CC BY
12
УДК 625.143.48:621.791
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-258-265
МОНИТОРИНГ С ОЦЕНКОЙ СОСТОЯНИЯ РЕЛЬСОВОЙ СТАЛИ НА РАЗЛИЧНЫХ ЭТАПАХ ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
В.Н. Гадалов, С.Н. Кутепов, О.М. Губанов, А.В. Филонович, А.А. Калинин
В статье приведены исследования по влиянию дефектов различной природы на механические и эксплуатационные свойства рельсовой стали. Рассмотрены результаты изучения и анализа состояния рельсовой стали на различных этапах ее эксплуатации, а также причины изъятия рельсов из подвижного состава. Повышенный интерес и увеличение информации в этой области обусловлено как практической значимостью, связанной с возрастанием требований к надежности рельсов в условиях высокой интенсивности движения, так и увеличением нагрузок на оси подвижного состава, растущих скоростей и массы поездов, в тяжелых условиях верхнего строения пути в различных климатических условиях, так и стремлением к более глубокому пониманию фундаментальных знаний физического металловедения.
Ключевые слова: рельс, сталь, дефекты, наклеп, бандаж, ударная вязкость, износ, деформации, усталостный излом.
Высокая интенсивность движения, большие нагрузки на оси подвижно го состава, растущие скорости и масса поездов определяют тяжелые условия работы верхнего строения пути. При эксплуатации железнодорожного полотна основные проблемы связаны с износом, деформацией и разрушением рельсов и вопросами их диагностики [1-23, 30-36].
Известно, что на железных дорогах России (90.. .95) % выхода из строя рельсов происходит из-за контактно-усталостных повреждений и износа головки рельсов. На рельсах развиваются различные виды дефектов, связанные с технологией их изготовления и условиями эксплуатации [1-3, 8, 10-23, 3136].
Такие рельсы подвергаются воздействию периодических контактных знакопеременных нагрузок, изгибающих их в вертикальной плоскости, и горизонтальных сил в результате центробежного ускорения подвижного состава в кривых участках пути, а также смятию, износу, динамическим воздействиям неподресорных частей тележек и др.
Установлено [1-3, 7, 10, 12-14, 18-21, 23, 31-36 ], что все используемые в конструкциях железнодорожного пути материалы склонны к плоским дефектам типа трещинообразных разрывов или полостей, это трещины сдвига дислокаций; технологические трещины; сварочные трещины, возникающие при термообработке, ковке, прокатке и др. процессах; зоны окисления и пр.; эксплуатационные трещины: усталостные, коррозионные и т. п., а также трещины, возникающие в ходе металлургического процесса -раковины, пустоты при родные включения и пр.
Значительно ухудшает работу рельсов наличие в них заводских дефектов, в том числе поверхностных (волосовин), являющихся концентраторами напряжений. Их источником являются раскатанные газовые и подкорковые пузыри (рис. 1).
а б
Рис. 1. Микроструктура рельсовой стали М76 в зоне волосовины: а) *100; б) *1000
Видно, что эти дефекты протяженные и они заполнены неметаллическими включениями. Вокруг волосовины (см. рис. 1а) имеется белая оторочка со структурой феррита толщиной (100...300) мкм с микротвердостью (190.210) НУ0,05.
В стандарте на не термообработанные рельсы со структурой пластинчатого перлита допускаются волосовины глубиной не более 1,0 мм, а в подошве в зоне растягивающих напряжений не более 0,3 мм. Однако, как показывают многочисленные измерения в готовых изделиях, геометрические параметры
258
этих дефектов - волосовин значительно отличаются между собой. Например, при глубине h (0,1.. .3,5) мм геометрические параметры волосовин составляют: протяженность 1 (0,3.0,5) мм; угол наклона а (30.90) градусов; радиус дефекта (10.60) мкм, а ширина обезуглероженного слоя колеблется в пределах (100.300) мкм.
Таким образом, в виду большого разброса размеров реальных поверхностных дефектов, в частности волосовин, по глубине и ширине головки рельса их количество не может использоваться для оценки качества железнодорожных рельсов.
