Размещено на http://allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів

УДК 699.018.62:(621.791.44:669.15 - 194.2)

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

СТРУКТУРА ТА ТРІЩИНОУТВОРЕННЯ РОБОЧИХ ПОВЕРХОНЬ ЗМІЦНЕНИХ БАНДАЖІВ

ЗАЛІЗНИЧНИХ КОЛІС

Спеціальність 05.16.01. «Металознавство та термічна обробка металів»

ВАЛЕВИЧ Марина Леонідівна

Київ - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім.Є.О. Патона НАН України

Науковий керівник: доктор технічних наук, провідний науковий співробітник Маркашова Людмила Іванівна, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, м. Київ, завідувач лабораторії

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Шипицин Сергій Якович, Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, м. Київ, завідувач відділом

кандидат технічних наук Гриненко Катерина Михайлівна, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут» МОН України, м. Київ, доцент

Захист відбудеться "17".12.2009 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.232.01 при Фізико-технологічному інституті металів та сплавів НАН України за адресою: 03680, м. Київ-142, МСП, бульвар Вернадського, 34/1, тел. 424-04-50

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ФТІМС НАН України за адресою: м. Київ, бульвар Вернадського, 34/1.

Автореферат розісланий "11" 11.2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.232.01.

доктор технічних наук М.І. Тарасевич

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В наш час для підвищення ефективності виробництва особливе значення набувають проблеми надійності й довговічності машин і механізмів, економного використання матеріалів, енергії й трудових ресурсів. Проблема зниження зносу залізничної техніки стоїть як не можна гостро внаслідок різкого скорочення випуску запасних деталей, а також граничного зносу самих технічних засобів.

За останні роки на залізницях різко зросло зношення гребенів колісних пар рухомого складу й бічної грані рейок. Зношення гребеня росте швидше прокату колеса приблизно в 1,5-3 рази, а загальне зношення перевищує встановлені норми в 5-15 раз. Причини цього явища остаточно не встановлені, тому що проблема бічного зношення пов'язана з неконтрольованою зміною ряду зовнішніх, експлуатаційних факторів - верхньої будови колії та стану рухомого складу, а також структурних параметрів матеріалу, що зазнає навантаження. Шляхи збільшення ресурсу працездатності колісних пар, а точніше, гребеня й частини поверхні круга катання коліс за рахунок оптимізації профілю обточування коліс, лубрикації й локального поверхневого зміцнення давно й широко обговорюються фахівцями. тріщиноутворення механічний колесо

На сьогоднішній день використовують технології загартування плазмою, струмами промислової й високої частот, лазером і наплавлення. Порівняння різних способів зміцнення показало, що загартування струмами високої частоти знижує тріщиностійкість матеріалу, а використання лазерного загартування є для умов депо екзотичним і занадто дорогим процесом. Тому, для подальшого впровадження на залізницях був прийнятий саме плазмовий варіант обробки поверхні. Технологія плазмового поверхневого загартування дозволяє одержувати твердий поверхневий шар заданої глибини й ширини, забезпечуючи при цьому високу зносостійкість зміцненого шару при експлуатації загартованих бандажів без погіршення роботи рейок.

Враховуючи наявну в літературі обмежену й суперечливу інформацію з даної проблеми і її надзвичайну актуальність, становить інтерес проведення більш детальних досліджень (від макрорівня до дислокаційного) можливих причин тріщиноутворення в поверхневих шарах металу бандажів колісної сталі після плазмової поверхневої обробки, технологічних впливів і експлуатаційних навантажень, а також виявлення факторів, при яких такі тріщини блокуються.

Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у відділі фізико-хімічних досліджень матеріалів Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за планами науково-дослідницьких робіт: тема 22/33 «Розробка методології, проведення досліджень та оцінка деградації структури, фазового та хімічного складу конструкційних сталей після тривалої експлуатації в складних умовах» (ДР № 0207U002167); тема 22/28 «Дослідити особливості структури та фазові перетворення в металевих матеріалах і зварних з'єднаннях, у залежності від зварювальних циклів з використанням системи імітації»; тема 1.6.1.22.3 (22/3): «Дослідження фізико-хімічних процесів, які формують хімічну, структурну неоднорідності та зародження нових фаз, що впливають на міцність, утворення тріщин та руйнування зварних з'єднань, покриттів та злитків» (ДР № 0106U011369); тема 1.6.1.6.21.22.29 (4.6) «Отримання та дослідження характеристик мікрокристалічних матеріалів, які сформовані високоенергетичним плазмовим струменем» (ДР № 0107U003297). У процесі виконання цих робіт здобувач брав активну участь у розробці плану досліджень, підготовці і проведенні експериментів, обробці й узагальненні результатів.

