравнительно более неравновесным состоянием структуры, что, очевидно, обусловлено повышенной скоростью его охлаждения.

138

ГЛАВА 5 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ СОСТОЯНИЙ В РЕЛЬСАХ ПОСЛЕ ОБЪЕМНОЙ И ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОЙ ЗАКАЛКИ

Предыдущие главы были посвящены анализу структур, формирующихся в рельсах в результате объемной и дифференцированной закалки. Целью настоящей главы является сравнительный анализ состояния структуры и фазового состава рельсов, подвергнутых указанным видам термической обработки.

Как отмечалось выше, независимо от режима термической обработки в поверхностном слое (слое толщиной -10 мм) рельсов формируется многофазная морфологически разноплановая структура. Методами оптической микроскопии в результате анализа поверхности травленого поперечного шлифа было выявлено формирование бимодальной поликристаллической структуры, представленной зернами перлита, размеры которых изменяются в зависимости от режима обработки и категории стали в пределах от 5 мкм до 60 мкм и зернами феррита, размеры которых составляют десятые доли - единицы микрометров. Зерна феррита располагаются преимущественно вдоль границ зерен перлита в виде разорванной сетки (в относительно тонком 100...200 мкм) поверхностном слое и в виде вкраплений (на большем удалении от поверхности катания). Характерные изображения структуры стали, полученные методами оптической микроскопии, приведены на рисунке 5.1. Результаты количественного анализа элементов выявленной структуры стали представлены в таблице 5.1. Анализируя полученные таким образом результаты, можно сделать следующее заключение. В образцах объемно закаленных рельсах по сравнению с рельсами, подвергнутыми дифференцированной закалке, во-первых, в 2... 10 раз мельче зерна перлита; во-вторых, в -5 раз больше зерен феррита и, в-третьих, в -1,5 раза толще поверхностный слой со сплошной сеткой зерен феррита.

139

Рисунок 5.1 - Микроструктура дифференцированно закаленных рельсов по режиму 1 (а) и объемно закаленных рельсов категории «НЭ» (б) в поверхностной зоне

Фазовый состав слоя стали толщиной -10 мм, примыкающего к поверхности охлаждения, как отмечалось ранее, определяли методами рентгенофазового анализа. Анализировали состояние двух участков рельса -вдоль центральной оси и по выкружке (глава 2, рисунок 2.1).

140

Таблица 5.1 - Результаты анализа зеренной структуры рельсов

Режим обработки № режима, категория рельсов D3, балл / (D3, мкм) Н (сетки), мкм

Дифференцированная закалка 1 6-7 / (44-31 мкм) 150

2 7 / (31 мкм) 140

3 5-6 / (62-44 мкм) 144

Объемная закалка В 9/(15 мкм) 150

нэ 10/(11 мкм) 200

ик 12 / (5,6 мкм) 200

Примечание: D3 - размер зерен перлита; Н (сетки) - толщина слоя, в котором зерна феррита формируют сетку по границам зерен перлита.

Таблица 5.2 - Результаты сравнительного анализа параметров структуры рельсов, полученных методами дифракции рентгеновских лучей

Режим обработки № режима, категория рельсов АУ(Ғез С),% Аа(а-Ғе), А A(Ad/ d) AD(OKP), нм

Дифференциров 1 3,7 0,0026 0,002 25,2

энная закалка 3 1,4 0,0018 0,001 24,1

Объемная закалка НЭ 0,9 0,0006 0,00 5,1

Примечание: АУ(ҒезС) - неоднородность структуры рельсов по объемной доле цементита; Аа(а-Ғе) - по параметру решетки ot-Fe; A(Ad/d) - по микронапряжениям; AD(OKP) - по размерам областей когерентного рассеяния.

В таблице 5.2 приведены сравнительные результаты рентгенофазового анализа структуры рельсов, характеризующие однородность состояния материала, выявленную методом сопоставления параметров объема стали по центральной оси и на выкружке, формирующейся при объемной закалке и при закалке дифференцированной. Для выявления степени однородности структуры рельсов

141

сравнивали соответствующие параметры по центральной оси и на выкружке. Степень неоднородности структуры рельсов определяли, исходя из соотношения:

Д(Х) = Х1 - Хз, где X], Хз - средние значения параметра структуры стали по центральной оси и на выкружке, соответственно.

Анализируя приведенные в таблице 5.2 результаты, можно сделать заключение, что более однородная структура (более близкие параметры по центральной оси и по выкружке, выявленные при исследовании стали методами дифракции рентгеновских лучей) формируется при объемной закалке рельсов.

Рисунок 5.2 - ПЭМ изображения структуры рельсов; а, в-д - светлопольные изображения; б - микроэлектронограмма; на (д) - Ф - зерно структурно свободного феррита

142

ПЭМ методами показано, что в поверхностном слое рельсовой стали толщиной -10 мм, независимо от режима термической обработки (дифференцированная закалки или объемная закалка) формируется поликристаллическая структура, представленная зернами перлита пластинчатой морфологии (эвтектоидная смесь феррита и цементита, в которой обе фазы имеют форму протяженных пластинок) (рисунок 5.2, а), зернами феррита, в объеме которых наблюдаются частицы цементита сферической, глобулярной и пластинчатой форм (далее но тексту, зерна феррито-карбидной смеси) (рисунок 5.2, в, г) и зернами структурно свободного феррита (зернами феррита, не содержащими в объеме частиц карбидной фазы) (рисунок 5.2, д). Основной структурной составляющей рельсов, независимо от режима термической обработки являются зерна пластинчатого перлита.

