CC BY
44
УДК 669.4.027.4 : 669.14.018
I. О. ВАКУЛЕНКО (ДПТ), В. А. СОК1РКО (ВАТ ББ СО, Микола!в), О. С. БАСКЕВИЧ (УДХТУ, Днiпропетровськ)
СТРУКТУРН1 ПЕРЕТВОРЕННЯ В МЕТАЛ1 ЗАЛ1ЗНИЧНОГО КОЛЕСА П1СЛЯ Д11 1МПУЛЬС1В ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ
Розглянуп питания оцшки ступеня зниження густини дислокацш в вуглецевш стал1 зал1зничного колеса тсля електрично!' 1мпульсно1 обробки.
Ключовi слова:зал1зничне колесо, обод, метал, 1мпульс, електричний струм
Зростання iитенсивностi експлуатаци рухомого складу обумовлюе використання залiзничних колiс з тдвищеним опором процесам зношування. Суттево-го збшьшення характеристик мiциостi металевих ма-терiалiв досягають за рахунок використання термч-ного змiцнення [1] з оптимальним введенням легую-чих елеменпв. На пiдставi цього, питання оптимального структурного стану набувае особливо! актуаль-ностi. Враховуючи вiдиосно значний перетин металу ободу залiзничного колеса, при виконанш термчно-го змщнення (прискорене охолодження ободу) не досягаються умови рiвномiрностi тепловiдводу по його товщиш, що неодмiино мае вщбиток на структурному стаиi металу. Анализ мшроструктури металу по перетину ободу тдтверджуе наведене положення [2]. Виникнення градiеита температур вiд поверхн iитенсивного тепловiдводу супроводжуеться зни-женням швидкостi охолодження у вiдповiдиих об'емах металу. В залежносп вiд ступеня наближен-ня до критичного значення швидкостi охолодження, морфологiя та дисперсшсть структурних складових вуглецево! сталi змшюються в широкому дiапазонi.
В процес експлуатаци залiзничного колеса, прошарки металу поблизу з поверхнею кочення достатньо штенсивно насичуються дефектами кристалiчно! будови. Якщо нуль мiрнi дефекти (вакансп, дислоковаш атоми) обумовлюють швидкiсть розвитку процешв дифузiйного масо переносу, то одномiрнi (дислокацп) - форму-вання внутршних напружень, розвиток проце-сiв деформацшного змiцнення та iн. Процеси зародження дислокацiй, темп !х приросту та розташування визначають умови формування зародюв ушкоджень пiсля вичерпання ресурсу !х накопичувати металом [3]. На пiдставi цього використання засобiв, що забезпечують зниження рiвня накопичених дефектiв кристалiч-но! будови в метал^ можуть розглядатися як напрямки пiдвищення ресурсу та безпеки експлуатаци залiзничних колiс. В порiвияннi з те-рмiчними технологiями пом'якшення нагарто-ваного холодною деформацiею металу [1,3], достатньо вiдомi атермiчнi обробки, як дозво-
ляють знизити рiвень характеристик мiцностi без застосування на^ву. Так ефект пом'якшення може бути досягнутим при застосуванш мшро пластичних деформацiй, якi за сво!м на-прямком не спiвпадають з попередньою дефор-мацiею [4]. В цьому випадку мехашзм пом'якшення заснований на розвитку процешв ашп-ляцп дефектiв кристалiчно! будови ^ в першу чергу дислокацiй, яю починають рухатися за напрямками що вiдрiзняються вiд напрямкiв первинного навантаження. В порiвняннi з тех-нолопями деформування, визначеного розпо-всюдження отримав спошб заснований на впливi електричного струму на розвиток проце-ив структурних змiн в металi. Аналiз вiдомих експериментальних результатов [5] указуе на аналопю, за зовнiшнiми ознаками, з ефектом пом'якшення вщ мшро пластичних деформацiй. Однак, як величина зниження мщносп, так i уточнення природи самого явища вимагають проведення додаткових дослiджень.
