Формирование тонкой структуры рельсов при объемной и дифференцированной закалке тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

Морозов Константин Викторович

Формирование тонкой структуры рельсов при объемной и дифференцированной закалке

Специальность 01.04.07 — физика конденсированного состояния

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- г СЕН 2015

005561864

Новокузнецк - 2015

005561864

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» и ОАО «ЕВРАЗ Объединенный ЗападноСибирский металлургический комбинат».

Научный руководитель доктор технических наук, управляющий ди-

ректор ОАО «ЕВРАЗ Объединенный ЗападноСибирский металлургический комбинат», Юрьев Алексей Борисович

Официальные оппоненты: Сергеев Виктор Петрович — доктор техни-

ческих наук, ФГБУН Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, заместитель директора по научно-производственной работе;

Киселева Светлана Фроимовна — кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры физики ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет»

Ведущая организация ФГУП «Центральный научно-исследова-

тельский институт черной металлургии им. И.П. Бардина»

Защита состоится «20» октября_ 2015 г. в 1300ч. на заседании диссертационного совета Д 212.252.04 при Сибирском государственном индустриальном университете по адресу: 654007, г. Новокузнецк, Кемеровская обл., ул. Кирова, д. 42. Факс: (8-3843) 46-57-92, E-mail: ds21225204@sibsiu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», www.sibsiu.ru.

Автореферат разослан «20» августа 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор химических наук, профессор ^Y/

Горюшкин В.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эксплуатационная стойкость железнодорожных рельсов во многом определяется их структурно-фазовым состоянием, формируемым при термообработке. Несмотря на ряд недостатков объемной закалки рельсов в масле эта технология термического упрочнения еще используется на металлургических предприятиях. Целесообразность дифференцированной закалки сжатым воздухом с прокатного нагрева, особенно для 100-метровых рельсов, обусловлена экономическими соображениями. Возрастающие требования российских железных дорог по дифференцированной прочности по сечению рельсов и другим важным параметрам могут быть удовлетворены только технологией дифференцированной закалки. Для разработки режимов дифференцированной закалки, обеспечивающих требуемый уровень механических и эксплуатационных свойств, особенно для рельсов специальных категорий, необходим анализ природы формирования и эволюции структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры. В этом аспекте полезными могут оказаться данные по объемно закаленным рельсам, производство которых имеет уже более чем 50-летнюю историю. Все вышесказанное определяет актуальность данной работы, поскольку сравнительный анализ структур и фазового состава, формирующихся в сечении рельсов при различных видах закалки важны для понимания природы превращений, так как позволяют целенаправленно формировать эксплуатационные свойства.

Настоящая работа проводилась в соответствии с планами НИР Сибирского государственного индустриального университета и ОАО «Евраз-Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат».

Цель работы: выявление на различных масштабных уровнях закономерностей формирования структуры, фазового состава и дефектной субструктуры стали рельсов различных категорий, подвергнутых объемной и дифференцированной закалке.

Реализация данной цели потребовала решения следующих задач:

1. Исследование структуры, фазового состава и дефектной субструктуры стали рельсов повышенной износостойкости (категория «ИК»), низкотемпературной надежности (категория «НЭ»), высшего качества (категория «В») после объемной закалки в масле.

2. Выявление градиентов структуры, фазового состава и дислокационной субструктуры стали объемно закаленных рельсов различных категорий.

3. Исследование структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры стали рельсов, подвергнутых дифференцированной закалке сжатым воздухом в различных режимах.

4. Установление количественных закономерностей структурно-фазовых состояний и дислокационной субструктуры стали рельсов после дифференцированной закалки.

5. Сравнительный анализ параметров структуры и дефектной субструктуры, формирующихся в головке рельсов в результате объемной и дифференцированной закалки по центральной оси и по выкружке.

Научная новизна. Впервые проведены комплексные количественные исследования структуры, фазового состава, дефектной субструктуры стали рельсов:

1. Высшего качества (категория «В»), повышенной износостойкости (категория «ИК»), низкотемпературной надежности (категория «НЭ»), подвергнутых объемной закалке в масле.

2. Подвергнутых дифференцированной закалке сжатым воздухом в различных режимах.

Послойными исследованиями выявлен градиентный характер структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры, характеризующийся закономерным изменением параметров по мере удаления от поверхности катания по разным направлениям. Выявлены и подвергнуты сравнительному анализу параметры структуры головки рельсов после объемной и дифференцированной закалки по центральной оси и по выкружке.

Достоверность экспериментальных результатов и обоснованность выводов обеспечиваются корректностью постановки задач исследования, комплексным подходом к их решению с использованием современных методов и методик, широким привлечением статистических методов обработки результатов, анализом литературных данных и критическим сопоставлением установленных в работе закономерностей фактам, полученным другими исследователями.

Научная и практическая значимость работы. Сформирован банк данных о закономерностях образования структуры, фазового состава, дефектной субструктуры при дифференцированной закалке рельсов, используемый для обоснования режимов, обеспечивающих комплекс требуемых эксплуатационных свойств. Выполнен сравнительный послойный анализ по центральной оси и по выкружке фазового состава и дефектной субструктуры рельсов, подвергнутых объемной и дифференцированной закалке, позволивший выявить источники и расположение наиболее опасных концентраторов напряжений, способных явиться источником микротрещин и при эксплуатации рельсов.

