CC BY
42
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 3 (45)
МАТЕР1АЛОЗНАВСТВО
УДК 669.14.018.294:629.4.027.4
I. О. ВАКУЛЕНКО1*, С. В. ПРОЙДАК1, М. М. ГРИЩЕНКО1
1 Каф. «Технолопя матерiалiв», Днiпропетровський нацюнальний унiверситет з^зничного транспорту iменi академiка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, 49010, Днiпропетровськ, Укра!на, тел. +38 (056) 373 15 56, ел. пошта dnyzt_texmat@ukr.net
ПЕРСПЕКТИВА ВИКОРИСТАННЯ АТЕРМ1ЧНИХ ТЕХНОЛОГ1Й ПОМ'ЯКШЕННЯ МЕТАЛУ ЕЛЕМЕНТ1В РУХОМОГО СКЛАДУ
Мета. Метою роботи е оцiнка можливостi використання атермiчних технологiй пом'якшення металу елеменпв кузова i колеса залiзничного вагону. Методика. Матерiалом для дослвдження були вуглецевi сталi фрагмента ободу залiзничного колеса з 0,55 % С, 0,74 % Мп, 0,33 % 81 i сталь 20. Сталь залiзничного колеса дослiджували в сташ пiсля термiчного змiцнення i холодного наклепу тсля експлуатацп. Сталь 20 досль джували пiсля холодно! пластично! деформаци прокаткою. Електричну iмпульсну обробку (ЕО) здшснюва-ли на спещальному устаткуваннi. В якостi характеристики мщносп металу використовували твердiсть за Вшкерсом. Дослiдження мiкроструктури здiйснювали з використанням свiтлового та електронного мжро-скошв. Результата. При експлуатацi! елементiв рухомого складу рiзного рiвня мiцностi виникнення ушко-джень на металевих поверхнях обумовлене одночасною дiею достатньо складних навантажень. Враховуючи, що формування осередшв руйнування в значнiй мiрi визначаеться станом об'емiв металу поблизу з мюцями максимальних дiючих напружень, розробка технологш зниження темпу накопичення дефекпв або рiвня дь ючих напружень дозволить подовжити термiн роботи елеменпв рухомого складу. Пiсля ЕО фрагменту ободу колеса змшам твердосл вiдповiдали закономiрнi змiни внутрiшньо! будови металу. Пропорцшно зрос-танню ступеню холодно! деформацi! прокаткою мiцнiсть низьковуглецево! сталi зростае. Знакозмiнне виги-нання холоднодеформованого листового прокату супроводжуеться зниженням мiцностi, яке обумовлене змiнами субструктури металу. Наукова новизна. Процес пом'якшення наклепано! сталi супроводжуеться субструктурними змшами, як1 бiльшою мiрою притаманнi змщненню вiд холодно! пластично! деформацi!: диспергування дислокацiйно! чарунково! структури, формування нових та перемщення сформованих суб-меж. Практична значимкть. Впровадження в умовах ремонтно! бази залiзничних депо технологи електри-чно! iмпульсно! обробки дозволить без застосування нагрiву металу досягти необх1дного рiвня пом'якшення наклепано! по поверхш кочення сталi залiзничного колеса. Наведена обробка дозволить знизити твердеть i подовжити термiн використання рiзцiв при вiдновленнi профiлю катання залiзничного колеса.
