CC BY
28
УДК 629.4.027.4:669.14
I. О. ВАКУЛЕНКО, М. А. ГРИЩЕНКО (ДПТ), О. М. ПЕРКОВ (1ЧМ НАНУ)
ВИЗНАЧЕННЯ ОПТИМАЛЬНОГО СТРУКТУРНОГО СТАНУ ЗАЛ1ЗНИЧНОГО КОЛЕСА
Аналiз змiни структури пiсля рiзноманiтних термомехашчних обробок вуглецево! сталi дозволяе визна-чити умови пвдвищення якостi залiзничних колiс.
На основе исследования изменения структуры углеродистой стали после различных термомеханических обработок определяются условия повышения качества железнодорожных колес.
On the basis of research of modification of carbon steel structure after different thermomechanical treatments the conditions of improving the quality of railway wheels are determined.
Сучасний штенсивний розвиток промисло-вост супроводжусться обгрунтованим зростан-ням вимог щодо експлуатацшно! безпеки затз-ничного транспорту. Неухильна зорiентова-нiсть на зростання частки перевозок, для яких характерно одночасне збшьшення питомого на-вантаження на вiсь колiсноi пари та середньо! швидкостi руху, вимагае розробки заходiв, спрямованих на пiдвищення надшносп експлу-атацii рухомого складу. На сьогодення це до-статньо актуальна проблема, виршення якоi мае велике значення. Одшею зi складових на-веденоi проблеми е визначення оптимального сшввщношення мiж комплексом властивостей затзничного колеса i рейок. Окрiм чисельних експериментальних дослiджень [1, 2], з яких вь домо про необхщшсть досягнення приблизно однакових мiцнiсних характеристик ^ в першу чергу, твердосп, аналiз процесiв структурних перетворень в металi колiс та рейок тд час iх експлуатацii дозволить обгрунтовано пiдiйти до визначення оптимального структурного стану.
Метою дослщжень був аналiз структурних перетворень в металi затзничного колеса вiд визначених впливiв при експлуатаци.
Матерiал для дослiджень - фрагменти, яю були вiдiбранi вщ залiзничних колiс, якi в свою чергу передчасно, за рахунок рiзноманiтних ушкоджень, були вилученi з експлуатаци. Ана-лiз процесiв структурних перетворень проводили тд свiтловим i електронним мiкроскопами. Оцiнку розмiру структурних елемеипв проводили використовуючи методики кшьюсно' ме-талографii [3].
У вщповщносп до нормативно-технiчноi документации залiзничнi колеса i рейки виготовля-ють iз вуглецевих сталей з рiзною концентрацiею вуглецю. Так, для виготовлення колiс використо-вують стал з кiлькiстю вуглецю в межах
0,55...0,65 %, в той час як для рейок вмют скла-дае бiльш високi значення. О^м рiзницi за кшь-кiстю вуглецю, сташ пiсля вiдповiдних змщнюю-чих термiчних обробок мають рiзний структур-ний стан, який обумовлений конструктивними особливостями вказаних виробiв.
Вуглецевi стал з кiлькiстю вуглецю 0,55.0,65 %, тсля гарячо1' пластично!' дефор-маци мають структуру, яка складаеться з перл> тних колонiй та областей структурно-вшьного фериту. Кiлькiсть структурно незв'язаного фе-риту може досягати значень 20.25 %. При шдвищенш швидкосп охолодження, напри-клад, як при терморозмщнюючих обробках за-лiзничних колю, одночасно з диспергуванням перлiтних колонш спостерiгаеться зменшення об'емноi частки структурно-вшьного фериту, за рахунок формування псевдоевтектоща [4]. Од-нак, навiть у випадку досягнення максимально високих швидкостей охолодження, усунути ви-дiлення прошарюв незв'язаного фериту по ве-ликокутових границях аустенiтних зерен немо-жливо (рис. 1).
Рис. 1. Структура сталi з 0,6 % С тсля гарячо! пластично! деформацii (збшьшення 800)
Таким чином, оптимальною структурою, яку можна сформувати в процес прискореного охолодження ободу затзничного колеса, е пла-стинковий сорбiт з переривчастою шткою стру-ктурно-вiльного фериту. Враховуючи достат-ньо складну форму залiзничного колеса та рiз-норозмiрнiсть його елеменпв, змiцнюючiй тер-мiчнiй обробцi можуть пiддавати як повнiстю залiзничне колесо, так i окремi його елементи. Такий шдхщ обумовлений вирiшенням про-блеми пiдвищення надiйностi експлуатаци зал> зничних колiс, в залежностi вщ умов наванта-ження. Однiею з можливих характеристик для цього можуть бути виникаючi напруження, якi виникають в елементах колеса вiд зовшшшх впливань. Урахування конструктивних особли-востей диска колеса, вигляду епюри напружень дали можливiсть розробити процес термiчноl змщнюючо1 обробки, який дозволяе через фор-мування структурного стану в диску колеса впливати на рiвень внутрiшнiх напружень в ободi. Так, при використанш примусового прискореного охолодження диску, особливо в мю-цях переходу до обода та маточини за рахунок формування бейштних структур на визначенiй глибинi вщ поверхнi охолодження та подаль-шого самовiдпуску (адекватного окремому ро-зiгрiву до температур 600... 650 °С) досягають-ся глобулярнi структури карбщно1 фази.
