СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ОБЪЕМНО И ДИФФЕРЕНЦИРОВАННО ЗАКАЛЕННЫХ РЕЛЬСОВ

Рельсы являются важным стратегическим продуктом. На путях железных дорог России уложено по разным оценкам примерно 21-24 млн. т рельсов. Протяжённость главных путей РЖД составляет около 124 тысяч километров.

Цель работы: провести сравнительный анализ объемно и дифференцированно закаленных рельсов.

В настоящее время существует два вида обработки рельсов объемная закалка в масле 25 м рельсов и дифференцированная закалка сжатым воздухом 100 м рельсов. Наиболее предпочтительным является второй вид термообработки, развиваемый в России с 2013 года.

Была исследована структура объемно закалённых рельсов марки Р65 и дифференцированно закалённых – ДТ-350 производства АО "Евраз ЗСМК".

При помощи метода дифракционной электронной микроскопии тонких фольг было выявлено, что структура объемно-закаленных рельсов, на расстоянии »23 мм от поверхности катания, представляет собой: колонии пластинчатого перлита, зерна феррито-карбидной смеси и зерна структурно-свободного феррита. Содержание зерен перлита в материале »0,7; содержание зерен феррито-карбидной смеси »0,15; остальное зерна структурно свободного феррита. При удалении от поверхности происходит незначительное уменьшение дисперсности перлита и зерен структурно-свободного феррита [1, с. 61].

Зерна структурно-свободного феррита расположены вдоль границ зерен перлита в виде прослоек, либо имеют квазиравноосную форму и находятся в стыках зерен перлита. Области феррито-карбидной смеси выявляются в стыках колоний пластинчатого перлита.

При анализе стали методом тонких фольг обнаружилось присутствии изгибных контуров экстинкции, что явно указывает на кривизну-кручение кристаллической решетки материала, вызванной внутренними полями напряжений. Источниками деформации кристаллической решетки исследуемой стали являются границы раздела зерен феррита и перлита, цементита и феррита в перлитной колонии, частиц цементита и феррита.

Таким образом, до эксплуатации металл объемно-закаленной рельсовой стали является многофазным материалом, структура которого формируется зернами пластинчатого перлита, зернами феррито-карбидной смеси и зернами структурно-свободного феррита.

Исследования, выполненные методами современного физического материаловедения, показали, что микроструктура поверхностного слоя дифференцированно закаленной стали, независимо от направления анализа, представляет собой преимущественно мелкодисперсный тонкопластинчатый перлит. По границам зерен перлита выявляется структурно-свободный феррит в виде сетки (вблизи поверхности в слое толщиной около 150 мкм) и в виде отдельных разрозненных вкраплений (на удалении от поверхности образца до 300 мкм). Феррит наблюдается в виде редко расположенных по границам зерен вкраплений [2, с. 61].

Таким образом, дифференцированная закалка сопровождается формированием перлитной структуры с вкраплениями зерен структурно-свободного феррита по границам. С увеличением расстояние от поверхности охлаждения относительное содержание феррита снижается.

Можно отметить различия в состоянии стали вдоль центральной оси и по выкружке. А именно, в объеме материала на центральной оси (по отношению к объему материала по выкружке) относительное содержание цементита выше.

Выполненные послойные исследования структуры, фазового состава и дефектной субструктуры рельсов ДТ-350, подвергнутых дифференцированной закалке, показали, что, независимо от расстояния до поверхности катания и направления исследования (по центральной оси или по выкружке) закалка сопровождается формированием морфологически многоплановой структуры, представленной зернами пластинчатого перлита, зернами феррито-карбидной смеси и зернами структурно-свободного феррита, располагающимися в виде вкраплений по границам зерен перлита. При осуществлении количественного анализа выявлены основные параметры, характеризующие состояние структуры стали. Определено, что формирующаяся структура имеет явно выраженных градиентный характер: состояние поверхностного слоя (слоя толщиной ~10 мм) исследуемой рельсовой стали зависит направления исследования (по центральной оси или на выкружке) и глубины залегания (поверхность, 2 мм, 10 мм от поверхности) анализируемого слоя. Общим 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 [2, с.78].

Таким образом, при сравнении характеристик объемно закаленных и дифференцированно закаленных рельсов до их эксплуатации было выявлено, что при объемной закалке структура рельса одинакова по сечению, а в микроструктуре по сечению образца после дифференцированной закалки можно выделить три характерные зоны: приповерхностный слой, «переходная зона», основной металл. В приповерхностном слое формируется мелкозернистая структура, обладающая повышенной твердостью и прочностью, в остальном объеме материала – более мягкая, пластинчатая структура.

Независимо от режима термической обработки сталь является поликристаллическим агрегатом, сформированным зернами пластинчатого перлита, зернами феррито-карбидной смеси и зернами структурно свободного феррита. Однако, в образцах объемно закаленных рельсов в отличие от дифференцированно закаленных в 2…10 раз мельче зерна перлита, в приблизительно 5 раз больше зерен феррита и в почти 1,5 раза толще поверхностный слой со сплошной сеткой зерен феррита. Также установлено, что в рельсах подвергнутых объемной закалке формируются потенциально опасные концентраторы напряжений, способные явиться источником микротрещин при эксплуатации.

Ещё одним существенным недостатком объемной закалки рельсов в масле заключается в загрязнении атмосферы канцерогенными продуктами его испарения и пожароопасности. Кроме того, не достигается дифференцированного уровня свойств по сечению рельсов: упрочненной головки и менее прочных и более вязких шейки и подошвы, обеспечивающих повышенную надежность.

Список литературы:

1. Перегудов О.А. Изменение тонкой структуры и свойств рельсов  при длительной эксплуатации : дис. … канд. техн. наук. – Новокузнецк, 2017. – С. 59–66.
2. Юрьев А.А. Эволюция структуры и свойств дифференцированно закаленных рельсов в процессе длительной эксплуатации : дис. … канд. техн. наук. – Новокузнецк, 2018. – С. 63–80.