Ключовi слова: вуглецева сталь; залiзничне колесо; твердiсть; субструктура; електрична iмпульсна обробка; знакозмiнний вигин
Вступ
ся дефектами кристатчно! будови [6, 3]. Якщо нуль-м1рн1 дефекти (вакансп, дислокован1 ато-В процеа експлуатацИ' елементи рухомого ми) обумовлюють швидк1сть розвитку процес1в складу тддаються достатньо складним наван- дифуз1йного масопереносу, то одном1рш дис-таженням, яю у б1льшост1 випадк1в можуть ма- локаци визначають особливост1 формування ти непередбачуваш насл1дки. Так, прошарки внутршшх напружень, розвитку процес1в де-металу зал1зничного колеса поблизу з поверх- формацшного зм1цнення та 1н. Процеси заро-нею кочення достатньо штенсивно насичують- дження дислокац1й, темп !х приросту та розта-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 3 (45)
шування в метал визначають умови формування зародюв ушкоджень шсля вичерпання ресурсу ix накопичення [6, 4]. На шдстав1 цього викорис-тання технологш, що забезпечують зниження рь вня накопичених дефектов кристашчно' будови в метал1, можуть розглядатися як засоби шдви-щення ресурсу та безпеки експлуатацп рухомого складу або окремих його елементiв. В порiвнян-нi з термiчними теxнологiями пом'якшення хо-лоднодеформованого металу [1], достатньо вь домi атермiчнi обробки, яю дозволяють знизити рiвень характеристик мщносто без застосування нагрiву. Так ефект пом'якшення, що заснований на використанш мехашчних впливiв, може бути досягнутим при застосуваннi мiкропластичниx деформацiй, яю за напрямком свое' дп не сшв-падають з попередньо сформованим деформова-ним станом [2, 3]. Аналопчний за сво'м характером вплив на розвиток процешв пом'якшення можна спостерiгати при деформацп сталей зi структурами, що сформованi за зсувним мехаш-змом [10], при використанш дп iмпульсiв елект-ричного струму [5, 7].
Мета
Метою роботи е оцiнка можливосто викорис-тання атермiчниx теxнологiй пом'якшення металу елементов кузова i колеса залiзничного вагону.
Методика
Матерiалом для дослiдження були вуглецевi стал фрагменту ободу залiзничного колеса, з вмютом С - 0,55 %, Mn - 0,74 %, Si - 0,33 % та сталь 20 (0,18 % С), яка подiбна металу кузов-них елеменпв вагону. Сталь затзничного колеса дослщжували в станi пiсля термiчного змщ-нення при виготовленнi i холодного наклепу пiсля експлуатацп. Сталь 20 дослщжували тс-ля холодно' пластично' деформацп прокаткою на 20 %.
Дослiдження мшроструктури здiйснювали з використанням свiтлового та електронного мш-роскопiв. Аналiз структурних складових проводили з використанням методик кшькюно' ме-талографп. Параметри тонко' кристатчно' будови металу дослщжували з використанням методу рентгешвського структурного анатзу. При цьому густину дислокацiй визначали по кристалографiчнiй площинi (211). В якостi ха-
рактеристики мщносп металу використовували твердють за Вiккерсом.
Електричну iмпульсну обробку здшснювали на спецiальному устаткуваннi.
Результати
За рахунок шдвищено' початково' концент-рацп дефектiв кристатчно' будови елементи рухомого складу зi сталей у високомщному станi в процесi експлуатацп достатньо швидко досягають максимально' межi за кiлькiстю де-фектiв, перебшьшення яко' призводить до формування ушкоджень металу. Застосування технологш пом'якшення металу дозволить подов-жити безаварiйну роботу рухомого складу.
Дшсно, як показано в [4], момент формування неоднорщностей в дислокацшному роз-подiлi в значнiй мiрi залежить вiд розмiру зерна фериту i товщини феритного промiжку перлгг-но' колонп. За умови односпрямованого дефо-рмування зростання розмiру зерна фериту су-проводжуеться зрушенням моменту розпаду р> вномiрного розподiлу дислокацш на перiодичнi структури [11] у бш менших деформацiй [2]. При змш напряму деформацп вiдбуваеться розвиток процешв аншляцп дефектiв кристат-чно' будови i, як наслiдок цього, досягаеться ефект пом'якшення металу. Анатз дислокацш-но' чарунково' структури шюструе не тiльки зниження накопичено' кшькост дефектiв крис-татчно' будови холоднодеформованого металу, але i розвиток змш, подiбний процесам п вдос-коналення. Так, шсля холодно' пластично' деформацп прокаткою на 20 % в стал з 0,18 % C вже сформована недосконала дислокащйна чарункова структура фериту (рис. 1). Про це свщчать достатньо широк субгранищ, в яких спостертаеться вщ-носно низька густина дислокацш. Одночасно в тiлi самих чарунок присутня певна кiлькiсть незв'я-заних дислокацiй (див. рис. 1).
