CC BY
38
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
3. Koistinen D.P. A general equation prescribing the extent of the austenite-martensite transformation in pure iron-carbon alloys and plain carbon steels / D.P. Koistinen, R.E. Marburger // Acta Metallurgica. - 1959. - V. 7, № 1. - P. 59-60.
4. Malinov L.S. More abrasive wear resistance and hardened steels 18KhGT 12KhNZA by obtaining metastable austenite / L.S. Malinov, E.L. Malinova, E.Ya. Harlanova // Metals. - 1993. - N. 2. -P. 108-111. (Rus.)
5. Geller A.L. Retained austenite and wear resistance of carburized alloy steels / A.L. Geller, V.N. Yurko // News of Universities. Iron and steel. - 1991. - N. 6. - P. 66-69. (Rus.)
6. Popov V.S. Structural changes in the unstable austenitic steels for abrasive wear / V.S. Popov, V.N. Brykov // Mitom. - 1971. - N. 9. - P. 54-55. (Rus.)
7. Cheiliakh A.P. Economically metastable alloys and strengthening technologies / A.P. Cheiliakh. -Mariupol : publishing house PSTU. - 2009. - 483 p. (Rus.)
Рецензент: В.Г. Ефременко
д-р техн. наук, проф. ГВУЗ «ПГТУ»
Статья поступила 25.10.2012
УДК 621.771.294.64:621.785.55
©Вакуленко 1.О.1, Пройдак С.В.2, Надеждш Ю.Л.3
ОЦ1НКА СТУПЕНЯ ЗНИЖЕННЯ ТВЕРДОСТ1 ХОЛОДНО ДЕФОРМОВАНО1 ВУГЛЕЦЕВО1 СТАЛ1 П1СЛЯ ЕЛЕКТРИЧНО1 1МПУЛЬСНО1 ОБРОБКИ
Вакуленко I. О., Пройдак С.В., Надеждш Ю.Л. Оцшка ступеня зниження твер-docmi холодно деформованоi вуглецевог cmaMi тсля електричног шпульсног об-
робки. Розглянут1 питания оцтки ступеня зниження meepdocmi вуглецевог стал1 зал1зничного колеса тсля електричног iмпульсног обробки. Показано, що в резуль-mami електричног iмпульсног обробки холодно деформованог вуглецевог сталi ефект пом 'якшення обумовлений змтами пaрaмеmрiв тонког крисmaлiчног будови. Ключовi слова: сталь, зaлiзничне колесо, mвердiсmь, електрична iмпульснa оброб-ка, дислокащя.
Вакуленко И.А., Пройдак С.В., Надеждин Ю.Л. Оценка степени разупрочнения холодно деформированной углеродистой стали после электроимпульсной обработки. Рассмотрены вопросы оценки степени снижения твердости углеродистой стали железнодорожного колеса после электрической импульсной обработки. Показано, что в результате электрической импульсной обработки холоднодеформи-рованной углеродистой стали, эффект разупрочнения обусловлен изменениями параметров тонкокристаллического строения.
Ключевые слова: сталь, железнодорожное колесо, твердость, электрическая импульсная обработка, дислокация.
I.O. Vakulenko, S.V. Proiydak, Y.L. Nadegdin. The estimating of hardness decreasing degree in cold worked carbon steel after electrical impulse treatment. The questions of estimating of hardness decreasing degree in carbon steel rail wheel after electrical impulse treatment are observed. It is shown that the effect of hardness decreasing of cold
1 д-р техн. наук, професор, ДВНЗ «Днтропетровсъкий нащоналъний ушверситет залiзничного транспорту iм. академка В. Лазаряна», м. Дтпропетровсък
2 канд. техн наук, доцент, ДВНЗ «Днтропетровсъкий нащоналъний ушверситет залiзничного транспорту iм. академка В. Лазаряна», м. Дтпропетровсък
3 шженер, ДВНЗ «Днтропетровсъкий нащоналъний ушверситет залiзничного транспорту iм. академжа В. Лазаряна», м. Днiпропетровсък
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
worked carbon steel after electrical impulse treatment is resulted by changing of sub
structural crystalline parameters of metal.
Keywords: steel, rail wheel, hardness, electrical impulse treatment, dislocation.
