СТРУКТУРА СОВРЕМЕННЫХ РЕЛЬСОВЫХ СТАЛЕЙ. БЕЙНИТНЫЕ СТАЛИ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

TECHNICAL SCIENCES

СТРУКТУРА СОВРЕМЕННЫХ РЕЛЬСОВЫХ СТАЛЕЙ. БЕЙНИТНЫЕ СТАЛИ

Жумабеков Б.Ш.

Ташкентский государственный транспортный университет,

ассистент Мансуров Ю.Н.

Ташкентский государственный транспортный университет, доктор технических наук, профессор Рахимов Р.В.

Ташкентский государственный транспортный университет,

доктор технических наук, доцент Джаббаров Ш.Б.

Ташкентский государственный транспортный университет,

кандидат технических наук, доцент Абдуллаев Б.А.

Ташкентский государственный транспортный университет, кандидат технических наук, доцент,

STRUCTURE OF MODERN RAIL STEELS. BAINITE STEELS

Jumabekov B.

Tashkent State Transport University,

assistant Mansurov Yu.

Tashkent State Transport University, doctor of technical sciences, Professor Rahimov R.

Tashkent State Transport University, Doctor of technical sciences, Associate Professor Djabbarov Sh.

Tashkent State Transport University, Candidate of technical sciences, Associate Professor

Abdullaev B.

Tashkent State Transport University, Candidate of technical sciences, Associate Professor DOI: 10.5281/zenodo.6696526

Аннотация

Металловедение привлекает внимание тем, что постоянно надо искать нестандартные решения. Это касается и материалов, используемых для повышения качества эксплуатации железнодорожного подвижного состава. Поскольку качество всегда связано с безопасностью, то повышая качество подвижного состава нельзя забывать и о качестве пути, по которым холит железнодорожный транспорт: рельсовым дорогам. Рельсовый путь - это и движение поездов, это и движение метро, это и движение трамваев. В работе представлен аналитический, экспериментальный материал, позволяющий промышленному производству улучшить качество собственной продукции в части изготовления рельсов, которые служат для прокладки железных дорог, трамвайных путей, линий метро. На настоящее время только длина железнодорожного пути в мире составляет уже более 1 400 500 км и эта цифра постоянно растет.

Abstract

Metal science attracts attention by the fact that it is constantly necessary to look for non-standard solutions. This also applies to materials used to improve the quality of operation of railway rolling stock. Since quality is always associated with safety, when improving the quality of rolling stock, one should not forget about the quality of the tracks along which rail transport is groomed: railroads. The rail track is the movement of trains, this is the movement of the subway, this is the movement of trams. The paper presents analytical, experimental material that allows industrial production to improve the quality of its own products in terms of the manufacture of rails, which are used for laying railways, tramways, metro lines. At present, only the length of the railway track in the world is already more than 1,400,500 km, and this figure is constantly growing.

Ключевые слова: железные дороги, безопасность эксплуатации, рельсы, состав, структура, свойства, качество.

Keywords: railways, operational safety, rails, composition, structure, properties, quality.

Введение

Рассматривая железную дорогу, необходимо ясно представлять, что длина рельсов по сравнению с протяженностью железных дорог не только в два раза длиннее, но обе линии должны обладать одинаковыми эксплуатационными свойствами, в том числе, механическими. Более того, постоянно взаимодействующая пара колесо-рельс должны обладать также одинаковыми эксплуатационными свойствами. В противном случае будет износ менее прочного, следовательно, катастрофа. Учитывая эту особенность взаимодействия пары колесо-рельс, в работе рассмотрен вопрос обеспечения повышенных свойств рельсов, которые обеспечиваются составом и структурой материала, из которого промышленность их готовит.

В известной литературе есть много информации по результатам исследований сталей, из которых изготавливают рельсы [1-6]. Однако, в известных данных нет четко градации структуры рельсов, поскольку на них действует различная нагрузка. Это актуально постольку, поскольку в разных странах, требования, предъявляемые к ограничению

Структуры сплавов изучали всеми методами, принятыми в металловедении, а именно: макро-, микро-, субструктурными методами анализа с использованием световых металлографических микроскопов типа ЛОМО-41, сканирующего электронного микроскопа 1ео1-35СБ.

Свойства сплавов, в частности, механические определены по стандартным методикам.