В порiвняннi з пластинковою формою цементиту, який, входячи до складу перл^но! колони, спроможний витримувати велик пластичш деформацп [4], глобулярш карбiди навпаки, на-виъ пiсля ступенiв деформаци, за яких метал руйнуеться, залишаються практично незмшни-ми. В цьому випадку розвиток процешв диспе-рсiйного твердiння значною мiрою визначае поведiнку металу при навантаженш. Так, у випадку, коли глобулi цементиту розташовуються по великокутових границях зерен фериту (рис. 2), експериментально спостерiгаеться пiд-вищення опору металу зародженню та зростан-ню трiщин, особливо для вiдносно низьких температур [5]. Наведене положення обумовлене спiввiдношенням мiж кiлькiстю мюць заро-дження та ашгшяцп дислокацш при пластичному деформуваннi металу. У разi розташуван-ня цементитних глобулiв на великокутових границях фериту мiжфазна поверхня ферит-цементит виконуе функци як джерела, так i мiсць ашгшяцп дислокацiй пiсля виконання ними акту деформаци [4, 5]. На пiдставi цього стае зрозумшим, що збiльшення об'емно1 част-ки цементиту, навггь без урахування дисперс-ностi, сприяе пiдвищенню опору зародженню
трщин за рахунок низького рiвня деформацш-ного змiцнення [5].
Рис. 2. Структура стал1 з 0,6 % С тсля гартування ввд нормальних температур нагр1ву, вщпуску 650 °С, деформаци 50-60 %, ввдпалу при 650 °С (зб1льшення 2000)
У випадку, коли розмiр зерна фериту значно перебшьшуе мiжкарбiдну вщстань (рис. 3), картина значною мiрою змiнюеться.
Рис. 3. Структура стал1 з 0,6 % С тсля гартування, ввдпуску 650 °С, деформаци 15 %, ввдпалу при 650 °С (збшьшення 4000)
Наведене положення обумовлене рiзною можливiстю поглинання дислокацiй пiсля еле-ментарного акту пластичное' деформаци металу. Порiвняно з великокутовими границями фериту, мiжфазова ферит-цементит може бути мс-цем ашгшяцп дислокацiй лише у випадку, коли глобуль цементиту розташовуеться в кристало-графiчнiй площинi ковзання дислокацш. Тодi при пiдвищеннi об'емно1 частки карбщно1 фази, при незмiнному розмiрi зерна фериту досяга-еться лише збшьшення джерел зародження дислокацiй, без змши кiлькостi мiсць ашпляцп.
В цьому випадку накопичення дислокацiй вже на початкових етапах пластичноi деформацп (в об'емах металу попереду гирла трщини) при-веде до формування навколо глобулiв цементиту визначеноi щiльностi взаемозаблокованих дислокацiй. На пiдставi цього спостерiгаеться рiзке пiдвищення параметрiв деформацiйного змiцнення вуглецевоi сталi [6]. Враховуючи, що для середньо- та високовуглецевих сталей зб> льшення деформацiйного змiцнення супрово-джуеться зниженням пластичних властивостей, можна вважати, що в цьому випадку об' еми ме-талу поблизу мiжфазних поверхонь розподiлу будуть найбiльш вiрогiдними мiсцями заро-дження субмiкротрiщин.
Таким чином, при використанш вуглецевих сталей, з кшькютю вуглецю, коли не мае мож-ливостi усунення структурновшьного фериту, оптимальним структурним станом необхщно вважати пластинковi структури. Перлiтнi колони разом зi структурно вшьним феритом беруть участь у пластичному деформуванш металу, що обумовлюе можливють розвитку анiгiляцiйних процесiв, якi сприяють гальмуванню процесiв зародження та зростання мiкротрiщин в металi залiзничних колю тд час експлуатацii.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Марков, Д. П. Оптимизация колесно-рельсовой трибосистемы [Текст] / Д. П. Марков // Вестник ВНИИЖТ. - 2004. - № 6. - С. 32-38.
2. Захаров, С. М. Контактно-усталостные повреждения колес и рельсов и способы их устранения [Текст] / С. М. Захаров, Е. А. Шур. - В кн.: Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути. - М., 2003. - С. 47-50.
3. Бабич, В. К. Деформационное старение стали [Текст] / В. К. Бабич, Ю. П. Гуль, И. Е. Долже-нков. - М.: Металлургия, 1972. - 320 с.
4. Панченко, Е. В. Лаборатория металлографии [Текст] / Е. В. Панченко, Ю. А. Скаков, Б. И. Кример. - М.: Металлургия, 1965. - 439 с.
5. Вакуленко, И. А. Структура и свойства углеродистой стали при знакопеременном деформировании [Текст] / И. А. Вакуленко. - Д.: Gaudeamus, 2003. - 94 с.
6. Вакуленко, И. А. О факторах, вызывающих пластически нестабильное течение углеродистой стали [Текст] / И. А. Вакуленко // Изв. ВУЗов. Черная металурпя. - 1994. - № 9. - С. 27-29.
Надшшла до редакцп 09.12.2008.