Постановка проблеми та aHani3 останшх дослщжень i публжацш. Зростання наванта-ження на вюь колюно! пари обумовлюе використання залiзничних колiс з тдвищеним опором процесам зношування. OKpiM легування, суттевого збiльшення характеристик мiцностi досяга-ють використанням термiчних та термомехашчних обробок. На пiдставi цього, питання визна-чення оптимального структурного стану металу колю набувае особливо! актуальносп [1]. Вра-ховуючи вiдносно значний перетин ободу залiзничного колеса, рiзну швидкiсть охолодження в залежностi вщ вiдстанi розташування прошаркiв металу вщ поверхнi тепловiдводу, неодмiнно буде мати мюце вiдбиток на змiнi структурного стану та рiвня внутрiшнiх напружень металу по товщинi. З метою зниження рiвня залишкових внутрiшнiх напружень, залiзничнi колеса пiсля термiчного змщнення пiддають вiдпуску в середньому iнтервалi температур. Окрiм термiчних способiв пом'якшення змiцненого металу, визначеного розповсюдження набули обробки, що заснованi на використанш магнiтного поля, або пропускання електричного струму (без на^ву металу) [2]. Таю обробки можуть бути використаш i для зниження наклепу металу колеса тсля експлуатацп.
Мета роботи. Оцшка можливостi використання електрично! iмпульсно! обробки (Е1О), як рiзновиду атермiчно! обробки, для зниження мщносп металу залiзничного колеса пiсля експлуатацп.
Виклад основного матерiалу. Матерiалом для дослiдження була сталь марки 60 iз фрагменту ободу залiзничного колеса, вилученого з експлуатацп, з хiмiчним складом: 0,61 % С; 0,78 % Mn; 0,30 % Si; 0,027 % P; 0,027 % S; 0,14 % Cr; 0,09 % Ni; 0,005 % Al; 0,15 % Cu. За тех-нолопею виготовлення в умовах ВАТ «1терпайп» НТЗ залiзничнi колеса пщдають термiчному змiцненню за схемою переривчастого прискореного охолодження. Електричну iмпульсну обро-бку металу проводили на спещальному устаткуваннi в умовах тдприемства ВАТ DS (м. Микола!в). В якостi характеристики мiцностi металу була використана твердють за Вшер-сом. Дослiдження мiкроструктури проводили за допомогою свгглово! та трансмюшно! мшро-скопи, а параметри тонко! кристатчно! будови металу визначали за методиками рентгешвсько-го структурного аналiзу.
Виникнення градiенту температур вiд поверхнi штенсивного тепловiдводу супроводжу-еться змiною структурного стану металу ободу залiзничного колеса. В залежносп вiд ступеня наближення до критичного значення швидкостi охолодження, морфолопя та дисперснiсть структурних складових вуглецево! сталi змiнюеться в широкому дiапазонi. Враховуючи високi швидкостi примусового охолодження, структура поблизу поверхш ободу (у бшьшосп випадкiв) представляе собою рейковий вигляд, з видшенням на границях або в середин кристатв бейнiту (в залежностi вiд формування кристатв в верхнiй або нижнш температурнiй областi) дрiбноди-
сперсних часток цементиту (рис. 1). Густина дис-локацш при цьому може досягати рiвнiв до 109 см-2. Для бшьш заглиблених об'емiв металу, коли швидкосп охолодження стае вже недостатньою, досягаються умови початку розвитку структурних перетворень за дифузiйним механiзмом.
В процес експлуатацi! залiзничного колеса (особливо з високим рiвнем мiцностi), прошарки металу поблизу поверхнi кочення достатньо ште-нсивно насичуються дефектами кристатчно! будови, якi, в свою чергу, обумовлюють формування зародюв ушкоджень пiсля вичерпання ресурсу накопичення дефектов [3]. В наслiдок цього (виникнення ушкоджень на поверхш кочення) або змши профшю ободу вище нормативних обме-жень, виникае необхщшсть застосування техно-логiчно! операцп - вiдновлення профiлю ободу
Рис. 1 - Структура стали тсля прискореного охолодження до температури 400 °С. Збшь-шення 18000
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
обточуванням на металорiзальних верстатах. Вже пюля першо1 операци обточування значна доля термiчно змiцненого шару металу по поверхнi кочення зшмаеться i подальше використан-ня колеса суттево не вiдрiзняeться вщ умов експлуатаци колеса середнього рiвня мiцностi (типу КП-2). Таким чином, використання технологш, що забезпечують своечасне зниження рiвня на-копичених дефекпв кристалiчноi будови в металi, можуть розглядатися як засоби шдвищення ресурсу та безпеки експлуатаци залiзничних колю.