Известно [3, 5, 7, 10], что при испытании на ударный изгиб роль концентратора напряжений усиливается и его наличие вызывает хрупкое разрушение образца. Исследования установлено, что при глубине дефекта - волосовины 0,3 мм происходит снижение ударной вязкости на (80.85) %, а при увеличении глубины до 1,0 мм и более наблюдается ее дальнейшее снижение до (0,04.0,06) МДж/м2. При температуре (-50°С) абсолютные значения ударной вязкости снижается в (1,6.1,8) раза. В целом результаты испытаний образцов рельсовой стали с волосовииами показали, что при их трактовке следует учитывать структуру металла в зоне концентратов напряжений [3,4,12,17-19,33].
Возможность создания аварийных ситуаций на железнодорожном транспорте (ЖДТ) в большинстве случаев зависит от составных частей подвижного состава и путей, а особенно те повреждения, которые их создают.
Одной из таких составляющих является система «колесо-рельс». При больших нагрузках неизбежно происходит износ поверхности колес и рельсов.
При неравномерности такого износа появляются искажения геометрии, как колес, так и рельс, из-за которых меняется распределение и величина нагрузок, возникают дополнительные динамические нагрузки, усложняющие условия работы колеса и рельса. Когда железнодорожными путями осуществляется перевозка больших грузов (масса состава превышает 1000 т), то осевая нагрузка рельса достигает (25.35) т. В таком случае проблемами работы системы колесо-рельс являются: контактная усталость (в том числе и термомеханическая) колеса и рельса; деформирование и выкрашивание колеса; сходы из-за сползания колеса на рельс; излом рельса или разрушение рельса через сварной шов (чаше всего через выполненный термитной сваркой).
Общий износ рельса составляет его натуральный износ вследствие контакта с колесом, уменьшение размером головки из-за шлифования рабочей поверхности для удаления поврежденного, в результате контактного износа слоя и поверхности дефектов, сохраняя при этом геометрию головки.
Когда износ рельса достигает или превышает допустимые отклонения по размерам, его необходимо заменить новым. Другим условием необходимости замены рельса -обнаружение недопустимого дефекта. Поэтому естественно любой новый рельс лучше бывшего длительное время в эксплуатации. Современный уровень промышленности обеспечивает производство малоизнашивающихся рельсов повышенной прочности и без дефектных включений. Высокие контактные напряжения между колесом и рельсом порождают, усталостные поверхностные трещины, которые, если их не удалять за счет естественного износа в процессе эксплуатации или периодическим шлифованием, приводят к отслаиванию, глубинному выкрашиванию металла и другим контактно-усталостным дефектам рельс.
Выполняемое зачастую в одни проход с малой подачей профилактическое шлифование позволяет удалять поверхностные микротрещины и в то же время сохранять профиль рельса, выравнивает сварные стыки без излишнего удаления металла. Развитие процессов усталости и износа рельс зависит от множества факторов, включая качество технического обслуживания и просмотра путей, а также состояние колес подвижного состава. В разных странах до 20 % изломов рельсов произошло в результате развития усталостных дефектов, зарождающихся на поверхности катания головки [4, 5, 33-36].
Из стальных деталей путей и подвижного состава пластической деформации подвержены рельсы, а также колеса и бандажи, являющиеся движущей частью состава железных дорог. При эксплуатации рельсов на железнодорожных путях вследствие прокатывающего (качение со скольжением) действия колес под нагрузкой, удара колес на стыках и неуравновешенных инерционных сил механизма локомотива пластическая деформация распространяется на глубину почти всей головки рельса и сопровождается отчетливо различным смятием верха и рабочих краев головки.
Особенности работы двигателя тепловоза - одна из причин значительного проскальзывания бандажей ведущих колес. Дополнительно к отмеченным выше факторам, вызывающим пластическую деформацию, можно отнести нагрев поверхностного слоя бандажа при торможении. На основании металлографического и рентгеноструктурного анализов [24, 25] в сочетании с определением твердости установлено, что изменение кристаллической решетки бандажа в процессе эксплуатации распространяется на глубину до 25 мм. Наибольший наклеп наблюдается непосредственно на поверхности качения, далее в глубину он резко падает, оставаясь довольно высоким на глубине (1.1,5) мм. Значительная пластическая деформация является, вероятно, одной из причин ослабления посадки бандажа на колесном центре. Если отсутствуют фазовые превращения в материале бандажа во время эксплуатации, то высокий наклеп разупрочняет, разрыхляет структуру, образуются микротрещины с отделением в дальнейшем частиц пластически сформированного материала и переход их на поверхность рельса.
