CC BY
27
УДК 629.4.027.4:669.14.018.294
I. О. ВАКУЛЕНКО, М. М. ГРИЩЕНКО (ДПТ)
СТРУКТУРН1 ПЕРЕТВОРЕННЯ В МЕТАЛ1 ЗАЛ1ЗНИЧНОГО КОЛЕСА В1Д ВЗАСМОДП З РЕЙКОЮ
Виникнення руйнування залiзничного колеса обумовлено формуванням високих локальних напружень вiд неоднорвдно! пластично! деформацп за рахунок циктчно! змши температур пвд час гальмування.
Возникновение разрушения железнодорожного колеса обусловлено формированием высоких локальных напряжений от неоднородной пластической деформации при циклической смене температур при торможении.
The destruction occurrence in a railroad wheel is caused by formation of the high local stresses produced by the inhomogeneous plastic deformation when the cyclic temperature change takes place during and after braking using brake shoes.
Протягом останшх роюв прийняття ршень щодо неухильного зростання питомого наван-таження на вюь рухомого складу з одночасним збшьшенням швидкосп його руху вимагають розробки заходiв щодо шдвищення надiйностi експлуатацii залiзничного транспорту взагат. Одна iз складових такоi системи е визначення оптимального спiввiдношення мiж комплексом властивостей «залiзничне колесо - рейка». В> домо, що величина зносу залiзничного колеса вiд взаемоди в мiсцях контакту з рейкою знач-ною мiрою пов'язана з мщнюними властивос-тями як металу по поверхнi кочення, так i по робочiй поверхнi рейки [1]. На пiдставi достат-ньо вели^' кiлькостi проведених дослiджень з моделювання процесу зносу, а також натурних випробувань визначено, що мiнiмальнi значен-ня зносу як залiзничних колiс, так i рейок дося-гаються за умовами приблизно однакових зна-чень 'х твердостi [1, 2]. З шшого боку, вiдомо, що однаковий рiвень мiцнiсних властивостей у сталях можна досягти за рiзноманiтного структурного стану - шсля термiчноi змщнюючо' обробки - полiпшення, коли карбщна фаза мае глобулярну форму, або шсля прискореного охолодження (зi швидкостями, нижними за критичне значення) пластинковою формою [3].
Метою дослiдження е пояснення щодо оптимального структурного стану металу по по-верхш кочення залiзничних колiс за умовами 'х мiнiмального зношення.
Матерiалом для дослщження були зразки металу, яю вiдiбранi вiд залiзничних колiс шсля обробок на рiзнi рiвнi твердость Структурш дослiдження металу залiзничних колю проводили тд свiтловим i електронним мшроскопа-ми. Механiчнi властивост визначали при ви-пробуваннях на розтягнення, iз швидкiстю деформацп 10-3 с-1.
Аналiз нормативно-технiчноi документацп [3, 4] свiдчить, що в умовах Укра'ни залiзничнi колеса в основному виготовляють iз вуглецево' стал з 0,55... 0,65 % вуглецю, в той час як для рейок застосовують бшьш високовуглецеву сталь з 0,7... 0,8 % С. В гарячекатаному сташ, або шсля вщпалу структура сташ для затзнич-них колю з урахуванням стехiометрii може ма-ти приблизно до 25 % структурно вшьного фе-риту. Вш розташовуеться у виглядi прошаркiв, що роздшяють перлiтнi колони, або при доста-тньо низьких швидкостях охолодження у ви-гщщ окремих об'емiв - зерен (рис. 1а).
Збшьшення швидкосп охолодження, напри-клад, як при термiчному змiцненнi ободу колiс, супроводжуеться одночасним диспергуванням перл^у i частковим зменшенням об'емноi част-ки структурно вiльного фериту за рахунок фо-рмування псевдоевтектоща. Однак, навт ви-користання максимально високих швидкостей охолодження (обмеження геометричними роз-мiрами обода колiс) не дозволяе повнютю усу-нути присутнють структурно вiльного фериту. За нормативно-техшчною документацiею [4], дозволяеться наявнiсть структурно вшьного фериту у виглядi переривчастоi сiтки по грани-цях аустештних зерен. В той же час, швидкосп охолодження достатньо, щоб аустештш зерна пiсля видалення структурно вшьного фериту перетворилися у дрiбнодиференцiйований сор-бiт за перлiтним механiзмом (рис. 1б). Таким чином, структура металу затзничних колiс в об'емах поблизу поверхш кочення представ ляе собою дрiбнопластинковий перлiт з прошарка-ми структурно вшьного фериту, що забезпечуе необхщний рiвень опору процесам втомлення та зносу при експлуатаци.