Враховуючи, що характер змiцнення металу в процесi пластично'1 деформацГi в значнш ступенi залежить вiд його структурного стану, структури з якюно рiзною морфологiею друго'1 фази мають не тiльки рiзний темп накопичення дефект кристаично'1 будови, але i рiзне !х роз-ташування [3, 4]. Так, цементит пластинково'1' форми, коли вш е структурно зв'язаний с фери-том, спроможнiй витримувати значш пластичнi деформаци без руйнування. На пiдставi цього, диспергування перлггаих колонiй супроводжуеться пiдвищенням мiцностi i трiщиностiйкостi металу. В процесi накопичення дислокацш визначаеться дуже важливий момент, який вщповь дае початку розпаду рiвномiрного розподiлу дислокацiй на перюдичш структури (рис. 2). Справа в тому, що при формуванш негомогенного розподшу дислокацiй об'еми матрицi з шд-вищеною 1'х густиною стають перешкодою для подальшого розповсюдження дислокацш. По мiрi збiльшення ступеня деформаци швидкiсть зростання кiлькостi дислокацiй в субграницях значно перебiльшуе аналогiчну характеристику в середиш чарунок, субграницi стають бшьш тонкими, а чарунки - дрiбними та практично чистими в середиш вщ дислокацiй. Враховуючи, що бшьша частина загально'1' кiлькостi дислокацш зосереджена в субграницях, пiсля досягнення максимально припустимо'1' густини дислокацiй в металi вони перетворюються в осередки суб-мiкротрiщин.
Рис. 2 - Структура перлггно'1 колони вуглецево'1' стаи пiсля пластично'1 деформаци
2 % (а) i 20 % (б). Збшьшення 30000 - а; 20000 - б
Таким чином, можна вважати, що чим скорше при деформаци в перлггних колошях по-чнуть формуватися негомогенностi в рiвномiрному розташуваннi дислокацiй, тим швидше бу-дуть сформованi осередки руйнування металу.
Якюно шша картина спостерiгаеться при пластичнш деформацii вуглецево'1 сталi з глобу-лярним цементитом. Наведенi структури формуються в при поверхневих шарах металу ободу колеса шдчас операци термiчного змiцнення (прискорене охолодження зi швидкiстю поблизу з критичним значенням та подальший самовiдпуск, рис. 1). Дислокаци, що рухаються пiдчас пластично'!' деформаци металу з глобулярним цементитом, дуже швидко перетворюються в неру-хомь Наведене явище обумовлене блокуючим ефектом вщ часток цементиту, яю розташову-ються в площиш ковзання дислокацГi. Виникае субструктурне угрупування, за зовшшшм ви-глядом подiбне дислокацiйним чарункам. Чим бiльш дисперсш частки глобулярного цементиту, тим скорше досягаеться межа максимально припустимо1 концентрацii дислокацiй, пiсля яко! починаеться процес руйнування металу.
3 урахуванням неоднорщного розподшу наклепу металу по поверхш кочення залiзнично-го колеса та дуже дисперсноi структури в цшому, фрагмент ободу був умовно роздшений на
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
три частини: I - поблизу з гребенем, II - в середиш поверхш кочення i III - поблизу з боковою поверхнею колеса. Вимiрювання твердосп металу ободу для областей I, II i III в сташ пiсля експлуатацп колеса (наклеп холодною деформащею) склали вiдповiднi значення в iнтервалi 5500-7000 МПа. Пiсля обробки металу ободу електричними iмпульсами за визначеною схемою, спостерiгали зниження твердосп на 11, 12 та 17 % для дшянок I, II та III вщповщно. Величина зниження густини дислокацш, при оцiнцi по дифракцшнш лшп (211), для визначених дшянок коливалася в iнтервалi 22-43 %. Враховуючи вiдносно низькi температури нагрiву (не вище те-мператури навколишнього середовища), рiвень ефекту пом'якшення металу не можливо пояс-нити впливом вщ розвитку процесiв дифузшного масопереносу. З iншого боку, при високих значеннях густини дислокацш (р), що накопиченi в кристалографiчних системах ковзання (для
лши (211) р склала значення 3,6...4,0-10п см-2), одним iз можливих пояснень розвитку процешв пом'якшення можуть бути неконсервативнi пере-мiщення дислокацiй. На рис. 3 схематично представлений приклад перемщення дислокацп в перпендикулярному напрямку вщносно свое! системи ковзання. В залежносп вiд особливостей перемщення лши дислокацп в площинi Q (рис. 3) повинен фор-муватися прошарок з вакансiй або атомiв. Кiлькiсть дефектiв в площинi Q, що формуються при пере-мiщеннi дислокацп', буде визначатися кутом у. Таким чином, можна вважати, що при зменшенш кута у повинно бути полегшення процесу неконсервативного перемщення дислокацп. Наведена тенденщя може бути пояснена формуванням про-шарку з вакансiй або дислокованих атомiв лише завдяки крайово! компоненти дислокацп', яка про-порцшна у [5]. На пiдставi цього сила, що дiе на одиницю довжини дислокацп' при переповзаннi,
Рис. 3 - Схема перемщення випадково! дислокацп з свое! площини ковзання (L -лшя дислокацп', P - пло-щина ковзання, у - кут мiж L та вектором Бюргера b) [5]
може бути оцiнена залежнiстю:
W
Fm =-f ,
b
(1)
де Wl - енергiя формування атомарного дефекту, Ь - вектор Бюргерса.