Научные результаты работы могут быть использованы для развития теории структурно-фазовых превращений в сталях, а основные положения диссертации представляют интерес как учебный материал в курсе лекций по физике конденсированного состояния, физического материаловедения, металловедения и термообработки, обработки металлов давлением.

Практическая значимость подтверждена актом использования результатов.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, обработке и анализе результатов исследований методами современного физического материаловедения, сопоставлении полученных данных с результатами других авторов, написании статей и тезисов докладов, формированием основных выводов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Совокупность результатов исследований структуры, фазового состава, дефектной субструктуры стали рельсов различных категорий, подвергнутых объемной закалке в масле.

2. Градиентный характер изменения параметров структуры, фазового состава и дислокационной субструктуры стали объемно закаленных рельсов высшего качества (категория «В»), повышенной износостойкости (категория «ИК»), низкотемпературной надежности (категория «НЭ»),

3. Результаты исследования структурно-фазовых состояний и дислокационной субструктуры стали дифференцированно закаленных по различным режимам рельсов.

4. Количественные закономерности структурно-фазовых состояний и дислокационной субструктуры стали в рельсах, подвергнутых дифференцированной закалке в различных режимах.

5. Результаты сравнительного анализа параметров структуры и дефектной субструктуры, сформированных в головке рельсов по центральной оси и по выкружке в результате объемной и дифференцированной закалки.

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует специальности 01.04.07. — Физика конденсированного состояния пп. 1 и 7 (п. 1 «Теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и в том числе материалов световодов как в твердом, так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления», п.7 «Технические и технологические приложения физики конденсированного состояния»).

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях, чтениях, семинарах и школах: Пятой конференции Нанотехнологического общества России, Москва, 2013; Научной сессии НИЯУ МИФИ, Москва, 2014; XXII Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Оренбург, 2014; Международном научно-техническом конгрессе «ОМД-2014. Фундаментальные проблемы. Инновационные материалы и технологии», Москва, 2014; XXII Международной научно-практической конференции аспирантов, магистрантов и студентов «Физика конденсированного состояния», Гродно, Республика Беларусь, 2014; VII Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур ПРОСТ-2014», Москва, 2014; V Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии и экономика в машиностроении», Юрга, 2014; III Всероссийской конференции «Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций», посвященной 100-летию со дня рождения академика Ю.Н. Работнова, Новосибирск, 2014; Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения», Новокузнецк, 2014; VIII Российской научно-технической конференции «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций», Екатеринбург, 2014; LV Международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности», Харьков, Украина, 2014; Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: новые технологии, управление, инновации и качество», Новокузнецк, 2014; XII Международной конференции по наноструктурным материалам NANO 2014, Москва, 2014; International

Conference on Computational Intelligence and Industrial Engineering, Shenzhen, China, 2014; 4 Международной конференции «Nanomaterials: Application & Properties 2014», Алушта, 2014; VIII Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов» памяти академика Г.В. Курдюмова, Черноголовка, 2014; Научном семинаре с международным участием «Структура и свойства металлов при различных энергетических воздействиях и технологических обработках», Томск, 2014; 5th International Conference on Advanced nanomaterials, Aveiro, Portugal, 2014; Международном симпозиуме «Перспективные материалы и технологии», Витебск, Беларусь, 2015; 6-ой международной конференции «Кристаллофизика и деформационное поведение перспективных материалов», Москва, 2015; XIX Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», Самара, 2015; 6-ом международном семинаре «Влияние внешних воздействий на прочность и пластичность металлов и сплавов», Барнаул, 2015; II Всероссийской научной конференции молодых ученых с международным участием ПМТС-2015, Томск, 2015; II Байкальском материаловедческом форуме, Улан — Удэ, 2015.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 40 работах, в том числе в 17 статьях в журналах, входящих в Перечень, рекомендованный ВАК для публикации результатов диссертационных исследований, 1 монографии, остальные - в трудах всероссийских и международных конференций и других научных мероприятий.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация включает в себя введение, 5 глав, основные выводы, список литературы из 267 наименований, приложение, изложена на 181 странице машинописного текста, содержит 67 рисунков, 35 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы, перечислены положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Формирование и эволюция структуры и свойств рельсов», являющейся обзорной, проведен анализ литературных данных по видам термообработки рельсов и их влияние на структуру, дефектную субструктуру и свойства рельсов. Рассмотрено изменение структуры и свойств рельсов при эксплуатации. Особое внимание обращено на работы по объемной закалке в масле с печного нагрева с последующим высоким отпуском и по дифференцированной закалке сжатым воздухом с прокатного нагрева. Выполнен анализ работ по моделированию процессов при термомеханической обработке и эксплуатации. На основе анализа обоснованы цели и задачи настоящего исследования.