В порiвняннi з пластинковою формою кар-6щно' фази, яка у складi перлiтноi колонii спроможна до пластичного деформування, гло-булярнi карбiди, наприклад, шсля полшшення,
навпаки, навгть тсля деформацп, яка приводе до повного руйнування виробу, практично за-лишаються незмiнними [5]. В цьому випадку на процеси деформацшного змiцнення при наван-таженнi металу дуже велике значення мае характер розташування карбiдних глобулiв у мат-рицi. У випадку, коли глобулярш частки в основному розташовуються по границям ферит-них зерен (рис. 2а), спостерпаеться шдвищення пластичних властивостей i, особливо, опору металу зародженню та розповсюдженню тр> щин за низьких температур. Пояснення наведе-ного прикладу засновано на тому факп, що мiжфазна ферито-карбщна поверхня виконуе функцп як джерела, так i мiсця ашпляци дис-локацiй [6]. На пiдставi цього стае зрозумшим, що збiльшення об'емно! частки без змiни дис-персносп карбiдiв супроводжуеться не тiльки шдвищенням мiцнiсних властивостей а, що особливо важливо, збшьшуеться опiр зародженню i зростанню трiщин за низьких температур навантаження.
б
Рис. 1. Структура металу ободу зал1зничного колеса тсля терм1чного змщнення (а), перлгтно! колони шсля 30 % пластично! деформацп (б), (зб1льшення 1000 - а, 16500 - б)
У випадках, коли розмiр зерна фериту знач-но перевищуе мiжкарбiдну вiдстань (рис. 2б), картина суттево змiнюеться. Враховуючи, що мiжфазна поверхня ферит-глобуль карбщу мае можливiсть поглинати дислокаци тшьки у ви-
падку, коли частка розташована в площиш ков-зання дислокацiй, стае зрозумiлою роль вели-кокутових границь фериту в розвитку ашгшя-цiйних процесiв дислокацiй тд час пластичного деформування. В результат отримаемо, що збiльшення об'емно! частки карбщно! фази при незмшному розмiрi зерна фериту буде супро-воджуватись зростанням кiлькостi джерел дис-локацiй, в той час як кшьюсть мiсць !х ашпляци залишаеться незмiнною. В цьому випадку зайвий залишок дислокацiй буде, вже на почат-кових етапах пластично! течи металу, сприяти формуванню навкологлобулярних карбщних часток нашарування iз взаемнозаблокованих дислокацiй. В свою чергу, формування наведе-них об'емiв навколо карбадв може розглядати-ся як майбутш осередки з високою вiрогiднiстю зародження субмiкротрiщин.
б
Рис. 2. Структура вуглецево! сталi пiсля холодно! пластично! деформацп i HarpiBy до 700 С, коли po3Mip зерна фериту (d ) дорiвнюe вiдстанi мiж карбвдами (X) (а), та при d » X (б), (збшьшення 2000 - а, 4000 - б)
На шдстав1 проведеного анал1зу розвитку процес1в деформацшного змщнення у вуглеце-вих сталях з р1зною морфолопею карбщно! складово! стае можливим визначити оптималь-ний структурний стан металу з урахуванням умов експлуатаци вироба.
Так, зал1зничне колесо, окр1м формування прошарку метала по поверхш кочення з високою концентращею дефекпв кристал1чно! бу-
дови ^ в першу чергу, дислокацш, тддаеться температурним впливам вiд взаемоди з гальм> вними колодками. Характер сумюного впливу (холодне деформування i розiгрiв) на метал ободу колеса обумовлюе виникнення достатньо високих градiентiв структурних змiн, що, в свою чергу, може розглядатися, як вплив на рiвень внутршшх остаточних напружень. Але наведений вплив значною мiрою залежить вiд численних факторiв, основш з яких: ступiнь наклепу металу по поверхнi кочення колеса та штенсивнють розiгрiву (питома енергiя гальму-вання, частота та тривалiсть взаемоди з гальм> вними колодками). Враховуючи iснування гра-дiента температур вщ поверхнi кочення, збшь-шення штенсивносп розiгрiву буде супрово-джуватись розвитком процешв структурних перетворень у металл При цьому сам характер наведених структурних змш значною мiрою буде зв'язаний з вщстанню прошаркiв металу вщ поверхнi розiгрiву. Так, у приповерхневих прошарках металу, за рахунок дуже високого пiдвищення температур до 700... 800 °С, фор-муеться дрiбнозеренна структура фериту з це-ментитними частками рiзноl морфологи. При-чому, об'емам металу з тдвищеним ступенем накопичено! деформаци (бiльш високий наклеп) буде вщповщати бiльш дрiбнозеренна будова фериту з шдвищеною кiлькiстю глобулярного цементиту з рiзним сшввщношенням напiвосей. У наведеному прошарку металу, за рахунок розвитку процешв динамiчноl рекрис-талiзацil, суттево будуть знижеш остаточнi на-пруження вiд наклепу ^ як наслiдок цього, буде шдвищення спроможностi металу до деформа-цiйного змiцнення та опору до зародження трь щин.