При наближеннi у до нуля вплив крайово! компоненти дислокацп стае необмежено ма-лим i Fm ^ 0 . 1нша сила, що виникае мiж двома дислокащями (або !х фрагментами), якi розта-шованi в паралельних площинах, буде дорiвнювати [6]:
цЬ2
F =-
2nkh
(2)
де
ц - модуль зсуву, k - приймае значення вщ 1 до (1-v), v - коефщент Пуассона, h - вщстань мiж площинами ковзання.
Умови переповзання дислокацп з одше! площини в шшу будуть досягнутi, коли Fm = F1.
Враховуючи, що для формування вакансп W1 = -^Ь-, спiввiдношення для оцшки кута у :
пiсля проведення перетворень отримаемо
Simty =
5b 2nkh'
(3)
Приймаючи k рiвним 0,8 (як середне значення штервалу), сшввщношення (3) може бути
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
спрощеним до вигляду:
b
Siny & —, (4)
h
i —2
Оцiнюючи h по залежносп вiд густини дислокацш [4]: р = h , вираження (4) може бути переписане як:
Siny = byjp, (5)
Пюля постановки в (5) b = 2,48 -10-8см [7] та експериментальних значень густини дислокацш у вщповщносп до дослщжуваних дiлянок (I, II, III) ободу колеса визначили, що в ре-зультатi EIO зменшення кута y було пропорцiйним ступеню пом'якшення металу. Для дiлянок
I, II, III величина y (до ЕЮ) складала значення вщ 36' до 48' вщповщно, а тсля EIO спосте-рiгалося зменшення кута y на рiвнi 48 % для обласп III, 28 % для II i 17 % для I. Отримаш ре-зультати можна розцшювати як свiдчення змши спiввiдношення мiж крайовою i гвинтовою компонентами дислокацшно1 структури металу ободу залiзничного колеса пiсля EIO.
Для перевiрки наведених розрахункiв можна скористатися оцшкою величини h за якюно iншим спiввiдношенням [5, 6]:
h = ф 2по0
Напруження необерненого руху дислокацiй ст0, яке для вуглецево! сталi з кшькютю
0.6.% С (в залежностi вщ структурного стану металу) може змшюватися в iнтервалi 200400 МПа [3]. Пюля постановки в (6) i (4) експериментальних даних, отримаш значення h показали достатньо добрий збп\
Висновки
1. Пом'якшення холоднодеформованого металу ободу залiзничного колеса тсля електрично! iмпульсноl обробки обумовлене рекомбшащею дислокацшно1 структури.
2. В процес ди iмпульсу електричного струму вщбуваеться зростання гвинтово! складово! дислокацш. За сво!м характером впливу електрична iмпульсна обробка аналогiчна знижен-ню опору з боку структурних складових металу процесам переповзання та послщуючо! аш-гшяцп дислокацiй.
Список використаних джерел:
1. Вакуленко I.O. Дефекти залiзничних колiс / I.O. Вакуленко, В.Г. Анофрieв, М.А. Грищенко. - Дншропетровськ : Маковецький, 2009. - 112 с.
2. Царюк А.К. Изменение механических свойств сварных соединений углеродистых и низколегированных сталей под влиянием электромагнитных воздействий / А.К. Царюк,
B.Ю. Скульский, С.И. Моравский, В.А. Сокирко // Автоматическая сварка. - 2008. - № 9. -
C. 28-32.
3. Вакуленко И.А. Морфология структуры и деформационное упрочнение стали / И.А. Вакуленко, В.И. Большаков. - Днепропетровск : Маковецкий, 2008. - 196 с.
4. Бабич В.К. Деформационное старение стали / В.К. Бабич, Ю.П. Гуль, И.Е. Долженков. -М. : Металлургия, 1972. - 320 с.
5. Фридель Ж. Дислокации / Ж. Фридель. - М. : Мир, 1967. - 643 с.