Во второй главе «Материалы и методы исследования» приводится описание материалов, методик и методов исследования. В качестве материалов исследования использовались образцы рельсов категорий «В», «ИК» и «НЭ», прошедших объемную закалку в масле от ~850°С с последующим отпуском при 460°С. (Категория «В» - рельсы высшего качества с пониженным содержанием неметаллических включений, «ИК» - рельсы повышенной износостойкости, «НЭ» - низкотем-

пературной надежности, ГОСТы - 51685-2000, 24182-80, 1778-70, 18267-82) и дифференцированно закаленные рельсы ДТ 350 из стали Э76Ф. Исследование зе-ренной структуры стали осуществляли методами металлографии травленого шлифа, фазового состава - методами рентгеноструктурного анализа.

Исследование морфологии и дефектной субструктуры выявленных фаз, анализ внутренних полей напряжений, установление мест локализации концентраторов напряжений осуществляли методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии тонких фолы в слоях, расположенных на расстоянии 2 мм и 10 мм от поверхности катания (Рис. 1).

Рис. 1. Схема препарирования образца рельса при исследовании его структуры методами оптической и электронной дифракционной микроскопии. Сплошными линиями выделены направления по центральной оси (1) и по выкружке (2); пунктирными линиями условно указаны места расположения слоев металла, использованных для приготовления фолы.

Рис. 2. ПЭМ изображения структуры рельсов категории «ИК», Ф - зерно структурно свободного феррита.

В третьей главе «Структура, фазовый состав и дефектная субструктура объемно закаленных рельсов» представлены результаты оптической и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ).

Независимо от направления исследования и расстояния исследуемого слоя от поверхности катания (см. рис. 1), структура рельсов всех категорий представлена зернами перлита пластинчатой морфологии (рис. 2, а), зернами феррита, в объеме которых наблюдаются частицы цементита разнообразной формы (зерна феррито-карбидной смеси) (рис. 2, б) и зернами структурно свободного феррита (зернами феррита, не содержащими в объеме частиц карбидной фазы, зернограничный феррит) (рис. 2, в).

Относительное содержание структурных составляющих рельсов представлено в табл. 1. Результаты оценки межпластинчатого расстояния приведены в табл. 2.

Таблица 1

Относительное содержание структурных составляющих рельсов

Категория Расстояние от поверхности катания, мм По центральной оси По выкружке

V(l) V(2) V(3) V(l) V(2) V(3)

ИК 2 0,72 0,25 0,03 0,83 0,13 0,04

10 0,69 0,27 0,04 0,73 0,23 0,04

НЭ 2 0,55 0,42 0,03 0,47 0,50 0,03

10 0,74 0,21 0,05 0,61 0,36 0,03

В 2 0,58 0,38 0,04 0,79 0,18 0,03

10 0,70 0,24 0,06 0,65 0,30 0,05

Примечание: V(l) — относительное содержание зерен перлита; V(2) —зерен ферри-то-карбидной смеси; V(3) -зерен структурно свободного феррита.

Таблица 2

Средняя величина межпластинчатого расстояния зерен перлита рельсовой

стали

Режим об- Категория Расстояние от h, нм (по цен- h, нм (по

работки рельсов поверхности, мм тральной оси) выкружке)

В 2 85 80

Объемно-закаленные рельсы 10 100 100

ИК 2 100 87

10 97 90

НЭ 2 95 80

10 132 110

Для рельсов категории «ИК» зерна феррито-карбидной смеси по морфологии присутствующих в них частиц и состояния дефектной субструктуры могут быть разделены на 2 типа: 1. Зерна феррита, частицы цементита в которых имеют форму коротких изогнутых пластинок. 2. Зерна феррита, в объеме которых распо-

лагаются частицы цементита округлой формы. Такие зерна разделены на субзерна, размеры которых изменяются в пределах от 200 нм до 500 нм. Субзерна имеют неравноосную форму и ориентированы по отношению друг к другу хаотически, либо располагаются параллельными рядами, формируя пластинчатую структуру. Частицы карбидной фазы располагаются в объеме субзерен и на их границах. Размеры частиц, расположенных в объеме субзерен, изменяются в пределах от 10 нм до 30 нм; расположенных на границах субзерен — в пределах от 40 нм до 150 нм.

Взаимное расположение субзерен, сравнительно небольшое количество частиц карбидной фазы (по сравнению с зернами первого типа и зернами перлита), форма частиц и их расположение в структуре субзерен, позволяют предположить, что зерна второго типа сформировались по сдвиговому механизму и являются продуктами термического преобразования пакетного мартенсита, имеющего место при отпуске стали.

Основным типом зерен феррито-карбидной смеси являются зерна первого типа, однако относительное их содержание зависит и от направления анализа структуры (по центральной оси зерен первого типа немного больше, чем на выкружке), и от расстояния исследуемого слоя от поверхности катания (с увеличением расстояния от поверхности катания относительное содержание зерен первого типа возрастает).

При ПЭМ исследованиях структуры материала были выявлены изгибные контуры экстинкции, что указывает на изгиб-кручение кристаллической решетки данной области материала, а, следовательно, на внутренние поля напряжений, искривляющие тонкую фольгу и, соответственно, упрочняющие материал. Упрочнение материала вследствие изгиба-кручения кристаллической решетки обратно пропорционально ширине изгибного экстинкционного контура. Средняя ширина изгибных контуров экстинкции, выявляемых в зернах перлита, ~60 нм, а в зернах феррито-карбидной смеси вблизи частиц карбидной фазы, ~30 нм. Следовательно, вклад полей напряжений в прочность зерен феррито-карбидной смеси в два раза выше, по сравнению с зернами пластинчатого перлита.

