Юрьев А.А., Громов В.Е., Гришунин В.А., Иванов Ю.Ф., Qin R., Tang G., Коновалов С.В., Семин А.П. Преобразования тонкой структуры и распределения атомов углерода в 100-м дифференцированно закаленных рельсах при длительной эксплуатации

Аннотация

Используя методы просвечивающей электронной микроскопии, показано, что зерна пластинчатого перлита, зерна феррито-перлитной смеси и зерна свободного феррита являются основными морфологическими составляющими дифференцированно закаленных рельсов категории ДТ350. Уровень механических свойств и качество стальных рельсов удовлетворяет требованиям ГОСТ P 51685-2013. Изучена эволюция карбидной фазы и перераспределение атомов углерода в поверхностных слоях дифференцированно закаленных рельсах (пропущенный тоннаж 691,8 млн т) на глубине до 10 мм вдоль центральной оси и шейки головки рельса. Установлено действие двух взаимодополняющих механизмов трансформации карбидной фазы в поверхностных слоях стали при работе при эксплуатации рельсов: (1) режущий механизм частиц цементита с последующим перемещением в объем ферритных зерен или пластин (в структуре перлита); (2) режущий механизм и последующее растворение частиц цементита, перенос атомов углерода на дислокации (в атмосферах Коттрелла и дислокационных ядрах), перемещение дислокациями атомов углерода в объем ферритных зерен (или пластин) с последующим повторным образованием наноразмерных частиц цементита. Первый механизм сопровождается изменением линейных размеров и морфологии частиц карбида. Изменение элементного состава цементита не является существенным. Изменение структуры карбида может происходить по второму механизму. Основной причиной растворения цементита является энергетическое преимущество локализации атомов углерода в ядрах дислокаций и субзернах по сравнению с решеткой цементита. Энергия связи «атом углерода - дислокация» составляет 0,6 эВ, а в некоторых случаях в цементите она составляет 0,4 эВ. Установлено, что атомы углерода, оставшиеся в кристаллической решетке цементита, расположены на дефектах кристаллической решетки стали (дислокации, границы зерен и субзерен).

Ключевые слова

Цементит, перлит, фракция, атомы углерода, рельсы, механизмы, эксплуатация.

Юрьев Антон Алексеевич – соискатель каф. естественно-научных дисциплин им. проф. В.М. Финкеля, Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк, Россия. E-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Громов Виктор Евгеньевич – д-р физ.-мат. наук, проф., зав. каф. естественно-научных дисциплин им. проф. В.М. Финкеля, Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк, Россия. E-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Гришунин Владимир Анатольевич – главный инженер, Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк, Россия. E-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Иванов Юрий Федорович – д-р физ.-мат. наук, проф., главный научный сотрудник, Институт Сильноточной электроники СО РАН, Томск, Россия. E-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Квин Ронгшан – проф. школы инженерии и инноваций, Открытый Университет, Милтон-Кинс, Великобритания.

Танг Гоуи – проф., директор института перспективных материалов университета Цинхуа, Шэньчжэнь, Китай.

Коновалов Сергей Валерьевич – д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии металлов и авиационного материаловедения, Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Самара, Россия. E-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Семин Александр Петрович – завед. каф. строительных технологий и материалов, Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк, Россия. E-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

1. Ivanisenko Yu., Fecht H.J. Microstructure modification in the Surface Layers of Railway Rails and Wheels. Steel tech, 2008. Vol. 3, No. 1, pp. 19–23.

2. Ivanisenko Yu., Maclaren I., Sauvage X., Valiev R.Z., Fecht H.J. Shear-induced α→ γ transformation in nanoscale Fe–C composite. Acta Materialia. Vol. 54, pp. 1689–1669.

3. Ning Jiang-li, Courtois-Manara E., Kurmanaeva L., Ganeev A. V., Valiev R.Z., Kubel C., Ivanisenko Yu. Tensile properties and work hardening behaviors of ultrafine grained carbon steel and pure iron processed by warm high pressure torsion. Materials Science and Engineering A, 2013. Vol. 581, pp. 81–89.

4. Gavrilyuk V.G. Decomposition of cementite in pearlite steel due to plastic deformation. Materials Science and Engineering A, 2003. Vol. 345, pp. 81–89.

5. Li Y.J., Chai P., Bochers C., Westerkamp S., Goto S., Raabe D., Kirchheim R. Atomic-scale mechanisms of deformation-induced cementite decomposition in pearlite. Acta Materialia, 2011. Vol. 59, pp. 3965–3977.

6. Gavrilyuk V.G. Effect of interlamellar spacing on cementite dissolution during wire drawing of pearlitic steel wires. Scripta Materialia, 2001. Vol. 45, pp. 1469–1472.

7. Ivanisenko Yu., Fecht H.J. Microstructure modification in the Surface Layers of Railway Rails and Wheels. Steel tech, 2008. vol. 3, no. 1, pp.19–23.

