Особенности структурообразования металла рельсового стыка в условиях термомеханического воздействия в процессе сварки : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.16.09

Актуальность темы исследования. Основными направлениями развития
железнодорожного транспорта являются увеличение скорости подвижного состава,
полезной нагрузки, надежности и безопасности его эксплуатации. Это требует
существенного улучшения механических свойств колесных пар и рельсов,
способных снизить износ и повысить сопротивляемость контактно усталостным
разрушениям. По этим причинам металлургическими компаниями совместно с
научно-исследовательскими организациями проведены интенсивные
исследования, направленные на разработку нового способа дифференцированного
упрочнения головки перлитных рельсов, приводящего к существенному
сокращению межпластинчатого расстояния в структуре перлита. Рельсовые
перлитные стали с межпластинчатым расстоянием ~0,10–0,12 мкм,
характеризуются повышенной абразивной износостойкостью, усталостной
прочностью и стойкостью к контактным и усталостным дефектам по сравнению с
перлитной структурой после традиционной объёмной закалки. Эти исследования
включены в основные требования к рельсовым сталям ГОСТ Р 51685-2013. В
соответствии с планами развития ОАО «РЖД» до 2030 года в области верхнего
строения пути основным направлением технической политики является
расширение применения бесстыкового пути взамен звеньевого, выполненного с
использованием контактной сварки с оплавлением. Практика эксплуатации
бесстыкового пути на российских железных дорогах показывает, что, несмотря на
качественный состав рельсовой перлитной стали, разработанный отечественными
металлургами, и оптимальные режимы сварки, предложенные специалистами
ВНИИЖТ, количество дефектов сварных швов остается высоким.
Степень разработанности темы исследования. Большой объём,
исследований перлитных сталей проведен как отечественными (Л.И. Тушинский,
В.Н. Гриднев, В.М. Счастливцев, В.И. Изотов, A.A. Батаев, A.B. Макаров, Л.Г.
Коршунов, Д.А. Мирзаев, И.Л. Яковлева, Т.И. Табатчикова, P.A. Саврай и др.), так
и зарубежными авторами (Е.Н Engel, R. Mehl, J.D. Embury, R.M. Ficher, H. Ohmori,
A.T. Davenport, M. Gensamer, E.B. Pearsall, W.S. Pellini, J.R. Low и др.). Результаты
исследований структурообразования, проведенных с использованием
классической оптической микроскопии, фиксирующей только факт образования
структур перлита, феррита, мартенсита, бейнита в зоне термического влияния
рельсового стыка, вошли в нормативные документы, связанные с технологическим
процессом контактной сварки рельсов оплавлением, последующей
термообработкой и контролем рельсового стыка. Они представлены в работах А.И.
Николина, В.А. Резанова, Е.А. Шура, С.И. Кучук-Яценко, Л.А. Андреевой, В.М.
Федина и других ученых.
Необходимо признать, что до сих пор при исследовании рельсовых сталей
большое внимание уделялось изучению макроструктуры, механических и
трибологических свойств при различных термических и механических
воздействиях. В тоже время, такие важные параметры перлитной структуры
рельсовой стали после дифференцированной закалки с прокатного нагрева и
последующей сварке, отвечающие за прочностные и пластические свойства, как: 1)
толщина цементитной пластины, 2) межпластинчатое расстояние, 3) размер
перлитной колонии, перлитного блока, 4) малоугловые, большеугловые границы
зёрен и субзёрен, пока не исследованы. Слабо освещены вопросы взаимосвязи
морфологии перлита со свойствами сварных рельсовых стыков. Сказанное выше
определяет актуальность постановки настоящих исследований. Это позволило
сформулировать рекомендации по возможности управления параметрами
перлитной структуры как в процессе производства рельсовой стали, так и в
последующих способах обработки (сварка, термообработка, упрочнение и т.д.).
Целью работы является выявление структурных особенностей,
способствующих повышению физико-механических свойств перлита,
образующегося в высокоуглеродистых рельсовых сталях в условиях
термомеханического воздействия в процессе сварки.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Исследован металл в зоне термического влияния со структурой
тонкопластинчатого, грубопластинчатого и частично сфероидизированного
перлита с использованием взаимодополняющих методов оптической, электронной
и атомно-силовой микроскопии.
2. Исследованы структура, текстура металла зоны термического влияния
(ЗТВ) рельсового стыка с использованием анализа картин дифракции обратно
рассеянных электронов (EBSD анализ) и установлены ее особенности на микро-,
мезо- и макромасштабном уровне.
3. Определено влияние структуры перлита металла в ЗТВ на механические
свойства.
