УДК 669.539.392:669.17:625.1

 

DOI 10.24411/1683-805X-2020-15007

 

Методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии и рентгеноструктурного анализа проведены исследования изменения структуры, фазового состава и дефектной субструктуры по центральной оси и оси симметрии выкружки головки дифференцировано закаленных рельсов на различном расстоянии 0, 2, 10 мм от поверхности после пропущенного тоннажа 691.8 · 10⁶ и 1411 · 10⁶ т брутто и выполнен количественный анализ перераспределения атомов углерода. Показано, что длительная эксплуатация рельсов сопровождается протеканием одновременно двух процессов эволюции/деградации структуры и фазового состава колоний пластинчатого перлита, а именно: перерезания и «холодного» растворения пластин цементита. Первый процесс осуществляется по механизму перерезания карбидных частиц и последующего «растаскивания» их осколков, что сопровождается лишь изменением их линейных размеров и морфологии. Второй процесс разрушения пластин цементита в колониях перлита связан с перемещением атомов углерода из кристаллической решетки цементита на дислокации, вследствие чего становится возможным протекание структурно-фазового превращения в металле рельсов. Это обусловлено невысоким уровнем средней энергии связи атомов углерода с дислокациями (~0.6 эВ) и с атомами железа в кристаллической решетке цементита (~0.4 эВ). Выявлено появление наноразмерных частиц цементита в ферритной матрице, что сопровождалось дислокационным скольжением и деформационно-индуцированным распадом твердого раствора углерода в a-Fe. Построены зависимости изменения общего предела текучести от расстояния до поверхности катания по различным направлениям в головке рельсов. С использованием представлений об уровне изгиба-кручения проведена оценка содержания углерода на структурных элементах рельсовой стали. Если в исходном состоянии углерод в основном содержится в частицах цементита, то после длительной эксплуатации рельсов местом расположения углерода, наряду с частицами цементита, являются дефекты кристаллической структуры стали (дислокации, границы зерен и субзерен). В то же время в поверхностном слое стали наличие углерода выявлено и в кристаллической решетке a-железа. Результаты перераспределения атомов углерода интерпретированы на основе концепции о бифуркационных межузельных структурных состояниях в зонах кривизны кристаллической структуры.

Ключевые слова: кривизна кристаллической структуры, атомы углерода, перераспределение, дифференцированно закаленные рельсы, разрушение цементита

 

Evolution of the fine structure and properties of rail metal in long-term operation

TEM and X-ray diffraction studies were carried out to examine changes in the structure, phase composition, and defect substructure in the head of a differentially hardened rail along the central axis of the head and along the fillet radius at 0, 2, and 10 mm from the surface after carrying 691.8 · 10⁶ and 1411 · 10⁶ gross tons of heavy axle load traffic. The redistribution of carbon atoms was quantitatively analyzed. It was shown that long-term operation of rails is accompanied by two simultaneous processes related to the evolution/degradation of the structure and phase composition of lamellar pearlite colonies, namely: (i) cutting and (ii) cold dissolution of cementite lamellae. The first process involves the cutting of carbide particles and the subsequent dragging of their fragments, resulting only in a change of their linear dimensions and morphology. The second process is the fracture of cementite lamellae in pearlite colonies due to the migration of carbon atoms from the cementite lattice to dislocations, which creates favorable conditions for a structural-phase transformation in the rail metal. The reason of this is the low average binding energy of carbon atoms with dislocations (~0.6 eV) and with iron atoms in the cementite lattice (~0.4 eV). Cementite nanoparticles were revealed in the ferrite matrix; their appearance was accompanied by dislocation glide and deformation-induced decomposition of carbon solid solution in a-Fe. The curves of the change in the total yield strength versus the distance to the tread surface in different directions in the rail head were plotted. The carbon content in the structural elements of rail steel was estimated. It was found that carbon in the initial state is mainly contained in cementite particles, while after long-term operation of rails it is located, along with cementite particles, at crystal structure defects (dislocations, grain boundaries, subgrains). In the surface layer of steel, carbon is also present in the crystal lattice of a iron. The results on the redistribution of carbon atoms are interpreted using the concept of interstitial bifurcation structural states in the lattice curvature zones.

Keywords: crystal lattice curvature, carbon atoms, redistribution, differentially hardened rails, fracture of cementite

В.Е. Панин, Ю.Ф. Иванов, А.А. Юрьев, В.Е. Громов, С.В. Панин, В.Е. Кормышев, Ю.А. Рубанников  Эволюция тонкой структуры и свойств металла рельсов при длительной эксплуатации // Физ. мезомех. - 2020. - Т. 23. - № 5. - С. 85-94