Для бшьш заглиблених вiд поверхнi кочення прошарюв металу, для яких температура не пе-ребiльшуе 500.550 °С, картина складаеться шша. Вiдомо, що за температур на^ву металу до початку рекристалiзацil, в процесi витримки починають свiй розвиток полiгонiзацiйнi про-цеси. 1х розвиток супроводжуеться перерозпо-дшом дислокацiй, якi накопичуються пiд час наклепу та врешт>решт виникають конф^ура-ци у виглядi полiгональних субструктурних поверхонь розподшу. Слiд ураховувати, що чим бшьшою мiрою завершуються процеси пол^о-шзацп, тим менша вiрогiднiсть розвитку рекри-статзацп. Таким чином, на визначенш глибинi вiд поверхш кочення виникае прошарок металу з повшстю або частково закiнченими процеса-ми формування структур пол^ошзаци. При цьому за рiзними оцiнками [7] може залишити-ся до 70 % накопичено1 щiльностi дислокацiй, як практично всi знаходяться у зв'язаному ста-нi. Чисельнi послiдовнi етапи гальмування, окрiм нагрiву, будуть супроводжуватись зно-сом металу з поверхш кочення. Прошарок ме-
талу з пол^ональною структурою буде набли-жуватись до поверхнi кочення та послщовно (пропорцiйно градiенту деформаци) тддавати-ся наклепу. При цьому новi дислокаци, взаемо-дiючи з полiгональною структурою, будуть блокуватися, що в свою чергу приведе до ускладнення розвитку процесу рекристатзаци, та не буде досягнутий необхщний рiвень зни-ження наклепу. В цьому випадку гальмування розвитку релаксаци внутршшх напружень повинно сприяти зниженню спроможносп металу до деформацшного змiцнення i, як наслiдок такого положення, до зниження опору колюно1 стат зародженню субмiкротрiщин.
Таким чином, на визначенш глибиш вiд поверхш кочення залiзничного колеса формують-ся прошарки металу з тдвищеним рiвнем окрихлення. Експериментально спостерiгаючи вщсутшсть виникнення в наведеному шарi металу (^м випадкiв розташування поза норма-тивними обмеженнями окислiв, шлакових включень та iнш.) трiщин може бути зобов'язаним юнуванню розiрваноl сiтки структурно вiльного фериту. Наявшсть тако1 складо-во! в структурi колюно1 сталi додатково сприяе розвитку релаксацiйних процесiв при досяг-неннi максимально можливо1 концентрацп де-фектiв кристатчно1 будови у ферит перлiту. Одним iз пояснень е дуже швидкий розвиток рекристалiзацil структурно вшьного фериту в порiвняннi з перл^ною колонiею при нагрiвi шд час гальмування рухомого складу.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Шур, Е. А. Влияние структурных неоднородно-стей на свойства термически обработанной рельсовой стали [Текст] / Е. А. Шур, Я. Ф. Рау-зин. - В кн.: Труды ЦНИИМПС, 1966. -Вып. 314. - С. 115-137.
2. Ларин, Т. В. Пути повышения надежности и долговечности цельнокатаных колес [Текст] / Т. В. Ларин, Ю. М. Парышев // Жел.-дор. трансп. - 1973. - С. 56-59.
3. Большаков, В. И. Термическая обработка строительной стали [Текст] / В. И. Большаков, К. Ф. Стародубов, М. А. Тылкин. - М.: Металлургия, 1977. - 200 с.
4. ГОСТ 10791 Колеса цельнокатаные. Технические условия [Текст].
5. Вакуленко, И. А. Структура и свойства углеродистой стали при знакопеременном деформировании [Текст] / И. А. Вакуленко. - Д.: виааеатш, 2003. - 94 с.
6. Бабич, В. К. Деформационное старение стали [Текст] / В. К. Бабич, Ю. П. Гуль, И. Е. Дол-жинков. - М.: Металлургия, 1972. - 320 с.
7. Бернштейн, М. Л. Структура деформированных металлов [Текст] / М. Л. Бернштейн. - М.: Металлургия, 1977. - 431 с.
Надшшла до редколегп 27.08.2008.