Пюля чотирьох циклiв знакозмiнного виги-ну в чарунковiй структурi холоднокатано' стат можна спостерiгати появу перших ознак розви-тку процесiв вдосконалення. Щцтверджуеться наведене положення зниженням накопичено' загально' кiлькостi дислокацiй з одночасним зменшенням ширини субмеж i початком очи-щення тiла чарунок вiд незв'язаних дислокацш (рис. 2).
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 3 (45)
Рис. 1. Дислокацшна чарункова в структурно вшьному ферип в стал1 з 0,18 % С шсля холодно! пластично! деформаци прокаткою на 20 %
Рис. 2. Дислокацшна чарункова структура в структурно-вшьному ферип в сталi з 0,18 % С шсля холодно! прокатки на 20 % i 4 циктв знакозмшного згину
Для перл1тних колонш вуглецево! стал1 (0,18 % С) формування дислокацшно! чарунко-во! структури неминуче буде залежати вщ темпу приросту густини дислокацш у феритному пром1жку { !! подальшому розподш (рис. 3). Як показано в працях [6, 2], тдвищення дисперс-носп перлиту супроводжуеться зниженням темпу накопичення дислокацш при деформаци 1 зсувом початку формування немонотонного розподшу дислокацш у б1к бшьших сумарних деформацш Пщтверджуеться це пропорцшним приростом максимально можливо! деформаци при волочшш стал1 з1 збшьшенням дисперснос-т перл1ту.
Враховуючи, що при експлуатаци рухомого складу практично вс елементи тддаються чи-
сельним цикл1чним навантаженням, розвиток процес1в втоми буде, в першу чергу, визначати умови формування осередюв !х руйнування. На шдстав1 цього дисперсшсть структурних скла-дових повинна у першу чергу визначати отр металу зародженню ушкоджень. Наведене по-ложення однозначно шдтверджуеться юнуван-ням залежиосп характеристик мщносп вщ розм1ру структурного параметра металу або сплаву. Так, незалежно вщ схеми навантаження (односпрямоване або реверсивне), тд час роз-витку процес1в втоми мщшсть стал1 вщ розм1ру структурного елемента шдпорядковуеться в> домо! залежиосп [12, 13]:
c-i+ку -Г0,5,
де ct_j, ,ky - вщповщно межа втоми i параме-
три р1вняння Холла-Петча; X - товщина фери-тного прошарку перлiтноi колони.
Рис. 3. Дислокацшна чарункова структура перлггно! колони стал1 шсля холодно! пластично! деформаци прокаткою на 20 %
Таким чином, для низько вуглецевоi' сталi зни-ження межi мiцностi при втомi 3Í зростанням роз-мiру зерна фериту пов'язане з прискоренням про-цесу розпаду однорiдного розподiлу дислокацiй на перюдичт структури i з подальшим ix вдоскона-ленням [12]. Для середньо- та високо вуглецевих сталей з перлпною структурою диспергування колонш супроводжуеться одночасним зменшенням як товщини цементних пластин, так i феритного промiжку мiж ними. Зменшення товщини ферит-ного прошарку призводить до зменшення довжи-ни вiльного пробiгу дислокацiй в ферип перлiту i, як наслщок цього, до зниження вiрогiдностi бло-кування ix руху, аж до моменту виходу на мiжфаз-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 3 (45)
ну поверхню розпод1лу [13]. При цьому, чим бшьш тоню пластини цементиту, тим вищий сту-тнь пластично! деформацл вони можуть витрима-ти без руйнування [1, 2]. Аналопчний вплив дис-пергування структурних складових можна спосте-ртати для структур, що сформован за зсувним або пром!жним мехашзмами [9].