Термический анализ сплавов проводили с использованием методов ДТА-анализа.

Результаты и их обсуждение

В процессе исследований подтверждено [1315], что контактные поверхности сталей, подверженные высоким и/или длительным нагрузкам, могут постепенно трансформироваться (при малом износе) или внезапно (как при блокировке колес рельсовых транспортных средств) превратиться в твердую, хрупкую форму мартенсита. На рельсах, кроме колесных салазок, такие конструкции встречаются на гребнях касательных путей и вершинах гофров, т. е. там, где наблюдается низкий износ.

Бейнитная структура стали обычно получается при соблюдении требуемой скорости кристаллизации или в процессе термической обработки, поскольку она определена в виде двухфазной структуры, которая образуется в результате превращения

нагрузок на колесные пары, различные. Например, в Узбекистане, эта нагрузка составляет 23,5 тонны, России - 27 тонн, Китае - 30 тонн, а например, в Австралии - 40 тонн [7-12]. Поэтому, задача определения наиболее оптимальной структуры рельсового материала, обеспечивающая максимальную нагрузку на рельсы (а следовательно и на колесную пару) является актуальной.

Целью работы является изучение, анализ, систематизация экспериментальных данных по структуре рельсов, фрактографии их излома с целью определения оптимального их строения.

Для достижения основной цели работы изучены виды структур рельсов различного химического состава, определены структурные составляющие, форма их кристаллизации.

Материалы и методы исследования В работе использованы материалы рельсов, изготовленных промышленностью. Экспериментальные составы рельсовой стали из разных стран, разных географических районов показаны в табл. 1.

Таблица 1

аустенита между диапазонами температур, при которых образуются перлит и мартенсит. Там, где требуется бейнитная микроструктура, рельсовой стали в нее вводили малые добавки (для увеличения бейнитной части кривых изотермического и непрерывного охлаждения) в широком диапазоне скоростей охлаждения (рис. 1), наиболее эффективной является, как установлено, небольшая добавка молибдена. Изгиб бейнитного превращения может быть расширен также небольшими добавками бора, который улучшает ударную вязкость и сопротивление усталости. Добавки окисляющих элементов, таких как алюминий и титан, также необходимы для того, чтобы бор не окислялся во время плавки стали, тем самым не снижал эффективность действия.

Для простых углеродистых низколегированных сталей бейнитная решетчатая структура формируется в границах предшествующих аустенит-ных зерен за счет первоначального смещения аусте-нита в феррит, но затем скорость охлаждения сплава такова, что некоторое количество углерода выходит из раствора в виде частицы карбида с ферритом (нижний бейнит) или в виде полупластин феррита и карбида (верхний бейнит). Исследования

Химический состав рельсовых сталей разных стран

Страна Среднее содержание химических элементов

С Si Mn S P Cr Mo Ni Cu Al N H V Ti B

Англия <0.1 2 0,25 1 0,007 <0.01 1.21.8 0,4 3,0 - 0,04 - - - 0,04 0,003

Германи я 0,07 0,3 4,5 - - - 0,5 - - - - - - - -

США 0,26 1,84 2,0 0,006 0,008 1,94 0,44 0,11 0,17 0,33 - - 0.01 0.04 0.003

Япония 0,33 0,31 1,2 0.015 0,014 1,25 0,2 - - 0,03 - - 0,05 - 0,003

Россия 0,34 0,32 0,76 - - 2,51 - - - - - - - - 0,002

показали, что такие карбидосодержащие бейнит- структуры в отношении нормального износа рель-ные структуры или мартенситные структуры от- сов с содержанием хрома 1 мас.%. пуска (что тоже самое) не превосходили перлитные

10э 10" 105 1 06-'

Рис. 1. Схематическое изображение S-кривой для легированной стали. Схема получена использованием

программы Thermo-calc (Шведция)

Из рис. 1 следует, что сравнительное смещение ферритно-перлитного превращения в сторону более медленных времен, оставляющее удлиненный бейнитный изгиб, охватывает более широкий диапазон скоростей охлаждения. Одной из задач разработки составов сплавов для низкоуглеродистых бейнитных рельсов было расширение этой изгиб-ной части в широком диапазоне скоростей охлаждения на воздухе.