4. Разработаны рекомендации по применению неразрушающего контроля
металла в ЗТВ по оценке структуры и остаточных напряжений.
5. Разработаны рекомендации по корректировке параметров контактной
сварки рельсовых стыков.
Объектом исследования является сваренный стык железнодорожного
рельса для бесстыкового пути путевой инфраструктуры, имеющий поперечное
сечение в виде простой геометрической фигуры, симметричной относительно
одной или более осей.
Предмет исследования – явились особенности структуры металла в зоне
термического влияния на макро-, мезо- и микроуровнях, структурные изменения и
механические напряжения, влияющие на эксплуатационную стойкость рельсового
стыка.
Научная новизна
1. Исследование металла в зоне термического влияния рельсового стыка,
полученного при помощи контактной сварки с оплавлением, впервые выполнено
путём многоуровневого подхода (на микро-, мезо- и макромасштабном уровне)
несколькими взаимодополняющими методами. Установлены особенности
морфологии структуры перлитной рельсовой стали (прямолинейная форма
пластин, прерывистая с разрывами и изогнутыми пластинами цементита в области
линии сплавления). Найдено, что межпластинчатое расстояние, являющееся
важным морфологическим признаком структуры перлита, меняется от 90 до 167 нм
в пределах перлитной колонии и имеет отличия в продольном и поперечном
направлениях. С ростом температуры аустенизации при сварке и последующем
охлаждении межпластинчатое расстояние в перлите изменяется по ширине ЗТВ,
что ответствено за неоднородность твердости и предела текучести металла в ЗТВ.
Поскольку они связаны со средним межпластинчатым расстоянием в виде функции
– -1/2. В области линии сплавления средний размер зерна аустенита составляет
254 мкм и далее по мере удаления от нее снижается до 65,3 мкм на расстоянии 5
мм, 18,1 мкм – 10 мм.
2. Установлено, что в процессе контактной сварки оплавлением металла
возникает существенная неоднородность структуры и текстуры на микро- и
мезомасштабном уровне по всему локальному объёму рельсового стыка. Вблизи
линии сплавления вследствие уменьшения размера зерна доля большеугловых
границ зерен составляет 0,40-0,50 и увеличивается до значения ~0,72 на границе
раздела частичной сфероидизации перлита. Увеличение доли малоугловых границ
зерен до 0,6 ± 0,02 в области линии сплавления, связывается с накоплением
дислокаций вследствие пластической деформации при осадке рельсов в процессе
сварки в месте контактного соединения.
3. Показано, что при испытании на ударную вязкость величина фасетки
излома уменьшается с уменьшением размера аустенитного зерна перлитного блока,
при незначительном изменении размера перлитной колонии. В большинстве
случаев трещины с ветвлением распространяются по нескольким смежным
перлитным колониям и меняют направление на границе блока. Доминирующей
субструктурой, влияющей на ударную вязкость рельсовых сталей, является
перлитный блок, определяемый как область, окруженная высокоугловыми ϴ <15° границами феррита. Теоретическая и практическая значимость работы. 1. Данная работа развивает структурные и физические представления о явлениях, возникающих при высокотемпературном деформационном воздействии на высокоуглеродистые рельсовые стали в ЗТВ сварного стыка, морфологических особенностях перлита и количественных значений параметров структуры. 2. Представленные экспериментальные результаты по особенностям перлитной структуры в ЗТВ на различных масштабных уровнях могут быть использованы для корректировки технологических параметров (время сварки, усилие осадки и т.д.) существующих технологических линий сварки рельсов, а также для разработки новых способов сварки и термической обработки. 3. Сформулированы рекомендации по режимам термообработки, обеспечивающим минимизацию снижения твердости в ЗТВ рельсового стыка в процессе сварки. 4. Проведенные исследования будут рекомендованы соответствующим департаментам ОАО «РЖД» для организации контроля структурных характеристик металла ЗТВ рельсового стыка. 5. Предложено использовать метод на основе шумов Баркгаузена для неразрушающего контроля структуры металла при производстве рельса и в ЗТВ рельсового стыка после сварки. 6. Результаты исследований использованы при выполнении лабораторных работ: «Современные методы исследования полиморфных превращений в сталях» для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям «Материаловедение», «Технология, оборудование и система качества сварочного производства». 7. Результаты исследования используются в курсе лекции по дисциплине «Сварка давлением» и «Материаловедение при сварке» на кафедре «Машиностроительные технологии и материалы» ИрНИТУ. Методология и методы диссертационного исследования. Методологической основой исследования послужили труды ведущих отечественных и зарубежных ученых в области изучения перлитных сталей, зарубежные и государственные стандарты РФ, а также теоретические положения по влиянию структуры перлита на механические свойства сталей. Среднее истинное межпластинчатое расстояние ( о) было получено из электронных микрофотографий в соответствии с процедурой пересечения Андервуда, в которой автор для оценки среднего истинного расстояния o рекомендует сначала определить среднее случайное расстояние r. Для этого на электронную микрофотографию накладывается круглая тестовая сетка диаметром dc. Подсчитывается количество n пересечений пластин карбида с испытательной сеткой. Эта процедура повторяется для ряда случайно выбранных полей. Затем средний случайный интервал r вычисляется по формуле: r = ·dc·nМ, где M - увеличение микрофотографии. Салтыков С.