Пюля чотирьох циктв знакозмшного виги-ну в чарунковш структур! холоднокатано! стал! можна спостернати появу ознак розвитку про-цес!в вдосконалення. П!дтверджуеться наведе-не положення, аналог!чно як ! для зерен структурно вшьного фериту (рис. 1, 2), зниженням накопичено! загально! к!лькост! дислокац!й, з одночасним зменшенням ширини субмеж ! початком очищення т!ла чарунок вщ незв'язаних дислокац!й (рис. 4).
Рис.4. Дислокац!йна чарункова структура перл!тно! колон!!' стал! з 0,18 % С тсля холодно! прокатки на 20 % ! 4 циктв знакозм!нного згину
Таким чином, можна з визначеною впевне-шстю вважати, що використання знакозм!нного деформування, коли стутнь деформац!! за цикл приблизно дор!внюе значенню появи перших ознак не оберненого руху дислокацш, дозволяе знижувати накопичену концентрац!ю дефекпв кристал!чно! будови. За зовн!шн!ми ознаками впливу на властивосп м!цност! холоднодефор-мовано! вуглецево! стал! представлена обробка (знакозмшне деформування) може вважатися под!бною терм!чним технолог!ям пом'якшення (нагр!в до визначених температур ! витримка з подальшим пов!льним охолодженням). Однак, анал!з структурних зм!н вказуе на юнування як!сних розб!жностей в пор!внянн! з терм!чни-ми технолог!ями пом'якшення. Дшсно, як свщ-чать в!дом! експериментальш досл!дження
[1, 4], п!сля нагр!ву до температур, що обумов-люють аналог!чний р!вень пом'якшення (як ш-сля знакозм!нного деформування), спостерна-еться не т!льки зниження накопичено! кшькост дефект!в кристал!чно! будови, а ! початок розвитку процес!в, що призводять до появи зм!ни морфолопчних ознак структурних складових. В першу чергу це стосуеться цементних пластин перл!тно! колон!!. При нагр!ванн! до температур, приблизно 500 °С, можна знайти тдтвер-дження про початок розвитку процешв сферо-!д!зац!! цементних пластин перл!ту: виникнення локальних звужень, округлення пластин побли-зу з границями структурно-вшьного фериту та ш. [1]. Таким чином, процес пом'якшення при реверсивному деформуванш як!сно вщр!зня-еться в!д терм!чних технолог!й ! обумовлений взаемод!ею м!ж дефектами кристатчно! будови, що були введен! в метал при первинному ! наступному навантаженнях.
Другий р!зновид атерм!чного пом'якшення холоднодеформованого метала можна спостер> гати в результат! дн !мпульс!в електричного струму з визначеними характеристиками. Пщ-даючи метал фрагменту ободу зал!зничного колеса в стан! тсля наклепу по поверхш кочення (рис. 5), електро!мпульснш обробц! (ЕО), як ! в робот! [5, 7], спостер!гали зм!ну геометричних розм!р!в зразку, в залежносп в!д числа цикл!в ! потужност! електричного струму. На шдстав! цього можна з визначеною впевнешстю вважа-ти, що сам процес пом'якшення повинен бути пов'язаний з випливом малих пластичних дефо-рмац!й на розподш дислокац!й, що сформова-ний попередшм деформуванням (наклепом ме-талу по поверхш кочення). Незб!жнють за на-прямком д!! головних напружень (тд час наклепу металу ! п!д д!ею !мпульс!в електричного струму) обов'язково повинна привести до зниження накопичено! густини дислокацш. Бшьше цього, розвиток процесу пом'якшення за раху-нок ЕО, якщо пор!внювати його з терм!чними технолог!ями, мае сво! в!дм!нност!. Д!йсно, п!д час нагр!вання ! певно! витримки, в холодноде-формованому метал! в!дбуваються структурш зм!ни у визначен!й посл!довност!. Швидюсть структурних зм!н пропорц!йна температур! на-гр!ву ! обумовлена прискоренням процешв ди-фуз!йного масопереносу. У бшьшосп випадк!в процеси пом'якшення зв'язан! з формуванням
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 3 (45)
додаткових границь розподшу, зменшенням ча-стки границь з малими кутами разор!ентаци, зростанням або зменшенням загально! довжини границь з великими кутами разор!ентаци [2].