На мезоуровне для рельсов категории «НЭ» (кроме двух типов зерен феррито-карбидной смеси, отмеченных в рельсах категории «ИК») были выявлены в небольшом количестве зерна феррито-карбидной смеси, в объеме которых наблюдается пластинчатая структура, формирующая параллельные ряды (пакеты), характерные для структуры пакетного мартенсита. Микроэлектронограммы, полученные с таких зерен (далее по тексту «зерна третьего типа»), имеют квазикольцевой характер, что указывает на высокий уровень дисперсности структуры a-фазы. Выполненные оценки показали, что поперечные размеры пластинок изменяются в пределах от 40 нм до 60 нм. Размеры частиц карбидной фазы, присутствующих в таких зернах и имеющих округлую форму, (20...30) нм. Можно предположить (следуя морфологии a-фазы), что зерна третьего типа также сформировались по сдвиговому механизму.

Таблица 3

Относительное содержание зерен феррито-карбидной смеси первого \У(1), второго \¥(2) и третьего \¥(3)типа, выявленных в структуре рельсов категории «НЭ» и

«В»

Категория Расстояние от поверхности катания, мм По центральной оси По выкружке

\У(1) \У(2) W(3) Щ2) \У(3)

НЭ 2 0,89 0,10 -0,01 0,75 0,24 -0,01

10 0,93 0,06 -0,01 0,82 0,17 -0,01

В 2 0,56 0,28 0,16 0,33 0,28 0,39

10 0,25 0,58 0,17 0,57 0,07 0,36

Примечание: — относительное содержание зерен первого типа; \¥(2) -зерен второго типа; \У(3) —зерен третьего типа.

Анализируя результаты, представленные в табл. 3, можно отметить, что основным типом зерен феррито-карбидной смеси являются зерна первого типа, однако относительное их содержание зависит и от направления анализа структуры (по центральной оси зерен первого типа больше, чем на выкружке), и от расстояния исследуемого слоя от поверхности катания (с увеличением расстояния от поверхности катания относительное содержание зерен первого типа возрастает).

Скалярная плотность дислокаций в феррите перлитных зерен изменяется в

пределах от ~1х101С см"2 до ~4хЮ10 см"2, а в зернах феррито-карбидной смеси, из-

10 2 10 2 меняется в пределах от —3x10 см" до -8x10 см" . В среднем эта величина составляет 5,7хЮ10 см"2, т.е. в —2,3 раза превышает скалярную плотность дислокаций зерен перлита. Максимального значения скалярная плотность дислокаций достигает вблизи глобулярных частиц карбидной фазы и составляет ~8хЮ10 см"2.

Для рельсов категории «В» относительное содержание зерен различной морфологии представлено в табл. 1. Как и для рельсов категории «НЭ» зерна феррито-карбидной смеси по морфологии присутствующих частиц карбидной фазы и состоянию дефектной субструктуры могут быть разделены на 3 характерных типа (табл. 3), структура которых сформировалась по различным механизмам у—>а превращения. Анализируя приведенные в табл. 1 и 3 результаты, можно отметить, что относительное содержание морфологических составляющих структуры стали по разным направлениям имеет градиентный характер. Это — мезоградиент материала, т.е. градиент усреднённый по совокупности зерен. Величина межпластинчатого расстояния колоний перлита (табл. 2) и скалярная плотность дислокаций сравнительно слабо зависит от расстояния и направления исследования (микроуровень) (табл. 4).

Параметром структуры, характеризующим наноградиент стали, является величина кривизны кручения кристаллической решетки. Оценки механизмов упрочнения рельсов различных категорий (субструктурное упрочнение, упрочнение частицами карбидной фазы, дальнодействующими полями напряжений, учет дисперсности перлита) показали, что зерна феррито-карбидной смеси являются

более прочными структурными составляющими по сравнению с зернами пластинчатого перлита.

Таблица 4

Скалярная плотность дислокаций в ферритной составляющей зерен перлита (р(1)) и в зернах феррито-карбидной смеси (р(2))

Категория рельсов Расстояние от поверхности, мм По центральной оси По выкружке

р(1), ю10, см"2 Р(2), Ю10, см"2 Р(1). Ю10, см"2 Р(2), Ю10, -2 см

В 2 2,6 6,6 3,9 4,4

10 2,1 5,1 2,5 6,3

Для всех категорий рельсов установлена дефектность пластин цементита перлитного зерен. Методами темнопольного анализа установлено, что они разбиты на фрагменты размерами 20-30 нм. Размеры фрагментов не зависят от категории рельсов и расстояния исследуемого слоя от поверхности катания.

В четвертой главе «Структура, фазовый состав и дефектная субструктура дифференцированно закаленных рельсов» представлены результаты сравнительного анализа фазового состава, структуры и дислокационной субструктуры рельсов, подвергнутых дифференцированной закалке в различных режимах.