Метою роботи являеться спроба визначення причин розвитку процеав пом'якшення в нагарто-ваному, при експлуатаци металi залiзничного колеса тсля електрично! iмпульсно! обробки.
Матерiалом для дослiджень являвся фрагмент ободу залiзничного колеса передчасно вилучений з експлуатаци. Дослщження структури проводили шд свiтловим мiкроскопом, з використанням методик кiлькiсно! металографi! [6]. Дослщження тонко! кристалiчно! будови металу проводили з використанням рентгешвського структурного аналiзу, з визначенням густини дислокацiй, роз-мiру областей когерентного розсiювання, викри-влень другого роду. Електричну iмпульсну обро-бку проводили на оригшальному устаткуваннi, в умовах пiдприемства ВАТ ББ Со.
Враховуючи, що в процес експлуатацi! колеса, за рахунок зношування або тсля вщнов-лення профшю ободу обточуванням, структура металу на поверхш кочення змшюеться вщ сформованих за зсувним мехашзмом з подаль-шим вiдпуском, до приблизно нормалiзованого
© I. О. Вакуленко, В. А. Сокiрко, О. С. Баскевич, 2012
стану в середиш. Дослщженнями мшрострук-тури ст^ по поверхнi кочення визначений вплив пластично! деформацп. Але сам характер змщнення металу в значнш ступенi залежить вiд його структурного стану перед початком експлуатаци колеса. Так вщомо, що структури з яюсно рiзною морфологieю друго! фази мають не тiльки рiзний темп накопичення дефектов кристалiчно! будови але i рiзне розташування [1, 3], що неодмшно мае вiдбиток на комплекс властивостей металевого матерiалу.
Цементит пластинково! форми, коли структурно зв'язаний с феритом у вигляд1 перлтоно! колони, спроможнiй витримувати значнi пластичнi деформацп без руйнування. На пiдставi цього, дис-пергування перлiтних колонiй супроводжуеться шдвищенням мiцностi i трiщиностiйкостi металу. В процеа накопичення дислокацiй визначаеться дуже важливий момент, якому вiдповiдае початок розпаду рiвномiрного розподiлу дислокацiй на пе-рiодичнi структури (рис. 1). Справа в тому, що при формувант негомогенного розпод^ дислокацiй, об'еми матрицi з тдвищеною !х густиною стають перешкодою для подальшого розповсюдження дислокацiй. В процесi неухильного накопичення дислокацiй, наведенi дiлянки структури поступово перетворюються в субграницi, яю подiляють на окремi елементи феритт прошарки перлiту (рис.1б). Наведенi субструктурш угрупування мають назву дислокацшних чарунок [2]. По мiрi по-дальшого збiльшення ступеня деформацп, швид-юсть зростання кiлькостi дислокацiй в субграни-цях значно перебiльшуе аналопчну характеристику в серединi чарунок, субгранищ стають бiльш тонкими, а чарунки - дрiбними та практично чис-тими в серединi вщ дислокацiй. Враховуючи, що бiльша частина загально! кiлькостi дислокацiй зо-середжена в субграницях, тсля досягнення максимально припустимо! густини дислокацiй в мета-лi, вони перетворюються в осередки субм^отрь щин. Таким чином можна вважати, що чим скорь ше при деформацп в перлггних колонiях почнуть формуватися негомогенностi в рiвномiрному роз-ташуваннi дислокацiй, тим швидше вони будуть перетворенi в осередки зародження ушкоджень майбутнього руйнування металу.