Рис. 5. Структура вуглецево!' стал зал1зничного колеса в наклепаному стат по поверхш кочення. Збшьшення 250
Рис. 6. Структура вуглецево! стал зал1зничного колеса в наклепаному сташ по поверхш кочення тсля ЕО. Зб1льшення 250
Д1я ¿мпульшв електричного струму, в залеж-ност вщ попереднього ступеня деформаци ме-талу, призвела до р1зного р1вня зниження твердость Максимальне пом'якшення (за оцшками твердосп) складало приблизно 17 %. За сво!м характером указана д1я ЕО адекватна ступеню пом'якшення холоднодеформованого металу тсля нагр1ву до температур порядку 550...600 °С [1]. Однак, формування достатньо великих дшянок структурно вшьного фериту (рис. 6), яю практично вщсутш в структур! ста-л1 тсля наклепу (рис. 5), може розглядатися як
свого роду шдвищення структурно1 неод-норщност вуглецево! сталь Внаслщок таких структурних змш повинне вщбуватися зниження пластичних властивостей стал!, особливо чутливими повинш бути характеристики, що визначають оп!р металу руйнуванню за динам> чних умов випробувань: ударна в'язюсть при понижених ! низьких температурах [1, 8].
Стутнь пом'якшення холоднодеформованого металу шдтверджуеться ! зм!нами параме-тр!в тонко-кристал!чно1 будови. Так, за оцш-кою дифракц!йно1 лши (211) п!д час рентгешв-ських структурних досл!джень густина дисло-кац!й, що накопичена в результат! холодного наклепу металу колеса по поверхш кочення, в результат! ЕО знизилася приблизно на 22.40 %.
Пор!вняльний анал!з з вщомими експериме-нтальними даними [1, 2] показуе достатньо до-брий зб!г ступеню пом'якшення з величиною пластично! деформаци ! температурою нагр!ву. У вказаних роботах показано залежшсть ступеня пом'якшення металу при нагр!в! у широкому !нтервал! змш щодо вм!сту вуглецю ! величини попередньо! пластично! деформаци стал!. Для стал! зал!зничного колеса, з приблизно адеква-тним ступенем наклепу вщ холодно! деформаци, зниженню концентраци накопичених дефе-кт!в до р!вня 30.40 % в!дпов!дае нагр!в ! ви-тримка терм!ном 1 год. при температурах 500.550 °С [1].
Наукова новизна та практична значимкть
В робот! представлено узагальнеш результата, що стосуються розвитку процешв пом'якшення в холоднодеформован!й вуглецевш стал! п!д час подальшого !! знакозм!нного наванта-ження.
Процес пом'якшення наклепано! стал! су-проводжуеться субструктурними зм!нами, як! б!льшою м!рою притаманш зм!цненню в!д холодно! пластично! деформаци: диспергування дислокац!йно! чарунково! структури, формування нових та перемщення сформованих суб-меж.
Впровадження в умовах ремонтно! бази за-л!зничних депо технологи електрично! ¿мпуль-сно! обробки дозволить без застосування нагр!-ву металу досягти необх!дного р!вня пом'якшення стал!, наклепано! по поверхш кочення
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 3 (45)
залiзничного колеса. Наведена обробка дозволить знизити твердють i подовжити термш ви-користання рiзцiв при вщновленш профiлю ка-тання затзничного колеса.
Висновки
1. Зростання границ мiцностi при втомi ву-глецево! сталi, при подрiбненнi зерна фериту i диспергуваннi перл^но! колони, обумовлене уповшьненням процесу формування дислока-цшних чарункових структур, зростанням плас-тичних властивостей цементиту i ускладненням умов досягнення максимально можливо! кон-центрацп дефектiв кристалiчноl будови в мш-рооб'емах металу.