Таблица 5

Механические свойства рельсов после дифференцированной закалки по различ-

ным режимам

№ режима ст„, МПа Сто,2, МПа 5,%

1 1250 850 12 37

2 1270 860 10,5 40

3 1290 880 11 37

Независимо от режима закалки типы формирующейся структуры аналогичны наблюдаемым при объемной закалке. Их относительное содержание зависит от направления исследования и расстояния от поверхности катания (рис. 3), т.е. имеет явно выраженный градиентный характер (относительное содержание зерен свободного феррита не превышает 0,05).

Градиентный характер имеют и зависимости межпластинчатого расстояния, величина которого меняется в пределах 105-200 нм и либо снижается при переходе от поверхности катания к слою, расположенному на глубине 10 мм (режимы упрочнения 1 и 2), либо не зависит от расстояния до поверхности катания (режим 3) (Рис. 4).

I

0,75 Н

0,50

0,25-1

1-1-0 сь 1-2-ось 1-1-В

1-2-В

1-ось

2-2-0 сь ■1-В

2-В —3-1 -ось

3-2-ось —^—3-1-В —I—3-2-В

4 6

X, мм

10

Рис. 3. Зависимость относительного содержания зерен пластинчатого перлита и зерен феррито-карбидной смеси от расстояния от поверхности катания. Обозначено: первая цифра - номер режима закалки; вторая цифра - относительное содержание зерен пластинчатого перлита (1) или зерен феррито-карбидной смеси (2); ось — анализ вдоль центральной оси; В — по выкружке.

X, мм

Рис. 4. Зависимость межпластинчатого расстояния зерен пластинчатого перлита от расстояния от поверхности катания. Обозначено: цифра — номер режима упрочнения; ось — анализ вдоль центральной оси; В - по выкружке.

Зерна феррито-карбидной смеси фрагментированы, т.е. разбиты на области с небольшой разориентацией. По границам фрагментов располагаются частицы карбидной фазы пластинчатой или глобулярной формы. Размеры частиц изменяются в пределах от 20 нм до 40 нм. Средние размеры фрагментов составляют 120 нм. Фрагменты разделены малоугловыми границами. Величина азимутальной составляющей полного угла разориентации фрагментов Да, изменяется в пределах

от 5,1 град, до 10,0 град. Усреднение по анализируемому объему образцов (объему слоя толщиной 10 мм) показывает, что величина угла Да для рельсов, термо-упрочненных по первому режиму, составляет 6,3 град., для второго режима упрочнения - 7,4 град., для третьего - 8,1 град.

Зерна ферритно-карбидной смеси характеризуются наличием в объеме зерна феррита частиц карбидной фазы. Частицы карбидной фазы различаются по размерам и форме. Выделяются частицы глобулярной формы и частицы в виде коротких пластинок. Объемная доля зерен с глобулярными частицами карбидной фазы изменяется в пределах от 1 % до 21,4 %. В образце после термообработки по 1-му режиму объемная доля зерен с глобулярными частицами карбидной фазы увеличивается по мере удаления от поверхности образца; в образце после термообработки по 2-му режиму - увеличивается незначительно, проходя через максимум (минимум) в слое, расположенном на глубине 2 мм; в образце после 3 режима -уменьшается по мере удаления от поверхности образца. Усреднение по объему слоя толщиной 10 мм показывает, что объемная доля зерен с глобулярными частицами карбидной фазы для рельсов, упрочненных по 1-му режиму, составляет 4,2%, по второму режиму - 4,3%, по третьему режиму - 7,8%.

X, мм

Рис. 5. Зависимость скалярной плотности дислокаций в структурных составляющих рельсов ДТ 350 от расстояния от поверхности катания. Обозначено: первая цифра - номер режима закалки; вторая цифра —скалярная плотность дислокаций в ферритной составляющей зерен перлита (1) или зерен феррито-карбидной смеси (2); ось — анализ вдоль центральной оси; В — по выкружке.

Ферритная составляющая структуры стали дефектна, выявлены дислокационные субструктуры в виде хаотически распределенных дислокаций, сетчатая, ячеистая и фрагментированная дислокационные субструктуры. В феррите перлитных зерен наблюдаются лишь первые два типа дислокационной субструктуры (субструктура дислокационного хаоса и сетчатая дислокационная су б структур а); ячеистая и фрагментированная дислокационная субструктуры выявляются лишь в зернах структурно свободного феррита и в зернах феррито-карбидной смеси. Максимального значения скалярная плотность дислокаций достигает вблизи гло-

булярных частиц карбидной фазы и составляет ~8хЮ10 см"2. В зернах феррито-карбидной смеси величина скалярной плотности дислокаций несколько выше, чем в ферритной составляющей зерен перлита не зависимо от режима закалки, направления исследования и расстояния исследуемого слоя от поверхности образца (Рис. 5).

Общим для исследованных рельсов является факт снижения относительного содержания зерен структурно-свободного феррита и зерен феррито-карбидной смеси с увеличением расстояния от поверхности охлаждения. Следовательно, поверхностный слой исследуемых образцов рельсов характеризуется сравнительно более неравновесным состоянием структуры, что, очевидно, обусловлено повышенной скоростью его охлаждения.