Буксование колес, трение о тормозные колодки, удары на стыках рельсов и на стрелках при высокой нагрузке на колесо свойственны колесным парам «скатам» тепловозов и электровозов и служат причинами пластического деформирования бандажей (рис. 2) изготовленных обычно из среднеуглероди-
стой стали. Особенно интенсивно изнашивается гребень по внутреннему контуру и примыкающий к нему участок с уклоном 1:20 со стороны фаски имеется наплыв металла - «ползун», частицы которого интенсивно налипают на рельс при движении ЖДТ. Вышеприведенные причины изменяют процесс поверхностно-пластического деформирования в системе «рельс-колесо», изменяя характер износа в этой паре.
Действующая на железнодорожном транспорте система неразрушающего контроля, в процессе эксплуатации и ремонта, базируется на применении различных методов визуального, магнитопорошко-вого, ультразвукового, вихретокового и магнитоферрозондового методов контроля [5-7, 9, 12, 30, 37]. Каждый из них имеет определенные преимущества. Тем не менее, как показали исследования, ни один из них не обеспечивает в должной мере эффективного обнаружения всех дефектов [6]. На железных дорогах РФ качество рельсов в основном контролируется ультразвуковым методом [5], обеспечивающим определение дефектов на глубине более (3.6) мм. Наибольшие же контактные напряжения, а впоследствии и микротрещины возникают в приповерхностной зоне. Если эти микротрещины не удалить, то при длительном действии контактных напряжений они, расширяясь в глубину и ширину ускоряют износ поверхности. Высокие нагрузки, когда микротрещины углубляются и расширяются, способны стать еще одной причиной зарождения усталостной трещины. Начало развития контактной усталости рельсов может быть на поверхности катания и в массе головки рельса. Поэтому при исследовании наличия начальных контактных повреждений ультразвуковой метод контроля не эффективен.
Рис. 2. Профиль бандажа колеса электровоза нового (сплошная линия) и изношенного (штриховая линия)
Из-за случаев ускоренного износа рельс, в том числе вероятно и из-за плохого состояния колесных пар подвижного состава, основной целью настоящей работы было определение, какие повреждения поверхности рельса образовываются, когда колеса тяжеловесного состава имеют конкретный в этом отношении часто обнаруживаемый дефект - ползун на поверхности катания колеса вагона. Визуально после прохода такого состава на поверхности катания рельса остаются темные пятна.
На практике, на ряде территорий РФ значительная доля основных железнодорожных путей уложена из термоупрочненных рельс Р65. Часть рельс с термообработанной головкой изготавливают из стали Э76Ф.
Однако даже эти рельсы повышенной прочности на практике иногда подвержены ускоренному износу. Зачастую это может происходить из-за плохого состояния колесной пары. Поэтому в качестве образцов исследовались фрагменты рельс из стали Р65 с одного участка путей: I - недолгое время бывшего в эксплуатации рельса, на поверхности головки которого образовались темные пятна после прохода тяжеловесного состава с колесами, имеющими дефект в виде ползуна размером до 3 мм; II - 3 года бывшего в эксплуатации и подвергшегося профилактической шлифовке рельса с аналогичными дефектами.
Поверхность фрагмента рельса с наличием дефекта в основном исследована металлографическим методом, а также путем измерения микротвердости. Глубина микротрещин определена на поперечном разрезе рельса в месте дефекта.
На поверхности катания рельса имеется визуально легко обнаруживаемый дефект - углубление на 0,12 мм размерами (70*50) мм. Наличие микротрещин в виде сетки определено после травления микрошлифа реактивом «Гейна» или «Нитал» [37, С. 10 и С. 39 соот.].
В качестве иллюстрации глубоких внутренних источников образования усталостных трещин можно привести изломы железнодорожных рельсов. Они образуются в условиях циклического сложного нагружения, вызываемого воздействием поезда на рельсы, термическими и остаточными напряжениями, возникающими в процессе производства рельсов. Характерным является наличие объемно-овальной усталостной зоны в сечении головки рельса (рис. 3, а).