2. Електрична iмпульсна обробка, холодно-деформованого металу затзничного колеса за характером свое! ди в значному ступенi подiбна нагрiву до визначених температур.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Бабич, В. К. Деформационное старение стали / В. К. Бабич, Ю. П. Гуль, И. Е. Долженков. - М. : Металлургия, 1972. - 320 с.
2. Вакуленко, И. А. Морфология структуры и деформационное упрочнение стали / И. А. Вакуленко, В. И. Большаков. - Д. : Маковецкий, 2008. - 196 с.
3. Вакуленко, I. О. Змша твердосп металу по по-верхш кочення зал1зничних колю тсля формування повзуна / I. О. Вакуленко, В. Г. Анофр1ев, Ю. Л. Надежд1н // Вюник Дншропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. - Д., 2010. - Вип. 31. - С. 256-258.
4. Вакуленко, I. О. Про взаемозв'язок структурних перетворень при втом1 вуглецево! стал1 з осо-бливостями будови поверхонь руйнування / I. О. Вакуленко // Вюник Дшпропетр. нац. ун-ту
зал1зн. трансп. iM. акад. В. Лазаряна. - Д., 2010.
- Вип. 32. - С. 242-245.
5. Вакуленко, I. О. Структурш перетворення в металi залiзничного колеса тсля ди iмпульсiв електричного струму / I. О. Вакуленко, В. А. Сошрко, О. С. Баскевич // Вюник Дшпро-петр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iM. акад. В. Лазаряна. - Д., 2012. - Вип. 42. - С. 160-163.
6. Дефекти залiзничних колю / I. О. Вакуленко,
B. Г. Анофрieв, М. А. Грищенко, О. М. Перков. - Д. : Маковецький, 2009. - 112 с.
7. Изменение механических свойств сварных соединений углеродистых и низколегированных сталей под влиянием электромагнитных воздействий / А. К. Царюк, В. Ю. Скульский,
C. И. Моравский, В. А. Сокирко // Автоматическая сварка. - 2008. - № 9. - С. 28-32.
8. Нотт, Дж. Основы механики разрушения // Дж. Нотт. - М. : Металлургия, 1978. - 256 с.
9. Bhadeshia, H. K. D. Bainite in Steels / H. K. D. Bhadeshia. - Cambridge : The University Press, 2001. - 454 p.
10. Breyer, N. N. The yield - point phenomenon in strain - aged martensite / N. N. Breyer // Transactions of the Metallurgical Society of AIME. - 1966.
- Vol. 236, № 8. - P. 1198-1202.
11. Holt, D. L. Dislocation cell formation in metals /
D. L. Holt // Journal of Applied Physics. - 1970. -Vol. 41. - P. 3197-3202.
12. Vakulenko, I. A. Mechanism of the effect of the ferrite graine size on the fatigue strength of a low-carbon steel / I. A. Vakulenko, O. N. Perkov, V. G. Razdobreev // Russian Metallurgy (Metally).
- 2008. - № 3. - P. 229-231.
13. Vakulenko, I. A. Effect of the morphology and size of iron carbide on the fatigue strength of carbon steels / I. A. Vakulenko, O. N. Perkov // Russian Metallurgy (Metally). - 2008. - № 3. - P. 225-228.