В пятой главе проведен сравнительный анализ структурно-фазовых состояний в рельсах после объемной и дифференцированной закалки, что соответствует названию главы.

Для выявления степени однородности структуры рельсов сравнивали соответствующие параметры по центральной оси и по выкружке. Степень неоднородности структуры рельсов определяли, исходя из соотношения:

Д(Х) = X, - Х2,

где Хь Х2 — средние значения параметра структуры стали по центральной оси и по выкружке, соответственно.

Таблица 6

Результаты сравнительного анализа параметров структуры рельсов, полученных методами дифракции рентгеновских лучей

Режим обра- № режима, катего- AV(Fe3 Aa(a-Fe), A(Ad/ AD(okp),

ботки рия рельсов С), % Á d) нм

Дифференци- 1 3,7 0,0026 0,002 25,2

рованная за- 3 1,4 0,0018 0,001 24,1

калка

Объемная за- нэ 0,9

0,0006 0,00 5Д

калка

Примечание: AV(Fe3C) - неоднородность структуры рельсов по объемной доле цементита; Aa(a-Fe) — по параметру решетки a-Fe; A(Ad/d) — по микронапряжениям; AD(qkp) — по размерам областей когерентного рассеяния.

Установлено, что в слое толщиной —10 мм более однородная структура (более близкие параметры по центральной оси и по выкружке, выявленные при исследовании стали методами дифракции рентгеновских лучей) формируется при объемной закалке рельсов.

Таблица 7

Неоднородность относительного содержания структурных составляющих

рельсов

Режим обработки Расстояние от поверхности, мм ДУ(1) ДУ(2) ДУ(3)

Объемная закалка 2 0,08 0,08 0,00

10 0,05 0,06 0,01

Дифференцированная 2 0,10 0,10 0,00

закалка 10 0,04 0,04 0,00

Примечание: Л\'(1) - неоднородность относительного содержания зерен перлита; АУ(2) -зерен феррито-карбидной смеси; АУ(3) -зерен структурно свободного феррита.

Таблица 8

Неоднородность структуры рельсов по величине межпластинчатого расстояния зерен перлита ДЬ и плотности изгибных экстинкционных контуров Д5

Режим обработки Расстояние от поверхности, мм дь, нм Д5, 102 см"2

Объемная закалка 2 11 1,1

10 10 0,1

Дифференцированная закалка 2 18 0,6

10 3 0,4

Сравнительный анализ фазового состава и дефектной субструктуры объемов стали, расположенных по центральной оси рельса и по выкружке (табл. 7, 8), позволил выявить следующее:

- после объемной закалки формируется более однородная в морфологическом отношении (зерна перлита, феррита и феррито-карбидной смеси) структура в приповерхностном слое стали (слое толщиной ~2 мм) и менее однородная в слое, расположенном на расстоянии —10 мм от поверхности катания;

- после объемной закалки структура зерен перлита по величине межпластинчатого расстояния также более однородна в приповерхностном слое стали (слое толщиной ~2 мм) и менее однородна в слое на расстоянии —10 мм от поверхности катания.

После объемной закалки структура рельсов менее однородна по количеству концентраторов напряжений, приходящихся на единицу площади материала в приповерхностном слое рельсов (слое толщиной ~2 мм) и более однородна в слое на расстоянии ~10 мм от поверхности катания.

В рельсовой стали концентраторами напряжений являются внутрифазные границы (границы раздела зерен феррита и перлита (рис. 6, а, б), зерен перлита и границы раздела колоний перлита (рис. 6, в, г)) и межфазные границы (границы раздела пластин цементита и феррита в перлите (рис. 6, в, г), границы раздела глобулярная частица/матрица (рис. б, е)). Изгибные экстинкционные контуры

наблюдаются и в объеме сравнительно крупных (десятые доли микрометра) ча стиц цементита.

Наиболее опасным концентратором напряжений, способным явиться источ ником микротрещин при эксплуатации рельсов, являются границы раздела глобу лярная частица/матрица. Выявлено, что такие потенциально опасные концентра торы напряжений формируются преимущественно в рельсах, подвергнутых объ емной закалке.

Рис. 6. ПЭМ изображения структуры рельсов после дифференцированной закалки (а, в, д) и после объемной закалки и последующего отпуска (б, г, е). Светлыми стрелками указаны изгибные контуры экстинкции, цветной стрелкой обозначена частица второй фазы, являющаяся источником полей напряжений, а - режим закалки - 1,2 мм по выкружке; в - режим закалки-3, 10 мм по центральной оси; д - режим закалки - 3, поверхность, по центральной оси; б, г - рельсы «ИК», е — рельсы «НЭ»; б, г, е — 10 мм по центральной оси.

В приложении приведен акт об использовании результатов работы в промышленности.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Методами современного физического материаловедения установлены закономерности формирования структуры, фазового состава и дефектной субструктуры рельсов различных категорий, подвергнутых объемной закалке в масле (25-м рельсы) и дифференцированной закалке сжатым воздухом (100-м рельсы).