Несколько другой характер, хотя и вызванный такой же причиной, имеет излом, приведенный на (рис. 3, б). На нем заметно выделяются мелкие радиальные линии, звездообразно расходящиеся от очага трещины. Усталостный излом может распространяться также, и горизонтально поверхности качения рельса, преимущественно от волосовин (рис. 3, в), более часто - от закатанных и послойно расположенных включений (рис. 4).
а б в
Рис. 3. Усталостный излом железнодорожных рельсов
Микроструктуру так называемого ползуна составляет мартенсит с остаточным аустенитом, что указывает на термомеханическое воздействие на поверхность. Вследствие этого воздействия микротвердость у дефекта повысилась до (804.854) НУо,ь на участке же поверхности рельса без повреждений микротвердость составляет (412.448) НУ0,ь Глубина микротрещин определена на поперечном микрошлифе и составляет (0,03.0,06) мм. Такие приповерхностные микротрещины в зависимости от дальнейших нагрузок переходят в трещины отслаивания, более глубокое выкрашивание (темные пятна на поверхности катания рельса), что при длительной эксплуатации вызывает усталостное разрушение [3, 4]. Но в случае нормального износа рельса или применения периодического шлифования дефекты контактной усталости не проявляются. Результаты периодического контроля [7] показали, что во время трехгодичной эксплуатации рельсового пути с дефектами, отраженными выше, при периодическом шлифовании головки рельсов не появляется заветных признаков развития усталости.
Рис. 4. Усталостный излом в результате строчечного расположения включений
Многочисленные эксплуатационные факторы приводят к снижению циклической прочности рельса. Попытка учесть некоторые из них сделана в работе [3], где просчитано число циклов нагружения, необходимое для роста внутренней поперечной трещины (ВПТ) в ее головке в заданных размерах, в зависимости от нагрузки. Рассмотрен случай роста ВПТ эллиптической формы размером от (1,2 до 24,6) % от площади головки рельса при соотношении длин полуосей а/Ь = 1,5. Результаты расчётов приведены на рис. 5 (кривая 3).
трещина; 2 - овальная трещина; 3 - эллиптическая трещина (по данным [3])
261
Здесь же показаны аналогичные результаты, полученные для дисковидной (кривая 1) и овальной (кривая 2) трещин. Развитие усталостной долговечности, наблюдаемое при относительно малых колёсных нагрузках, обусловлено не только учётом в работе [3] некоторых дополнительных факторов, но и отличием в параметрах подрельсового основания и механических свойств рельсовой стали. В связи с этим следует учитывать, что дополнительная эксплуатация приводит к изменению структурно-фазовых состояний материала рельсов [23].
Далее приведены результаты исследования по количественному анализу механизмов упрочнения головки рельсов по центральной оси в процессе эксплуатации.
Образцы рельсов были вырезаны из изделий в исходном состоянии и после эксплуатаций на участке Курской железной дороге. После пропущенного тоннажа 1000 млн. тонн брутто рельсы были изъяты по боковому износу.
Методами просвечивающей электронной микроскопии [24, 25] проведен послойный анализ структуры, фазового состава и дефектной субструктуры рельсовой стали по центральной оси на расстояниях 0, 2, 10 мм от поверхности катания.
Упрочнение поверхности катания головки рельсов в процессе эксплуатации является многофакторным и обусловлено совокупным действием ряда физических механизмов, которые проанализированы ниже.
Эксплуатация рельсов сопровождается протеканием процесса динамического старения стали, что приводит к формированию в материале наноразмерных частиц карбида железа. Частицы карбида железа, размеры которых превышают 5 нм, теряют когерентную связь с кристаллической решеткой а-фазы [11, 23]. Следовательно, присутствующие в рельсовой стали наноразмерные частиц карбидной фазы, размеры которых превышают 10 нм являются некогерентными. Некогерентные частицы цементита являются препятствием движению дислокаций, что приводит к упрочнению материала.