Таблица 5.3 - Неоднородность относительного содержания структурных

составляющих рельсов

Режим обработки Расстояние от поверхности, мм AV(1) AV(2) AV(3)

Объемная закалка 2 0,08 0,08 0,00

10 0,05 0,06 0,01

Дифференцированная 2 0,10 0,10 0,00

закалка 10 0,04 0,04 0,00

Примечание: AV(1) - неоднородность относительного содержания зерен перлита; AV(2) - неоднородность относительного содержания зерен феррито-карбидной смеси; AV(3) - неоднородность относительного содержания зерен структурно свободного феррита.

В таблице 5.3 приведены сравнительные результаты, выявленные при исследовании относительного содержания указанных выше структурных составляющих, характеризующие однородность состояния материала по центральной оси и по выкружке, формирующейся при объемной закалке и при закалке дифференцированной. Анализируя представленные в таблице 5.3

143

результаты, можно сделать следующее заключение: после объемной закалки структура 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.

Дисперсность структуры перлита, регламентированную ГОСТ 8233-56, оценивали по средней величине межпластинчатого расстояния (суммарной ширине двух рядом расположенных пластин: пластины феррита и пластины цементита). В таблице 5.4 приведены сравнительные результаты, выявленные при определении средней величины межпластинчатого расстояния, характеризующие однородность структуры перлита по центральной оси и на выкружке, формирующейся при объемной закалке и при закалке дифференцированной.

Анализируя результаты, представленные в таблице 5.4, можно сделать следующее заключение: после объемной закалка 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.

Таблица 5.4 — Неоднородность структуры рельсов по средней величине межпластинчатого расстояния зерен перлита

Режим обработки Расстояние от поверхности, мм ДҺ, нм

Объемная закалка 2 11

10 10

Дифференцированная 2 18

закалка 10 3

144

Рисунок 5.3 - ПЭМ изображения структуры рельсов после дифференцированной закалки (а, в, д) и после объемной закалки и последующего отпуска (б, г, е). Светлыми стрелками указаны изгибные контуры экстинкции, цветной стрелкой обозначена частица второй фазы, являющаяся источником полей напряжений, а - режим закалки -1,2 мм по выкружке; в - режим закалки -3,10 мм по центральной оси; д - режим закалки - 3, поверхность, по центральной оси; б, г — рельсы «ПК», е - рельсы «НЭ»; б, г, е - 10 мм по центральной оси

145

Ранее отмечалось, что электронно-микроскопические изображения структуры исследуемых образцов рельсовой стали практически всегда (не зависимо от категории рельсов и режима закалки) содержат изгибные контуры экстинкции (рисунок 5.3). Наличие на электронно-микроскопических изображениях изгибных контуров экстинкции указывает на изгиб-кручение кристаллической решетки данной области материала, а, следовательно, на внутренние поля напряжений, искривляющие тонкую фольгу [210, 226].

Изгиб кристаллической решетки материала может быть, во-первых, чисто упругим, создаваемым полями напряжений, накопленными из-за несовместности деформации, например, зерен поликристалла [235, 236], пластичного материала с недеформируемыми частицами [237]. Источниками полей напряжений упругого происхождения, которые возникают в основном при неоднородной деформации материала, являются стыки и границы зерен поликристаллов [226, 236], дисперсные недеформируемые частицы [237], в некоторых случаях - трещины [238]. Во-вторых, пластическим, если изгиб создается дислокационными зарядами, т.е. избыточной плотностью дислокаций, локализованной в некотором объеме материала [239-241], и, в-третьих, упруго-пластическим, когда в материале присутствуют оба источника полей.

Процедура оценки величины внутренних полей напряжений по соответствующим экстинкционным контурам заключается в определении изгиба-кручения кристаллической решетки. Для этой цели измеряется либо скорость перемещения экстинкционного контура при изменении угла наклона гониометра, либо ширина экстинкционного контура [242]. Специальными опытами с одновременным использованием обоих приемов установлено, что ширина контура в величинах разориентировок в закаленных сталях составляет -1 градус [228, 242]. Амплитуда кривизны-кручения % определяется величиной градиента непрерывной разориентировки:

146

где - изменение ориентировки отражающей плоскости фольги, - величина перемещения изгибного контура [228, 22].

Тестирующие оценки, выполненные на зак4аленных сталях, а также на сталях, подвергнутых различным степеням и видам деформирования [228, 242], показали, что разумные оценки величины внутренних полей напряжений могут быть выполнены с использованием следующего соотношения:

(2)

где Һ - поперечный размер изгибного экстинкционного контура; t - толщина фольги; G - модуль сдвига стали.

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).

147

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.

X, мм

—D—1-1-ось -О-1-1-В —А— 1-2-ось -\7-1-2-B

1 -3-ось -0^-1-з-в —<0>— 2-1-ось ^0-2-1-В -чД— 2-2-ось —&-2-2-В —О— 2-3-ось -D-2-3-B

Рисунок 5.4 - 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 изгионого 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

148

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 аЮ,85 ГПа, предел прочности ^1,25 ГПа. Сопоставляя оценочные результаты с прочностными характеристиками стали, можно заключить, что внутренние поля напряжений, формируемые внугрифазными 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.

Таблица 5.5 - Неоднородность рельсов по плотности изгибных экстинкционных контуров

Режим обработки Расстояние от поверхности, мм ДЗ, 10^, 1/см^

Объемная закалка 2 1,1

10 0,1

Дифференцированная закалка 2 0,6

10 0,4

В таблице 5.5 приведены сравнительные результаты, выявленные при определении средней плотности изгибный экстинкционных контуров (количество

149

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;

150

- 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.

151

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