А. показал, что для перлита с постоянным интервалом внутри каждой колонии среднее истинное расстояние o связано со средним случайным интервалом r соотношением: o=0,5 r. Работа выполнена с использованием комплекса современных методов теоретического и экспериментального исследования: оптической, электронной и атомно-силовой микроскопии; анализа картин дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD анализ); механических испытаний; использованием методов математической статистики и вычислительного пакета прикладных программ Microsoft Office. Положения, выносимые на защиту: 1. Результаты металлографических исследований структуры с использованием оптической, электронной и атомно-силовой микроскопии. 2. Результаты оценки текстуры, суб-зеренной и зереной структуры металла в зоне термического влияния. 3. Результаты фактографических исследований и критериев оценки сопротивляемости металлов контактно-усталостным повреждениям. 4. Результаты исследований распределения твердости и микротвердости в зоне термического влияния. 5. Результаты неразрушающего контроля твердости и остаточных напряжений в сварном стыке методом шумов Баркгаузена. Содержание диссертации соответствует областям исследований паспорта научной специальности 05.16.09 Материаловедение (по отраслям): 1. Теоретические и экспериментальные исследования фундаментальных связей состава и структуры материалов, с комплексом физико-механических и эксплуатационных свойств, с целью обеспечения надежности и долговечности материалов и изделий; 2. Установление закономерностей физико-химических и физико-механических процессов, происходящих на границах раздела в гетерогенных структурах; 6. Разработка и совершенствование методов исследования и контроля структуры, испытание и определение физико- механических и эксплуатационных свойств материалов на образцах и изделиях; 11. Развитие методов прогнозирования и оценка остаточного ресурса материалов в машиностроении. Достоверность полученных результатов определяется использованием при проведении экспериментов современных методов исследований, новейших измерительных приборов и аппаратуры, а также воспроизводимостью и непротиворечивостью результатов, полученных различными методами, и обеспечена применением широко известного математического аппарата; корректностью постановки задач; удовлетворительным совпадением результатов исследований с данными других авторов. Эксперименты проведены с должным количеством испытаний с использованием статистических методов оценки погрешности измерения. При математическом моделировании использованы лицензионные программные пакеты Siemens NX и ANSYS. Личный вклад автора заключается в формулировании задач, подготовке исходных материалов, проведения экспериментов, обобщении экспериментальных данных и сопоставлении их с известными литературными данными, формулировании выводов по результатам исследований. Все результаты, приведенные в диссертации, получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии. Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на: IX Международном Конгрессе «Цветные металлы и минералы-2017», г. Красноярск, 11–15 сентября 2017 г.; Международном семинаре «Комплексное оснащение лабораторий контроля качества», г. Санкт-Петербург, 18 апреля 2018 г.; VIII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Жизненный цикл конструкционных материалов (от получения до утилизации)», г. Иркутск, 26–28 апреля 2018 г.; Международной конференции «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» 21–26 Мая 2018 г.; Международной научно-практической конференции «Байкал 2018», Ольхонский район, 11–20 июня 2018 г.; 13 Международная конференция «Современные проблемы машиностроения», г. Новосибирск, 12 - 14 декабря 2018 г.; IX Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Жизненный цикл конструкционных материалов (от получения до утилизации)», г. Иркутск, 24–26 апреля 2019 г.; X Международной научно-практической конференции «Транспортная инфраструктура Сибирского региона», г. Иркутск, 21 – 24 мая 2019 г.; X Международной научно-технической конференции «Инновации в машиностроения», г. Кемерово, 26 – 29 ноября 2019 г. Публикации: Основные результаты работы по теме диссертации освещены в 22 работах, из них в изданиях, рекомендованных ВАК – 2, индексируемых в Scopus и Web of Science – 6. Структура и объем работы. Работа содержит 248 страниц основного текста, 145 рисунков и 15 таблиц. Состоит из оглавления, введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 270 наименований.