1. Установлено, что для объемно закаленных рельсов категорий «В», «ИК» и «НЭ» и дифференцированно закаленных по 3 различным режимам структура представлена зернами перлита пластинчатой морфологии, зернами феррита, в объеме которых наблюдаются частицы цементита разнообразной формы (зерна феррито-карбидной смеси) и зернами структурно-свободного феррита, не содержащими частиц карбидной фазы.

2. Основной структурной составляющей рельсов после объемной закалки являются зерна пластинчатого перлита, относительная объемная доля для зерен феррито-карбидной смеси изменяется в пределах 0,13-0,50, структурно-свободного феррита в пределах 0,03-0,06 структуры материала: зависимости относительного содержания морфологических составляющих структуры стали по центральной оси и выкружке рельсов от расстояния до поверхности катания носят выраженный градиентный характер (мезоуровень).

3. Для всех категорий объемно закаленных рельсов скалярная плотность дислокаций и величина межпластинчатого расстояния колоний перлита слабо зависят от направления исследования и расстояния до поверхности и не могут быть использованы в качестве параметров, характеризующих градиент-ность структуры (микроуровень). На наноуровне таким параметром является кривизна кручения кристаллической решетки.

4. Выполненные оценки механизмов упрочнения объемно закаленных рельсов показали, что зерна феррито-карбидной смеси являются более прочными структурными составляющими по сравнению с зернами пластинчатого перлита.

5. Основным типом формирующейся структуры, имеющей выраженный градиентный характер, дифференцированно закаленных рельсов является перлит пластинчатой морфологии, относительная объемная доля которого меняется в пределах 0,34-0,87. Доля зерен феррито-карбидной смеси составляет 0,12-0,65 структуры стали. С увеличением расстояния до поверхности катания относительная объемная доля пластинчатого перлита увеличивается, а зерен феррито-карбидной смеси и структурно-свободного феррита уменьшается.

6. Величина межпластинчатого расстояния изменяется в пределах от 105 до 200 нм и либо снижается при переходе от поверхности катания к слою на глубине 10 мм (режимы упрочнения 1 и 2), либо не зависят от расстояния до поверхности катания (режим 3). В зернах феррито-карбидной смеси величина скалярной плотности дислокаций несколько выше, чем в ферритной составляющей зерен перлита независимо от режима закалки, направления исследования и расстояния исследуемого слоя от поверхности образца. Она слабо зависит от расстояния до поверхности.

7. Сравнительным анализом фазового состава и дефектной субструктуры объемов рельсов, расположенных по центральной оси и выкружке, показано, что при объемной закалке по сравнению с дифференцированной формируется более однородная структура в морфологическом отношении (относительное содержание зерен перлита, феррита, феррито-карбидной смеси) структура и структура зерен перлита (межпластинчатое расстояние) в при-

поверхностном слое (толщиной —2 мм) и менее однородная — в слое, расположенном на расстоянии —10 мм от поверхности катания.

8. После объемной закалки (по сравнению с дифференцированной) структура рельсов менее однородна по плотности концентраторов напряжений в слое толщиной - 2 мм и более однородна в слое, расположенном на расстоянии ~ 10 мм от поверхности катания.

9. Закалка рельсов сопровождается формированием внутренних полей напряжений, величина которых зависит от типа концентратора напряжений, наиболее опасным из которых, способными быть источниками трещин при эксплуатации, являются границы раздела глобулярная частица цементита/матрица. Такие потенциально опасные концентраторы формируются преимущественно в рельсах, подвергнутых объемной закалке.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

Статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Громов В.Е., Волков К.В., Иванов Ю.Ф., Морозов К.В. и др. Формирование тонкой структуры металла рельсов повышенной износостойкости. // Вопросы материаловедения, 2013. № 4 (76). с. 15-23.

2. Волков К.В., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Юрьев А.Б., Морозов К.В. и др. Формирование структуры, фазового состава и тонкой субструктуры в дифференцированно закаленных рельсах / Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2014. Т. 11. № 1. с. 50-55.

3. Громов В.Е., Волков К.В., Иванов Ю.Ф., Морозов К.В. и др. Структура, фазовый состав и дефектная субструктура рельсов высшей категории качества / Известия вузов. Физика. 2014. № 2. с. 72-76.

4. Громов В.Е., Волков К.В., Иванов Ю.Ф., Юрьев А.Б., Коновалов C.B., Морозов К.В.. Формирование тонкой структуры в рельсах низкотемпературной надежности / Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2013. №4. С. 61-68.

5. Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Волков К.В., Морозов К.В. и др. Формирование градиентов структуры, фазового состава и дефектной субструктуры в рельсах при дифференцированной закалке / Перспективные материалы. 2014. №3. с. 40-45.

6. Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Глезер A.M., Морозов К.В. и др. Дифференцированная закалка рельсов: структура, фазовый состав и дефектная субструктура поверхностного слоя / Деформация и разрушение материалов, 2014. № 5. с. 4246.

7. Громов В.Е., Волков К.В., Иванов Ю.Ф., Морозов К.В. и др. Формирование дислокационной субструктуры и внутренних полей напряжений в объемно и дифференцированно закаленных рельсах / Наноинженерия, 2014. № 3 (33). С. 22-26.