Анализ послойного исследования микротвердости, структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры рельсов, сформированных после пропущенного тоннажа 1000 млн. тони брутто, позволил выявить:
- существенное в (1,5.2) раза увеличение микротвердости поверхностного слоя толщиной до
~10 мм;
- несплошности, проходящие под некоторым углом к поверхности катания на глубину до
500 мкм;
- факт формирования наноразмерной многофазной структуры в слое металла, прилегающем к поверхности катания;
- факты, указывающие на протекание в поверхностном слое толщиной не менее 2 мм при эксплуатации рельсов двух взаимодополняющих процессов преобразования карбидной фазы стали -1) процесса разрезания частиц цементита с последующим выносом их в объем ферритных зерен или пластин (в структуре перлита); 2) процесса разрезания, последующего растворения частиц цементита, перехода атомов углерода на дислокации (в атмосферы Коттрелла и в ядра дислокаций), переноса атомов углерода дислокациями в объем зерен феррита с последующим повторным формированием наноразмерных частиц цементита;
- факты, свидетельствующие о протекании в поверхностном слое (слое толщиной не менее 2 мм) процесса динамической рекристаллизации;
- увеличение в (14.16) раза скалярной и избыточной плотности дислокаций;
- дефект в виде ползуна на поверхности катания колеса при контакте бандажа колеса с рабочей поверхностью рельса вызывает локальное термомеханическое воздействие на поверхность термообрабо-танной головки рельса из стали Э76Ф;
- рельсы с локальными дефектами до 0,12 мм пригодны для дальнейшей эксплуатаций с периодичным шлифованием поверхности головки рельса.
Таким образом, определив количественные характеристики структуры рельсовой стали, можно в первом приближении осуществить анализ физических механизмов, ответственных за эволюцию твердости стали в процессе эксплуатации рельсов, а также выявить физические механизмы формирования градиента твердости рельсовой стали.
Результаты количественного анализа показывают, что параметры дефектной субструктуры металла существенным образом зависят от расстояния до рабочей поверхности рельсов. А именно, при увеличении расстояния от поверхности катания средние размеры фрагментов увеличиваются, величина скалярной и избыточной плотности дислокации и амплитуда кривизны-кручения кристаллической решетки а-фазы (упругая и пластическая составляющие) снижаются.
Анализируя полученные данные, можно выделить наиболее значимые физические механизмы, обеспечивающие высокие прочностные свойства рельсовой стали. В объеме стали, расположенном на глубине ~10 мм, и в объеме, прилегающем к поверхности катания, основным механизмом упрочнения является субструктурный, обусловленный формированием субграниц. Отметим, что в объеме материала, прилегающего к поверхности катания, роль субструктурного упрочнения существенным образом усиливается. Предел текучести рельсов в области поверхности катания при пропущенном тоннаже 1000 млн. тонн брутто достигает максимальных значений на поверхности катания и быстро снижается при увеличении расстояния от поверхности катания вдоль осевой линии.
Заключение. На основании выполненного послойного количественного анализа дефектной субструктуры и фазового состава головки рельсов по осевой линии после пропущенного тоннажа 1000 млн. тонн брутто выявлен многофакторный характер упрочнения стали, что обусловлено, во-первых, субсгруктурным упрочнением, вызванным формированием субграниц фрагментов, границы которых стабилизированы частицами карбидной фазы; во-вторых упрочнением частицами карбидной фазы, расположенными в объеме фрагментов и на элементах дислокационной субструктуры (дисперсионное упрочнение); в-третьих, упрочнением, обусловленным осаждением на дислокациях атомов углерода (формирование атмосфер Котрелла); в-четвертых, упрочнением, вносимым внутренними полями напряжений; вызванными несовместностью деформации кристаллических решеток структурных составляющих а-фазы и частиц карбидной фазы. Работы [2, 23, 26-29] подтверждают вышеприведенные научные результаты.
Полученные результаты не противоречат научным изысканиям других авторов, работающих в данном направлении [1-17, 22-29, 31-36], а также нашим работам [2, 18-21, 30, 37].
Вышеприведенные исследования могут быть полезны специалистам по эксплуатации железнодорожного транспорта, занимающимся оценкой его надежности и долговечности, а также научным работникам при разработке новы и уже имеющихся ресурсосберегающих технологий обработки рельсовых сталей и других деталей путейного хозяйства.
Список литературы
1. Скаков А.И. Качество железнодорожных рельсов. М.: Металлургиздат, 1955. 358 с.