6. Рид В.Т. Дислокации в кристалах / В.Т. Рид. - М. : ГНТИ, 1957. - 279 с.
7. Гинье А. Рентгенография кристаллов / А. Гинье. - М. : ГИФ - Мат. Лит., 1961. - 604 с.
Bibliography:
1. Vakulenko I.A. Defects of rail wheels / I.A. Vakulenko, V.G. Anofriev, M.A. Grishenko. - Dni-propetrovsk : Makovetski, 2009. - 112 p. (Ukr.)
2. Tsarjuk A.K. Mechanical properties of welded plane and lowalloyed steel changing under electromagnetic influences / A.K. Tsarjuk, V.Yu. Skulski, S.I. Moravski, V.A. Sokirko // Automatic welding. - 2008. - 196 p. (Rus.)
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
3. Vakulenko I.A. Structure morphology and work hardening of steel / I.A. Vakulenko, V.I. Bolsha-kov. - Dnipropetrovsk : Makovetski, 2008. - 196 p. (Rus.)
4. Babich V.K. Deformation aging of steel / V.K. Babich, Yu.P. Gul', I.E. Dolzchenkov. - M. : Met-talurgia, 1972. - 320 p. (Rus.)
5. Fridel J. Dislocations / J. Fridel. - M. : Mir, 1967. - 643 p. (Rus.)
6. Reed V.T. Dislocations in crystals / V.T. Reed. - M. : GNTI, 1957. - 279 p. (Rus.)
7. Guinet A. Rentgenography of crystals / A. Guinet. - M. : GIF - Mat. Lit., 1961. - 604 p. (Rus.)
Рецензент: В.Г. Сфременко
д-р техн. наук, проф. ДВНЗ «ПДТУ»
Стаття надшшла 14.11.2012
УДК 621.77.019
©Троцан А.И.1, Каверинский В.В.2, Носоченко А.О.3, Кошулэ И.М.4
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН ОБРАЗОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ
ДЕФЕКТОВ РЕЛЬСОВ
Методами оптической и растровой электронной микроскопии, а также микро-рентгеноспектрального анализа изучены особенности поверхностных дефектов, наблюдаемых на рельсах. Установлено, что они представляют собой плёны, раскатанные трещины, газовые пузыри, рванины, которые могут быть заполнены окислами сложного состава, окалиной и алюмосиликатами, образовавшиеся в процессе сталеплавильного и прокатного переделов блюмов и рельсов. Показано, что образованию поверхностных дефектов рельсов, может способствовать наличие в металле скоплений оксидных и алюмосиликатных включений.
Ключевые слова: рельсы, дефекты проката, плёны, раскатанные рванины, неметаллические включения, растровая электронная микроскопия, микрорентгенос-пектральный анализ.
Троцан А.1., Каверинський В.В., Носоченко О.О., Кошуле 1.М. До^дження причин утворення поверхових дефектiв рейок. Методами оптичног та растровог електронног м1кроскотг, а також мжрорентгеноспектрального анал1зу вивчеш особливост1 поверхових дефект1в, що спостер1гаються у рейках. Встановлено, що вони являють собою пл1вки, розкаташ трщини, газов1 пузир1, рванини, яю можуть бути заповнет окислами складного складу, окалиною та алюмосилгкатами, що утворилися в процес сталеплавчгг i прокатног переробки блюм1в i рейок. Показано, що утворенню поверхових дефектiв рейок може сприяти наявтсть у металi згур-тувань оксидних i алюмосилжатних включень.
Ключовi слова: рейки, дефекти прокату, плени, розкатан рванини, неметалевi включення, растрова електронна мжроскотя, мжрорентгеноспектрального аналiз.
A.I.Trotsan, V.V. Kaverinskiy, О.О. Nosochenko, I.M. Koshule. Exploration of the causes of rails superficial defects formation. By methods of optical and scanning electron microscopy, and also micro X-ray spectral analysis features of the superficial defects observed on rails, are investigated. It is fixed that they are rolling films, rolled cracks, gas holes, rolled tearing which can be filled with oxides of complex composition, oxide scale and aluminosilicate, and formed in process of steel-smelting and rolling re-
1 д-р техн. наук, ГВУЗ « Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
2 вед. инж., Институт проблем материаловедения НАН Украины, г. Киев
3 канд. техн. наук, вед. инж. сектора металловедения прокатного отдела, ПАО «МК «Азовсталь», г. Мариуполь
4 начальник ИТЦ техуправления ПАО «МК «Азовсталь», г. Мариуполь