Яюсно шша картина спостерiгаеться при пластичнiй деформацп вуглецево! сталi з глобу-лярними структурами. Наведет структури фор-муються в при поверхневих шарах металу ободу колеса шдчас операцп термiчного змiцнення (прискорене охолодження зi швидюстю поблизу з критичним значенням та подальший само вщ-пуск, рис. 2). Рiч у тому, що цементит глобуляр-но! форми практично залишаеться незмшним ш-
сля максимально припустимо! пластично! деформацп. Дислокацп що рухаються шдчас пластично! деформацп металу з глобулярним цементитом дуже швидко перетворюються в нерухомь Обумовлене наведене явище блокуючим ефек-том вщ частки цементиту, яка розташована в площинi ковзання дислокацi!. В зв'язку з цим, дислокацп що рухаються в визначенш площиш ковзання стають заблокованими на карбщних частках як на вузлах. Взаемодiя з шшими дисло-кацiями приводе до дуже швидкого накопичення заблокованих дислокацш. За зовнiшнiм вигля-дом виникаюче субструктурне угрупування по-дiбне дислокацшним чарункам. Розмiр чарунок пропорцiйний вщсташ мiж карбiдними частка-ми. Чим бшьш дисперсна структура з глобулярним цементитом, тим скорше досягаються умо-ви досягнення межи максимально припустимо! концентрацп дислокацiй, пiсля яко! починаеться процес руйнування металу.__
Рис. 1. Структура перлггно! колонп вуглецево!' стал1 тсля пластично! деформацп 2 (а) 1 20% (б) Збшьшення: а - 30 000; б - 20 000
Рис. 2. Структура стал! шсля прискореного охолодження та ввдпуску 400 °С. Збшьшення 18 000
Щцвищення ресурсу експлуатаци залiзнично-го колеса можливо реалiзувати за рахунок розви-тку процеав зниження концентрацп накопичених дефектiв кристалiчно! будови i, в першу чергу дислокацiй, на приклад використовуючи елект-
pm^ iмпyльcнy oбpoбкy (ЕЮ). Фpaгмeнт oбoдa зaлiзничнoгo кoлeca (pиc. 3) 6УВ yмoвнo poздiлe-ний нa тpи чacтини в якиx пpoвoдили дocлiджeн-ня. Вимipювaння твepдocтi мeтaлy oбoдa кoлeca пo пoвepxнi кoчeння для oблacтeй I, II i III cклaли вiдпoвiднi знaчeння в iнтepвaлi 55O-7OO. Пicля ЕЮ зa визнaчeнoю cxeмoю, cпocтepiгaли змeн-шeння твepдocтi нa 11, 5 тa 17 % для дiлянoк I, II тa III вiдпoвiднo. Рeзyльтaти oтpимaнoгo пoм'якшeння нaгapтoвaнoгo мeтaлy oбoдy кoлeca нa пoвepxнi кoчeння були пiдтвepджeнi дaними peнтгeнiвcькoгo cтpyктypнoгo aнaлiзy. Вeличинa знижeння гycтини диcлoкaцiй ( р ), ^и oцiнцi пo дифpaкцiйнiй лшп (211), для визнaчeниx дiлянoк коливалася в штервал122^3 %.
Phc. 3. Зoвиiшиий вигляд фpaгмeитy oбoдa для дocлiджeиь впливу eлeктpичиoï iмпyльcнoï oбpoбки, yмoвиo poзиoдiлeиий иa oблacтi