2. Термически упрочненные рельсы / Под ред. А.Ф. Золотаревского. М.: Транспорт,1976. 264 с.
3. Майр Р., Гроенхут Р. Развитие поперечных усталостных дефектов в головке железнодорожных рельсов // Железные дороги мира. 1981. № 10. С. 44-53.
4. Механизм разрушения и прочность материалов: справочное пособие в 4-х томах.; под ред. В.В. Панасюка. Киев: Наукова думка, 1990. Т. 1. 689 с.
5. Марков А.А., Шпагин Д.А. Ультразвуковая дефектоскопия рельсов. СПб.: Образование-культура, 1999. 230 с.
6. Grassie S.L. Prevetive Grinding Controls RCF Defects // International Railway Journal. 2001. № 1. Р. 13-17.
7. Горделий В.И. Самый надёжный и экономический способ контроля старогодных рельсов // Евроазия. Вести. 2003. № 9. С. 19-23.
8. Богданов В.М., Захаров С.В. Современные проблемы системы колесо-рельс / В.М. Богданов // Железные дороги миры, 2004. № 1. С. 22-25.
9. Горицкий В.М. Диагностика металлов. М.: Металлургиздат, 2004. 408 с.
10. Железнодорожные рельсы из электростали / Н.А. Козырев, В.В. Павлов, Л.А. Голик, В.П. Дементьев. Новокузнецк: Евраз Холдинг, Новокузнецкий металлургический комбинат, 2006. 388 с.
11. Шур Е.А. Влияние структуры на эксплуатационную стойкость рельсов // Сб. статей: Влияние свойств металлической матрицы на эксплуатационную стойкость рельсов. Екатеринбург: УИМ, 2006. С. 37-64.
12. Лысюк В.С., Бугаенко В.М. Повреждение рельсов и их диагностика. М.: ИЦК «Академкнига», 2006. 638 с.
13. Шур Е.А. Перспективные требования Российских железных дорог к рельсам // Железнодорожный транспорт. 2008. № 2. С. 41-45.
14. Карпущенко Н.И., Котова И.А., Ликратов Ю.Н. Взаимодействие колес и рельсов в кривых участках // Путь и путевое хозяйство. 2008. № 6. С. 2-5.
15. Филиппов О.К. Проблема «колесо-рельс»: нерешенные вопросы // Путь и путевое хозяйство. 2008. № 6. С. 8-9.
16. Бородин А.В., Иванов В.В. Как уменьшить удары колёс в стыках // Путь и путевое хозяйство. 2008. № 6. С. 19-20.
17. Иванов В.В. Снижение ударного воздействия на колесо грузового вагона при прохождении рельсового стыка: автореф. на соискание уч. степени к.т.н. Омск, 2011. 18 с.
18. Повышение эксплуатационной надежности и качества тяжелонагруженных деталей износостойкой наплавкой / В.Н. Гадалов, В.Г. Сальников, Ю.В. Скрипкина, О.А. Бредихина, В.В. Горецкий, И.В. Иванова // Машинно-технологическая станция. 2012. № 3. С. 21-23.
19. Оценка трещиностойкости изделий, наплавленных износостойкими сплавами с одновременным формированием подслоя / В.Н. Гадалов, Е.В. Агеев, Д.Н. Романенко, А.А. Давыдов, Р.В. Боб-рышев, В.В. Горецкий // Упрочняющие технологии и покрытия. 2012. № 11 (95). С. 11-14.
20. Изучение температурного поля колес вагонов подвижного состава после их восстановления наплавкой / В.Н. Гадалов, Н.М. Игнатенко, А.Л. Желанов, А.Ю. Розин, О.А. Тураева // В сб.: Прогрессивные технологии и процессы. Сборник научных статей 2-й Международной молодежной научно-практической конференции: в 3-х томах. Отв. ред.: Горохов А.А. Курск, 2015. Т. 1. С. 227-229.
21. Исследование начальной стадии контактного износа рельса / В.Н. Гадалов, И.В. Ворначева, В.И. Савельев, И.А. Макарова // В сб.: Прогрессивные технологии и процессы. Сборник научных статей
3-й Международной молодежной научно-практической конференции. Ответственный редактор Горохов А.А. Курск, 2016. С. 58-61.