И. А. ВАКУЛЕНКО1*, С. В. ПРОЙДАК1, Н. Н. ГРИЩЕНКО1
1 Каф. «Технология материалов», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, 49010, Днепропетровск, Украина, тел. +38 (056) 373 15 56, ел. почта dnyzt_texmat@ukr.net
ПЕРСПЕКТИВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АТЕРМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ РАЗУПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛА ЭЛЕМЕНТОВ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Цель. Целью работы является оценка возможности использования атермических технологий разупрочнения холоднодеформированного металла элементов кузова и колеса железнодорожного вагона. Методика. Материалом для исследования были углеродистые стали фрагмента обода железнодорожного колеса,
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 3 (45)
с 0,55 % С, 0,74 % Mn, 0,33 % Si и сталь 20. Сталь железнодорожного колеса исследовали в состоянии после термического упрочнения и холодной деформации после эксплуатации. Сталь 20 исследовали после холодной пластической деформации прокаткой. Электрическую импульсную обработку (ЭО) осуществляли на специальном оборудовании. В качестве характеристики прочности металла использовали твердость по Вик-керсу. Исследования микроструктуры осуществляли с использованием светового и электронного микроскопов. Результаты. При эксплуатации элементов подвижного состава разного уровня прочности возникли повреждения на металлических поверхностях, обусловленные одновременным действием достаточно сложных нагрузок. Учитывая, что формирование очагов разрушения в значительной степени определяется состоянием объемов металла поблизости от мест максимальных действующих напряжений, разработка технологий снижения темпа накопления дефектов или уровня действующих напряжений, позволит продлить срок работы элементов подвижного состава. После электрической импульсной обработки (ЭО) фрагмента обода колеса изменениям твердости отвечали закономерные изменения внутреннего строения металла. Пропорционально росту степени холодной деформации прокаткой прочность низкоуглеродистой стали растет. Знакопеременный изгиб холоднодеформи-рованного листового проката сопровождается снижением прочности, которое обусловлено изменениями субструктуры металла. Научная новизна. Процесс разупрочнения наклепанной стали сопровождается субструктурными изменениями, какие в большей степени соответствуют развитию упрочнения от холодной пластической деформации: диспергирование дислокационной ячеистой структуры, формирование новых и перемещения сформированных субграниц. Практическая значимость. Внедрение в условиях ремонтной базы железнодорожных депо технологии электрической импульсной обработки позволит без применения нагрева металла достичь требуемого уровня разупрочнения наклепанной по поверхности катания стали железнодорожного колеса. Приведенная обработка позволит снизить твердо -сть металла и продлить срок использования резцов при восстановлении профиля катания железнодорожного колеса.
Ключевые слова: углеродистая сталь; железнодорожное колесо; твердость; субструктура; электрическая импульсная обработка; знакопеременный изгиб
I. A. VAKULENKO1*, S. V. PROYDAK1, N. N. GRISCHENKO1
1 Dep. «Materials Technology», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan Str., 2, 49010, Dnipropetrovsk, Ukraine, tel. +38 (056) 373 15 56, e-mail dnyzt_texmat@ukr.net
USE PROSPECT OF THE OF ATHERMIC TECHNOLOGIES OF METAL SOFTENING FOR ROLLING STOCK ELEMENTS
Purpose. The purpose of work is the possibility estimation of аthermic technologies use of cold-deformed metal softening for elements of railway car body and wheel. Methodology. The material for research is the carbon steel of the wheel rim fragment containing 0,55 % С, 0,74 % Mn, 0,33 % Si, and the steel 20. The wheel steel is studied after heat strengthening and cold work after operation. Steel 20 is studied after plastic cold work by rolling. Electric pulse treatment (ET) is carried out on the special equipment. As the property of metal strength the Vickers hardness number is used. The microstructure research is carried out using the light and electronic microscope. Findings. During operation of the rolling stock elements with different strength level origin of damages on metallic surfaces is caused by a simultaneous load action. Taking into account that forming of breakdown sites is largely determined by the state of metal volumes nearby the places of maximal active voltages, the technology development of defect accumulation slowdown or the level of active voltages development allow one to prolong the operating term of rolling stock elements. After electric pulse treatment of the wheel rim fragment the regular changes of metal internal structure corresponded to the hardness changes. The hardness of low carbon steel increases proportional to the increase of the level of cold work by rolling. Alternating bending of the cold-deformed flat is accompanied by strength decrease, which is caused by the metal substructure changes. Originality. The softening process of the cold-worked steel is accompanied by substructure changes, which to a greater extent correspond to the hardening development from the plastic cold-work: dispersion of the dislocation cellular structure, formation of the new sub boundaries and displacement of the formed sub boundaries. Practical value. Introduction of electric pulse treatment in the conditions of railway depots repair base allow one to attain the required level of softening of the cold-worked steel on the wheel thread of railway wheel without heating of metal. The given treatment reduces the metal hardness and prolongs the term of incisors use during the renovation of the rolling profile of the railway wheel
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2013, вип. 3 (45)
Keywords: carbon steel; railway wheel; hardness; substructure; electric pulse treatment; alternating bending
REFERENCES
1. Babich V.K., Gul Yu.P., Dolzhenkov I.Ye. Deformatsionnoye stareniye stali [Strain aging of the steel]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1972. 320 p.