При малоуглеродистой и легирующей возможны другие формы бейнита без выхода углерода из раствора. Они обладают превосходными механическими свойствами (при растяжении) по сравнению со средне- и высокоуглеродистыми перлитными сталями. Сплавы с низким содержанием углерода сохранили аустенит в межреберных

участках, а сплавы с более высоким содержанием углерода — зоны остаточного аустенита с их центрами, частично преобразованными в мартенсит, иногда называемый «массивным бейнитом». Некоторые электронные микрофотографии этих структур показаны на рис. 2, а также соответствующие данные по твердости, инженерному напряжению-деформированию и вязко-хрупкому превращению.

Графики температурной зависимости представлены на рис. 3. Эти графики показывают значительное повышение ударной вязкости и пластичности бейнитных сталей, не содержащих карбидов, и резкое падение ударной вязкости бейнитных сталей, содержащих межреечный и внутриреечный карбид (плюс немного мартенсита).

Рис. 2. Экспериментальные структуры бейнитной стали: (а) - ПЭМ-изображение 0,04мас.% C, безкарбидного бейнита; (Ь) ПЭМ-изображение 0,20мас.% C, без карбида; (c) ПЭМ-изображение 0,52 мас.% С нижнего бейнита и мартенсита; (d) ПЭМ-изображение

верхнего бейнита

Рис. 3. Сравнительные свойства экспериментальных бейнитных сталей (а) - инженерные кривые напряжение-деформация и твердость; (б) - графики вязко-хрупкого превращения.

На основании проведенных исследований установлено, что большая часть рельсов была изготовлена, прокатана и охлаждалась на воздухе из простой углеродисто-марганцевой стали со структурой перлита и некоторым количеством бейнита. Деформационное искажение этих структур при циклической сжимающей нагрузке и контакте качения-скольжения привело к тому, что свойства сопротивления износу и усталости превышают те, на которые указывают их механические свойства, определенные стандартными испытаниями на растяжение.

Выводы

Чтобы увеличить срок службы рельсов разработаны усовершенствования их структур за счет уменьшения или исключения феррита, измельчения перлитной структуры. Лучшим вариантом структуры является бейнитная, в которой межпластинчатое расстояние уменьшено путем контролируемого охлаждения. Только бейнитная структура, в основном низкоуглеродистых, легированных сталей обеспечивает достаточный уровень механических свойств рельсовых сталей.

Список литературы

1. Wetscher, F., A., Stock, R., Pippan, R. (2007), Changes in the mechanical properties of a pearlitic steel due to large shear deformation, Materials Science and Engineering, 445-446A, 237-43.

2. Yokoyama, H., S. Mitao, Yamamoto, S. and Fujikake, M. (2002), Effect of the angle of attack on flaking behaviour in pearlitic and bainitic rail steels, Wear, 253(1), 60-66.

3. Zhang, F., Lv, B., H, B., Li, Y. (2007), Flash butt welding of high manganese steel crossing and carbon steel rail, Materials Science and Engineering, 454-455A, 288-92.

4. Garnham J. E., Beynon, J. H. (1992), Dry rolling-sliding wear of bainitic and pearlitic steels, Wear, 157(1), 81-109.

5. Garnham J. E., Davis, C. L. (2006) The role of deformed microstructure on rolling contact fatigue initiation, Proceeding 7th International Conference on

Contact Mechanics and Wear of Rail/Wheel Systems, Brisbane, Qld, Australia, 24-27 September, 399-409.

6. Heller, W., Schweitzer, R. (1982), Hardness, microstructure and wear behaviour of rail steels, Proceedings 2nd International Heavy Haul Railways Conference, Colorado Springs, CO, USA, 25-29 September, 282-86.

7. Kavishe, F. P., Baker, T. J. (1986), Effects of prior austenite grain size and pearlite inter-lamellar spacing on the strength and fracture toughness of a eu-tectoid rail steel, Materials Science & Technology, 2, 816-22.

8. Kern, A., Schmedders, H., Zimmerman, A., The development of bainitic steels for special railway system requirements, Proceedings 4th International Sympostium on 'Rail Steels' as part of the 39th International Symposium on 'Mechanical Working and Steel Processing', 20-21 Oct 1997, Indianapolis, IN, USA, Iron & Steel Society, Warrender, PA, USA and Association of American Railroads, Washington DC, USA, 1015-22.