22. Современные методы сварки рельсов нового поколения / Н.А. Козырев, А.А. Усольцев, Р.А. Шевченко, Р.Е. Крюков, П.Е. Шишкин // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 10. С. 785-791.
23. Эволюция тонкой структуры и свойств металла рельсов при длительной эксплуатации / В.Е. Панин, Ю.Ф. Иванов, А.А. Юрьев, В.Е. Громов, С.В. Панин, В.Е. Кормышев, Ю.А. Рубанникова // Физическая мезомеханика. 2020. Т. 23. № 5. С. 85-94.
24. Смирнова А.В., Кокорин Г.А., Полонская С.М. Электронная микроскопия в металловедении; под ред. А.В. Смирновой. М.: Металлургия, 1985. 192 с.
25. Горелик С. С., Скаков Ю. А., Расторгуев Л. Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ: учеб. пособие для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во МИСИС, 2002. 357 с.
26. Гольдштейн М.И., Фарбер Б.М. Дисперсионное упрочнение стали. М.: Металлургия, 1979.
208 с.
27. Мартин Дж. Микромеханизмы дисперсионного твердения сплавов карбидами. М.: Металлургия, 1983. 166 с.
28. Григоренко Г.М. Дисперсионное упрочнение - путь к повышению прочностных свойств металлов и сплавов нового поколения // Современная электрометаллургия. 2012. № 4. С. 42-49.
29. Металломатричные композиты с тугоплавкой дисперсной фазой: синтез, структура, применение: монография / А.Г. Князева, Е.Н. Коростелева, М.Г. Криницын, О.Н. Крюкова, Г.А. Прибытков, О.А. Чумаков. - Томск: Издательство «Иван Федоров», 2019. 262 с.
30. Идентификация размеров дефектов при вихретоковом контроле / В.Н. Гадалов, О.М. Губанов, А.В. Филонович, И.В. Ворначева // Справочник. Инженерный журнал. 2021. № 11 (296). С. 16-19.
31. Глазунов Д.В., Кротов В.Н., Черкесов Е.Ю. Способы упрочнения бандажей колесных пар // Упрочняющие технологии и покрытия. 2021. Т. 17. № 2 (194). С. 51-54.
32. Бахтина Т.В. Общий курс железных дорог: учебное пособие для вузов. Волгоград: ВТЖТ-филиал ФГБОУ ВО РГУПС, 2021. 224 с.
33. Причины изломов рельсов / Е.А. Шур, А.И. Борц, К.Л. Заграни-чек, С.А. Васильева // Путь и путевое хозяйство. 2021. № 5. С. 9-14.
34. Смирнов В.И., Майер С.С. О влиянии границ тела на циклическую трещиностойкость рельса с внутренним поперечным дефектом // В сб.: Проблемы прочности материалов и конструкций в транспортном строительстве. Международная научно-практическая конференция, посвященная 175-летию со дня рождения профессора Н.А. Белелюбского. СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, 2021. С. 186-193.
35. Смирнов В.И., Видюшенков С.А. О циклической трещиностойкости рельса с внутренней поперечной трещиной // В сб.: Актуальные проблемы прочности. Материалы международной научной конференции. Минск, 2022. С. 53-55.
36. Заграничек К.Л., Рейхарт В.А., Светозарова И.В. Прочность рельсов с поперечными трещинами в головке и подошве // Путь и путевое хозяйство. 2022. № 12. С. 16-20.
37. Металлография металлов, порошковых материалов и покрытий, полученных электроискровыми способами / В.Н. Гадалов, В.Г. Сальников, Е.В. Агеев, Д.Н. Романенко. М.: Изд-во Инфра-М, 2020. 468 с. (научная мысль).