З мeтoю визнaчeння xapaктepy poзвиткy ^o^-ciв пoм'якшeння пicля ЕЮ, cкopиcтyeмocя cпiв-вiднoшeнням пo oцiнцi нaпpyжeнь, щo oбyмoв-люють pyx диcлoкaцiй вiд piзнoмaнiтниx зoвнiш-mx впливaнь. Вpaxoвyючи вiднocнo низькi тeмпe-paтypи нaгpiвy (тeмпepaтypa нaвкoлишньoгo cepe-дoвищa), впливoм вiд poзвиткy пpoцeciв дифузш-нoгo мaco пepeнocy да мoжливo oбгpyнтyвaти pi-вeнь eфeктy пoм'як-шeння мeтaлy. З iншoгo 6o^, пpи виcoкиx знaчeнняx гycтини диcлoкaцiй щo rn-кoпичeнi в кpиcтaлoгpaфiчниx cиcтeмax кoвзaння (для лiнiï (211) р cклaдaлa знaчeння 3,б - 4 - 1O11 cм"2), oдним iз мoжливиx пoяcнeнь poзвиткy ^o-цeciв пoм'якшeння мoжyть бути нeкoнcepвaтивнi пepeмiщeння диcлoкaцiй. Ha pиc.4 cxeмaтичнo пpeдcтaвлeний тaкий пpиклaд пepeмiщeння диcлo-кaцiï в пepпeндикyляpнoмy нaпpямкy вiднocнo cвoeï cиcтeми кoвзaння. В зaлeжнocтi вiд ocoбли-вocтeй пepeмiщeння лшп диcлoкaцiï в плoщинi Q (pHc. 4) бyдe фopмyвaтиcя пpoшapoк з вaкaнciй aбo aтoмiв. Kiлькicть дeфeктiв в плoщинi Q , rn,o фop-мyютьcя пpи пepeмiщeннi диcлoкaцiï, бyдe визш-чaтиcя кyтoм у . Тaким чинoм мoжнa ввaжaти, щo пpи змeншeннi цьoгo кyтa пoвиннe бути пoлeг-шeння ^o^cy нeкoнcepвaтивнoгo пepeмiщeння диcлoкaцiï. Обyмoвлeнa нaвeдeнa тeндeнцiя фop-мyвaнням пpoшapкy з вaкaнciй aбo диcлoкoвaниx aтoмiв лишe зaвдяки кpaйoвoï кoмиoнeнти диcлo-якa пpoпopцiйнa у [7]. Craa, щo дie нa oди-
ницю дoвжини диcлoкaцiï пpи пepeпoвзaннi, oцi-нюeтьcя зaлeжнicтю [7]:
W
Fm = 72 SinУ , b
(1)
дe W1 - eнepгiя фopмyвaння aтoмнoгo дeфeктy, b - вeктop Бюpгepca. Пpи нaближeннi у дo нуля, вплив кpaйoвoï кoмпoнeнти диcлoкaцiï CTae нeoбмeжeнo мaлoю i Fm ^ O . З iншoгo 6o-ку cилa, щo виниле мiж двoмa диcлoкaцiями (a6o ïx фpaгмeнтaми), якi poзтaшoвaнi в rapa-лeльниx плoщинax бyдe дopiвнювaти [S]:
|b2
F1=
2nkh
(2)
дe | - мoдyль зcyвy; k - пpиймae знaчeння вiд 1 дo (1 -v); v - кoeфiцieнт ^acorn; h - вiд-стань mí>k площинами ковзання.
Phc. 4. CxeHa иepeмiщeиня вииaдкoвoï диcлoкaцiï з
cвoeï плoщинн кoвзaиня ( L - лшя днcлoкaцiï, P - плoщинa кoвзaиия, у - кут м1ж L тa вeктopoм Бюpгepca b ) [7]
Умoви пepeпoвзaння диcлoкaцiï з oднieï плo-щини в шшу будуть дocягнyтими гали Fm = F1. Вpaxoвyючи, :rn,o для фopмyвaння вaкaнciï
W1 =
ib
, пicля пpoвeдeння пepeтвopeнь oтpи-
HaeHo cпiввiднoшeння для oцiнки кyтa у :
5b
у = . (3)
2nkh
Пpиймaючи k piвним O,S, як cepeднe знa-чeння iнтepвaлy, cпiввiднoшeння (3) мoжe бути cпpoщeним дo вигляду:
S^ « -h. (4)
Оцiнюючи h пo зaлeжнocтi вiд гycтини диcлoкaцiй [1]:
p = h
-2
(4a)
(4) мoжнa пepeпиcaти як:
Sinу = ^^/p . (5)
Шаля пiдcтaнoвки в (5) b = 2,4S -1O-7 мм [9], eкcпepимeнтaльниx знaчeнь гycтини диcлoкaцiй,
у вщповщносп до дослщжуваних д1лянок (I, II, III) ободу колеса визначили, що в результат ЕЮ зменшення кута у пропорц1йно ступени пом'якшення. Так, для д1лянок I, II, III (рис. 3) величина у (до ЕЮ) складала значення вщ 36 до
48 вщповщно. В результатi ЕЮ спостерiгали зменшення кута у на р1вн 48 % для област III, 28 % для II i 17 % для I. Отримаш результати мо-жна розцiнювати як свщчення про зм1ну сшввщ-ношення м1ж крайовою i гвинтовою компонентами дислокацшно! структури в металi ободу залiз-ничного колеса п1сля ЕЮ.