8. Громов В.Е., Морозов К.В., Иванов Ю.Ф., Волков К.В. и др. Формирование градиентов структуры, фазового состава и дефектной субструктуры в диффе-

ренцированно закаленных рельсах / Российские нанотехнологии, 2014. Т 9. № 5-6. С. 59-62.

9. Громов В.Е., Волков К.В., Юрьев А.Б., Морозов К.В. и др. Структурно-фазовые состояния и дефектная субструктура дифференцированно закаленных рельсов / Известия вузов. Черная металлургия. 2014. № 12. С. 29-32.

Ю.Громов В.Е., Волков К.В., Иванов Ю.Ф., Морозов К.В. и др. Формирование структуры, фазового состава и дефектной субструктуры в объемно закаленных рельсах специальных категорий / Известия вузов. Черная металлургия. 2014. №6. С. 54-61.

П.Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Юрьев А.Б., Волков К.В., Морозов К.В. и др. Формирование внутренних полей напряжений в рельсах / Проблемы черной металлургии и материаловедения, 2014. № 1. С. 79-84.

12.Громов В.Е., Волков К.В., Глезер A.M., Иванов Ю.Ф., Морозов К.В. и др. Дислокационная субструктура и внутренние поля напряжений в объемно и дифференцированно закаленных рельсах / Известия РАН. Серия физическая, 2014. Т 78. №10. С. 1230-1237.

13.Громов В.Е., Морозов К.В., Иванов Ю.Ф., Волков К.В. и др. Структурно-фазовое состояние поверхностных слоев рельсов, подвергнутых дифференцированной закалке / Технология металлов, 2014. № 12. С. 15-19.

14.Громов В.Е., Волков К.В., Иванов Ю.Ф., Морозов К.В. и др. Формирование структуры, фазового состава и дефектной субструктуры в объемно и дифференцированно закаленных рельсах / Успехи физики металлов. 2014. Т 15. № 1. с. 1-33.

15.Громов В.Е., Юрьев А.Б., Морозов К.В., Волков К.В., Иванов Ю.Ф. сравнительный анализ структурно-фазовых состояний в рельсах после объемной и дифференцированной закалки / Сталь, 2014. № 7. С. 91-95.

16. Морозов К.В., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Юрьев А.Б. и др.Природа упрочнения зеренной структуры рельсов, подвергнутых объемной закалке / Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2014. Т. 11. № 3. с. 293-297.

17.Морозов К.В., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Глезер A.M. и др. Анализ структурно-фазовых состояний в рельсах, подвергнутых объемной и дифференцированной закалке / Заводская лаборатория. Диагностика материалов 2015. № 4. С. 22-26.

Статьи в зарубежных журналах l.Gromov V.E., Yuriev А.В., Ivanov Yu.F., Morozov K.V., Konovalov S.V., Al-saraeva K.V., Semina O.A. Superior quality rails: Structure-phase States and Defect Substructure / Advanced Materials Research, 2014. Vol. 1013. pp 127-132.

2. Volkov К. V., Gromov V. E., Morozov К. V., Ivanov Yu. F., Romanov D. A., and Alsaraeva К. V. Surface Gradient Structure-Phase States Formation under Differentiated Quenching of 100 Meter Rails / Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 2014. Vol. 8. No. 6. pp. 1345-1350.

3. Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Morozov K.V., Alsaraeva K.V. Formation of fine structure of differentially hardened rails / Applied Mechanics and Materials, 2014. Vol.682, pp. 41-45.

4. Gromov V.E., Volkov K.V., Morozov K.V., Konovalov S.V., Alsaraeva K.V., Fefilova A.A., Semina O.A. Nanostructure Formation in Superior Quality Rails // Proceedings of the international conference «Nanomaterials: Applications and Properties», Vol. 3 No 2, 02MAN01(3pp) (2014). [Электронный ресурс] (http://nap.sumdu.edu.ua/index.php/nap/nap2014/paper/vie\v/1358/649)

5. Gromov V.E., Morozov K.V., Ivanov Yu.F., Volkov K.V., Konovalov S.V., Alsaraeva K.V., Semina O.A. Analysis of structure and phase composition of rails subjected to differential hardening at different regimes // Proceedings of Conference «International Conference on Physical Mesomechanics of Multilevel Systems», (35.09.2014, Tomsk, Russia). New York: Melville, 2014. V. 1623, 678 p. pp. 195198.

6. Gromov V.E., Morozov K.V., Ivanov Yu.F., Glezer A.M. Analysis of structure-phase states in-a-bulk hardened and a head-hardened rails // Proceedings of Conference «International Conference on Physical Mesomechanics of Multilevel Systems», (3-5.09.2014, Tomsk, Russia). New York: Melville, 2014. V. 1623, 678 p. pp. 191-194.

Монография

1. Громов В.Е., Юрьев А.Б., Морозов К.В., Иванов Ю.Ф. Микроструктура закаленных рельсов. - Новокузнецк: Изд-во «Интер-кузбасс», 2014. 213с.

Подписано в печать 06.07.2015 г. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16. Уч. изд. л. 1,30. Тираж 100 экз. Заказ № 417. Сибирский государственный индустриальный университет. 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42