8. Ivanisenko Yu., Maclaren I., Souvage X., Valiev R.Z., Fecht H.J. Shear-induced α→γ transformation in nanoscale Fe-C composite. Acta Materialia, 2006. Vol. 54, pp. 1659–1669.

9. Gavrilyuk V.G. Effect of interlamellar spacing on cementite dissolution during wire drawing of pearlitic steel wires. Scripta Materialia, 2001. Vol. 45, pp. 1469–1472.

10. Gromov V.E., Yuriev A.B., Morozov K.V., Ivanov Yu.F. Microstructure of quenched rails. Cambridge: CISP Ltd, 2016, 156 p.

11. Gromov V.E, Kozlov E.V, Bazaikin V.I. et al. Physics and mechanics of drawing and die forging. Moscow: Nedra, 1997, 293 p.

12. Lakhtin Yu.M. Physical metallurgy and thermal treatment of metals. Moscow: Metallurgiya, 1977, 407 p.

13. Glezer A.M. On the nature of ultrahigh plastic (megaplastic) strain. Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Physics, 2007, vol. 71, no. 12, pp. 1722–1730.

14. Thomas G, Gorindge M.J. Transmission electron microscopy of materials. Moscow: Intekst, 1983, 320 p.

15. Hirsh P, Hovy A, Nicolson P. Electron microscopy of thin crystals. Moscow: Mir, 1968, 574 p.

16. Utevskii L.M. Deffraction electron microscopy in material science. Moscow: Metallurgiya, 1973, 584 p.

17. Ray F. Egerton Physical Principles of Electron Microscopy. An Introduction to TEM, SEM, and AEM. Berlin: Springer Science+Business Media, Inc, 2005, 211 p.

18. Kumar C.S.S.R. (Ed.) Transmission Electron Microscopy Characterization of Nanomaterials - New York: Springer, 2014, 717 p.

19. Barry Carter C., David B. Transmission Electron Microscopy. Berlin: Springer International Publishing, 2016, 518 p.

20. Gavrilyuk V.G., Gertsriken D.S., Polushkin Yu.A., Falchenko V.М. Mechanism of decomposition of cementite in the plastic deformation of steel. Fizika, 1981, vol. 51, no. 1, pp. 147–152.

21. Gridnev V.N, Gavrilyuk V.G. Cementite decomposition under plastic deformation of steel. Metallophizika, 1922, vol. 4, no. 3, pp. 74–87.

22. Male R.F, Hagel U.K. Austenite – pearlite transformation. Uspehi fiziki metallov, V.3. Moscow: Metallurgiya, 1960, pp. 88–156.

23. Belous Kh.V, Cherepin V.T. Changes in carbide phase of steel under the effect of cold plastic deformation. F.M.M., 1962, Vol. 14, No. 1, pp. 48–54.

24. Gavrilyuk V.G. Distribution of carbon in steel. Kiev: Naukova Dumka, 1987, 207 p.

25. Smirnov O.M, Lazarev V.A. Diffusion and redistribution of carbon in iron and its alloys in the process of deformation. FMM, 1983, Vol. 56, No. 1, pp.115–119.

26. Gromov V.E., Yuriev A.A., Ivanov Y.F., Glezer A.M., Konovalov S.V., Semin A.P., & Sundeev, R.V. Defect substructure change in 100-m differentially hardened rails in long-term operation. Materials Letters, 2017. Vol. 209, pp. 224–227.

27. Gromov V.E., Yuriev A.B., Morozov K.V., Ivanov Yu.F. Microstructure of quenched rails. Cambridge CISP Ltd, 2016, 157 p.

28. Ivanov Yu.F., Gromov V.E., Yuriev A.A. Metal structure and properties gradients of surface layers of differentially quenched rails after long term operation. Fundamental problems of modern material science, 2017, vol. 14, no. 3, pp. 297–305.

29. Ivanov Yu.F., Kornet E.V., Kozlov E.V., Gromov V.E. Hardened structural steel: structure and mechanisms of hardening. Novokuznetsk: SibSIU, 2010, 174 p.

30. Kalich D., Roberts E.M. On the distribution of carbon in martensite. Met. Trans, 1971, vol. 2, no. 10, pp. 2783–2790.

31. Fasiska E.J., Wagenblat H. Dilatation of alpha-iron by carbon. Transactions of the Metallurgical Society of AIME, 1967, vol. 239, no. 11, pp. 1818–1820.

32. Ivanov Yu.F., Popova N.A., Gladyshev S.A., Kozlov E.V. Interaction of carbon with defects and carbo-formation processes in structural steels. Collection of papers “Interaction of defects of crystal lattice and properties”. Tula: TulPI, 1986, pp. 100–105.

Подробности: Опубликовано: 24 июня 2019; Обновлено: 24 июня 2019; Просмотров: 1788