Гадалов Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, gadalov-vn@yandex.ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Кутепов Сергей Николаевич, канд. пед. наук., доцент, kutepovsn@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Губанов Олег Михайлович, канд. техн. наук, доцент, руководитель проектов по разработке новых видов продукции группы компаний НЛМК, gubanov_oleg81@mail.ru, Россия, Липецк, ПАО «Новолипецкий металлургический комбинат»,
Филонович Александр Владимирович, д-р техн. наук, профессор, filon8@yandex.ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Калинин Антон Алексеевич, заместитель директора по коммерческим вопросам издательства ТулГУ, antony-ak@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
MONITORING WITH ASSESSMENT OF THE STATE OF RAIL STEEL AT DIFFERENT STAGES OF ITS OPERATION
V.N. Gadalov, S.N. Kutepov, O.M. Gubanov, A.V. Filonovich, A.A. Kalinin
The article presents studies on the influence of defects of various nature on the mechanical and operational properties of rail steel. The results of the study and analysis of the state of rail steel at various stages of its operation, as well as the reasons for the removal of rails from the rolling stock, are considered. The increased interest and increase in information in this area is due both to the practical significance associated with the increase in the requirements for the reliability of rails in conditions of high traffic intensity, and the increase in loads on the axles of the rolling stock, increasing speeds and masses of trains, in difficult conditions of the superstructure of the track in various climatic conditions. conditions, and the desire for a deeper understanding of the fundamental knowledge of physical metallurgy.
Key words: rail, steel, defects, work hardening, bandage, impact strength, wear, deformation, fatigue
fracture.
Gadalov Vladimir Nikolaevich, doctor of technical science, professor, gadalov-vn@yandex.ru, Russia, Kursk, Southwest State University,
Kutepov Sergey Nikolaevich, candidate of pedagogical science, associate professor, kutepovsn@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Gubanov Oleg Mikhailovich, candidate of technical science, associate professor, Project Manager for the development of new types of products of NLMK Group gubanov_oleg81@mail.ru, Russia, Lipetsk, Novo-lipetsk metallurgical plant Public joint stock company,
Filonovich Alexander Vladimirovich, doctor of technical Sciences, professor, filon8@yandex.ru, Russia, Kursk, Southwest State University,
Kalinin Anton Alekseevich, deputy director for commercial affairs of TulSU Publishing House, antony-ak@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621:658.5:005.6
DOI: 10.24412I2071-6168-2023-3-265-272
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА FDM 3D-ПЕЧАТИ ЗА СЧЕТ НИВЕЛИРОВАНИЯ ВАРИАБЕЛЬНОСТИ ДИАМЕТРА ПРУТКА
ФИЛАМЕНТА
Р.С. Загидуллин, В.Д. Жуков, Н.В. Родионов
В работе проведен экспериментальный подбор технологических режимов FDM печати для нивелирования («компенсации») высокого уровня вариабельности диаметра прутка специального фила-мента - полимерного композиционного материала (нейлон PA12 + стекловолокно GF12), приводящая к значительному понижению таких ключевых показателей качества напечатанных деталей узлов изделий авиационно-космической техники, как прочность и жесткость. Продемонстрированы фотоизображения с цифрового промышленного микроскопа напечатанных первых слоев. Выявлены параллельные и угловые зазоры между экструдированными (расположенными) нитями. На основе анализа фотоизображений построены диаграммы зависимости размеров параллельных и угловых зазоров напечатанных первых слоев от значений коэффициентов потока и выравнивания потока FDM печати.
Ключевые слова: качество, FDM технология, специальный филамент, полимерный композитный материал, вариабельность, технологический режим.
Лдцитивные технологии представляют уникальные возможности для проектирования и изготовления перспективных изделий авиакосмической техники. Такие известные компании-производители, как Boeing, Airbus, SpaceX, Blue Origin, Rocket Lab и другие, с каждым годом в конструкциях своих изделий наращивают количество деталей, изготовленных с использованием 3D-печати [1, 2].
Вместе с тем, важно заметить, что технологи и операторы аддитивного оборудования еще на этапе внедрения аддитивных технологий, в частности, FDM технологии в производство сталкиваются с различного рода дефектами или неудовлетворительными геометрическими параметрами напечатанных деталей и узлов. Дефекты напечатанных деталей и узлов могут быть вызваны неудовлетворительными выбранными технологического параметрами процесса FDM 3D-печати, несовершенствами конструкции FDM 3D-принтера и подготовкой 3D-модели к печати, различного рода недостатками поставляемых фи-ламентов [3].
Одной из причин различного рода дефектов напечатанных деталей и узлов является вариабельность диаметра прутка поставляемых филаментов.