9. Garnham, J. E., Franklin, F. J., Fletcher, D. I., Davis, C. L., Kapoor, A., (2007), Predicting the life of rail steels, Proceedings of the IMechE, Part F (Journal of Rail and Rapid Transit), 221, 45-58.

10. Ghonem, H., Kalousek, J., Stone, D. (1982), On the fracture and wear characteristics of chromium-molybdenum bainitic steel in Comins, N. R. and Clark, J. B. (eds), Specialty Steels and Hard Materials, Per-gamon Press, Oxford, UK and New York, USA, 259.

11. Kristan, J., Sawley, K. J., Canadine, D., Lee, K. M., Polycarpou A. A., Sehitoglu, H. (2003), Wear and rolling contact fatigue in bainitic steel microstructures, Proceedings 6th International Conference on Contact Mechanics and Wear of Rail/Wheel Systems Gothenburg, Sweden, 10-13 June, 413-22.

12. Langford, G. (1977), Deformation of Pearlite, Metallurgical Transactions A, 8A, 861-75.

13. Liu, C. D., Bassim, M. N., St. Lawrence, S. (1993), Evaluation of fatigue-crack initiation at inclusions in fully pearltic steels, Materials Science and Engineering, A167, 107-13.

14. Pointner, P. (2006), High strength rail steels -The importance of material properties in contact-mechanics problems, Proceedings 7th International Conference on Contact Mechanics and Wear of Rail/Wheel

Systems, Brisbane, Qld Australia, 24-27 September, 295-307.

15. Satoh, Y., Iwafuchi, K. (2005), Crystal orientation analysis of running surface of rail damaged by rolling contact, Wear, 258, 1126-34.

ОПРЕДЕЛЕНИЕУДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ОРЕХОВОГО

ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ

Токторбаева Г.П.

Преподаватель Ошский государственный университет, Кафедра "Естественно-научные дисциплины ",

Ташполотов Ы. д.ф.-м.н., профессор Ошский государственный университет, Кафедра "Экспериментальная и теоретическая физика"

Садырова М.М. Доцент

Ошский государственный университет, Кафедра "естественнонаучные дисциплины"

DETERMINATION OF SPECIFIC ELECTRICAL RESISTANCE OF WALNUT CHARCOAL

Toktorbaeva G.

Teacher Osh State University Department of Natural Science Disciplines

Tashpolotov Y.

Doctor of Physics and Mathematics, Professor Department of Experimental and Theoretical Physics

Sadyrova М.

Docent Osh State University Department of Natural Science Disciplines DOI: 10.5281/zenodo.6696562

Аннотация

В статье изложены результаты экспериментальных определений электрических и удельных сопротивлений угольного порошка и брикета орехового древесного угля и данные сравнений с электропроводностью монокристалла графита. Угольный порошок и брикет имеет более низкое удельное электрическое сопротивление (8 Ом*мм2/м и 7 Ом*мм2/м) по сравнению с электросопротивлением монокристалла графита оси С. Это связано с тем, что угольные брикеты и таблетки из порошков древесного угля получены методом выдавливания и прессования в пресс-форме. Установлено, что удельное сопротивление порошка и брикета и вольт-амперная характеристики различны. Показано, что с повышением температуры композита, удельное сопротивление также возрастает.

Abstract

The article presents the results of experimental determinations of the electrical and resistivity of coal powder and a briquette of walnut charcoal and data of comparisons with the electrical conductivity of a graphite single crystal. Coal powder and briquettes have a lower electrical resistivity (8 Q^ mm2/m and 7 Q^ mm2/m) as compared to the electric resistance of C axis graphite single crystal. This is due to the fact that coal briquettes and tablets from charcoal powders are obtained by extrusion and pressing in the mold. It has been established that the resistivity of the powder and the briquette and the current-voltage characteristics are different. It is shown that with an increase in the temperature of the composite, the resistivity also increases.

Ключевые слова: древесный уголь, удельное электросопротивление, сила тока, графит, угольный порошок, угольный брикет, выдавливание, прессование, вольт-амперная характеристика.

Keywords: charcoal, electrical resistivity, current strength, graphite, coal powder, coal briquette, extrusion, pressing, current-voltage characteristic.