2. Vakulenko I.A., Bolshakov V.I. Morfologiya struktury i deformatsionnoye uprochneniye stali [Morphology of structure and cold hardening of the steel]. Dnipropetrovsk, Makovetskyi Publ., 2008. 196 p.
3. Vakulenko I.O., Anofriiev V.H., Nadezhdin Yu.L. Zmina tverdosti metalu po poverkhni kochennia zaliznychnykh kolis pislia formuvannia povzuna [Change of metal hardness on the wheel thread after flat spot forming]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University named after Academician V. Lazaryn], 2010, issue 31, pp. 256-258.
4. Vakulenko I.O. Pro vzaiemozviazok strukturnykh peretvoren pry vtomi vuhletsevoi stali z osoblyvostiamy budovy poverkhon ruinuvannia [On interrelation of structural transformations during the carbon steel fatigue with pecularities of the break surface]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University named after Academician V. Lazaryn], 2010, issue 32, pp. 242-245.
5. Vakulenko I.O., Sokirko V.A., Baskevych O.S. Strukturni peretvorennia v metali zaliznychnoho kolesa pislia dii impulsiv elektrychnoho strumu [Structural transformations in railway wheel metal after electric current impulse]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University named after Academician V. Lazaryn], 2012, issue 42, pp. 160-163.
6. Vakulenko I.O., Anofriiev V.H., Hryshchenko M.A., Perkov O.M. Defekty zaliznychnykh kolis [Railway wheels defects]. Dnipropetrovsk, Makovetskyi Publ., 2009. 112 p.
7. Tsaryuk A.K., Skulskiy V.Yu., Moravskiy S.I., Sokirko V.A. Izmeneniye mekhanicheskikh svoystv svarnykh soyedineniy uglerodistykh i nizkolegirovannykh staley pod vliyaniyem elektromagnitnykh vozdeystviy [Mechanical properties change of welded connections of carbon and low-alloyed steels under the influence of electromagnetic effect]. Avtomaticheskaya svarka - Automatoic welding, 2008, no. 9, pp. 28-32.
8. Nott Dzh. Osnovy mekhaniki razrusheniya [Foundations of the fracture mechanics]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1978. 256 p.
9. Bhadeshia H.K.D. Bainite in Steels. Cambridge, The University Press Publ., 2001. 454 p.
10. Breyer N.N. The yield - point phenomenon in strain - aged martensite. Transactions of the Metallurgical Society of AIME, 1966, vol. 236, no. 8 pp.1198-1202.
11. Holt D.L. Dislocation cell formation in metals. Journal of Applied Physics, 1970, vol. 41, pp. 3197-3202.
12. Vakulenko I.A., Perkov O.N., Razdobreyev V.G. Mechanism of the effect of the ferrite graine size on the fatigue strength of a low-carbon steel. Russian Metallurgy (Metally), 2008, no. 3, pp. 229-231.
13. Vakulenko I.A., Perkov O.N. Effect of the morphology and size of iron carbide on the fatigue strength of carbon steels. Russian Metallurgy (Metally), 2008, no. 3, pp. 225-228.
Стаття рекомендована до публ1кацИ' к.т.н., доц. Л. I. Котовою (Украта); к.т.н., доц.
О. О. Чайковським (Украта)
Поступила у редколепю 03.04.2013 Прийнята до друку 04.06.2013