З метою перевiрки правомочностi проведених розрахункiв, була використана оцiнка порядку ве-личини к по яюсно шшому спiввiдношенню [7, 8]:
цЬ
h = -
2псп
(6)
де с0 - напруження необерненого руху дислокацш, яке для вуглецево! стал з юльюстю 0,6 % С (в за-лежностi вщ структурного стану металу) може змь нюватися в iнтервалi 200-400 МПа [3].
П1сля пiдстановки в (6) i (4а) експерименталь-них даних, отриманi вирахуванi значення к показали достатньо добрий з61г абсолютних значень.
Таким чином, пом'якшення металу ободу колеса, що спостертаеться тсля ЕЮ, у першому на-ближеннi може бути пов'язане з рекомбшащею дислокацiйно! структури. Враховуючи, що пропо-рц1йно куту у змiнюеться крайова компонента дислокацiйно! структури [7], в результат електри-чно! 1мпульсно! обробки повинна зростати частина гвинтово! складово!. В наслiдок цього складаються умови зниження опору, з боку структурних скла-
дових металу, процесам переповзання та послщу-
ючш ашпляци дислокацш.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Бабич, В. К. Деформационное старение стали [Текст] / В. К. Бабич, Ю. П. Гуль, И. Е. Должен-ков. - М. : Металлургия, 1972. - 320 с.
2. Вакуленко, I. О. Дефекти залзничних колс [Текст] / I. О. Вакуленко, В. Г. Анофр1ев, М. А. Грищенко та ш. - Д. : Маковецький, 2009. - 112 с.
3. Вакуленко, И. А. Морфология структуры и деформационное упрочнение стали [Текст] / И. А. Вакуленко, В. И. Большаков. - Д. : Мако-вецкий, 2008. - 196 с.
4. Вакуленко, И. А. Струтура и свойства углеродистой стали при знакопеременном деформировании [Текст] / И. А. Вакуленко. - Д. : Gaudeamus, 2003. - 94с.
5. Царюк, А. К. Изменение механических свойств сварных соединений углеродистых и низколегированных сталей под влиянием электромагнитных воздействий [Текст] / А. К. Царюк,
B. Ю. Скульский, С. И. Моравский, В. А. Соки-рко - Автоматическая сварка, 2008. - № 9. -
C. 28-32.
6. Вакуленко, I. О. Структурний анал1з в матер1а-лознавств1 [Текст] / I. О. Вакуленко - Д. : Маковецький, 2010. - 124 с.
7. Фридель, Ж. Дислокации [Текст] / Ж. Фридель. - М. : Мир, 1967. - 643 с.
8. Рид, В. Т. Дислокации в кристаллах [Текст] / В. Т. Рид. - М. : ГНТИ, 1957. - 279 с.
9. Гинье, А. Рентгенография кристаллов [Текст] / А. Гинье - М. : ГИФ-Мат.Лит., 1961. - 604 с.
Надшшла до редколегп 30.03.2012.
Прийнята до друку 09.04.2012.
И. А. ВАКУЛЕНКО, В.А.СОКИРКО, А. С. БАСКЕВИЧ
СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В МЕТАЛЛЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО КОЛЕСА ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Рассмотрены вопросы оценки степени снижения плотности дислокаций в углеродистой стали железнодорожного колеса после электрической импульсной обработки.
Ключевые слова: железнодорожное колесо, обод, металл, импульс, электрический ток
I. A. VAKULENKO, V. A. SOKIRKO, A. S. BASKEVICH
THE TURN STRUCTURE METAL OF RAIL WHEEL AFTER INFLUENCE OF IMPULSE ELECTRIC CURRENT
The observed questions of estimate degree decrease density dislocations in carbon steel rail wheel after electrical impulse treatment.
Key words: rail wheel, rim, metal, impulse, electric current