Мета роботи: Встановити закономірності структурно-фазових змін у робочих поверхнях бандажів залізничних коліс з урахуванням впливу зовнішніх експлуатаційних умов і режимів зміцнюючої плазмової поверхневої обробки, які забезпечують тріщиностійкість та необхідні механічні властивості.

Задачі дослідження:

1. Дослідити на різних структурних рівнях (зеренному, дислокаційному) особливості структурно-фазових змін у приповерхневих шарах робочих поверхонь бандажів коліс залежно від режимів плазмового поверхневого загартування та експлуатаційного наклепу.

2. Методом математичного моделювання дослідити (на макрорівні) тепловий та термонапружений стан робочої частини залізничних коліс при локальному поверхневому загартуванні.

3. Провести локальні прецизійні дослідження з метою вивчення умов формування концентраторів внутрішніх напружень і тріщиноутворення в робочих поверхнях бандажів.

4. Вивчити вплив технологічних режимів на властивості міцності (_т) і пластичності (К_1с) залізничних коліс залежно від параметрів структур, що формуються в робочих поверхнях бандажів.

5. Оптимізувати режими зміцнюючої плазмової обробки з метою підвищення зносостійкості й експлуатаційної надійності залізничних коліс.

Об'єкт досліджень. Плазмове поверхневе зміцнення та експлуатаційний наклеп найбільш проблемних зон робочих поверхонь бандажів залізничних коліс (гребінь, поверхня катання, область переходу від поверхні катання до гребеня).

Предметом дослідження є мікроструктура та механічні властивості приповерхневих шарів бандажів в області контакту з рейкою, структурно-фазові зміни в областях робочих поверхонь бандажів коліс при різних технологічних і експлуатаційних впливах.

Методи досліджень: експериментальні методи фізичного металознавства - світлова мікроскопія (кількісна металографія); мікрорентгеноспектральний аналіз; аналітична растрова (з характеристичним випромінюванням) та мікродифракційна просвічуюча електронна мікроскопія; методи статистичної обробки результатів експериментів для: визначення параметрів структурних складових, розмірів та об'ємної частини дисперсних фаз; кількісних оцінок локального розподілу елементів у площині досліджуваних зразків, визначення скалярної щільності дислокацій; оцінки локалізованої деформації; та визначення рівня локальних внутрішніх напружень й механічних характеристик досліджуваних об'єктів (_т, К_1с тощо) для аналітичних оцінок ключових механічних характеристик робочих поверхонь.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Встановлені структурні та технологічні причини зародження та розповсюдження тріщин на поверхні катання в області експлуатаційного наклепу бандажів та уточнена глибина їх розповсюдження. Показано, що причинами виникнення тріщин є розкатані неметалеві включення, градієнтні грубопластинчасті структури металу та формування в цих зонах різких градієнтів по дислокаційній щільності ( від 210¹⁰до 410¹¹см^-2) та внутрішніх напружень (_вн 370…7392 МПа).

2. Встановлені структурні зміни в поверхневих шарах бандажів в залежності від температурних режимів плазмового зміцнення. Показано, що найбільш оптимальною з точки зору експлуатаційних якостей є дрібнозерниста мартенситно-сорбітна структура без неоднорідностей у розподілі фаз, щільності дислокацій ( від 610¹⁰до 910¹⁰см^-2) та локальних внутрішніх напружень (_вн 1109…1663 МПа), яка формується при температурах (Т1300⁰С), що забезпечує необхідну твердість поверхні гребеню бандажів коліс 420…430 НВ та зростання зносостійкості у 2,5 - 3 рази.

3. Вперше встановлені структурні причини руйнування поверхні колеса при відновлюючому плазмовому зміцненні зношеного профілю. Показано, що причиною крихких зламів та руйнування є формування у поверхневих шарах видовжених смугових структур з мінімальною об'ємною щільністю дислокацій з середини смуг та чітко визначеними міжсмуговими висококутовими границями, які виникають внаслідок неприпустимого зміщення температурного впливу плазмотрону в зону експлуатаційного наклепу.

4. Розроблено новий метод аналітичної оцінки механічних властивостей міцності (_т) та пластичності (К_1с) у різних зонах робочих поверхонь бандажів коліс відносно властивостей основного металу, який базується на урахуванні вкладу різних структурних параметрів металу на зміну механічних властивостей в робочих зонах, що досліджуються. Розроблений метод дозволяє виявити структурні параметри, які призводять як до зниження, так і до підвищення властивостей робочих поверхонь металу бандажів для подальшого коригування плазмового поверхневого загартування.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблена технологія бездефектного плазмового поверхневого зміцнення коліс рухомого складу (локомотивів і вагонів), впроваджена на підприємствах залізниці України (локомотивне депо «Львів-Захід», «Знаменка», «Харків», «Котовськ», «Казатин»,) Молдови (локомотивне депо «Бендери») та Латвії. Економія від впровадження такої технології для України може становити 20 мільйонів гривень на рік від однієї установки по зміцненню колісних пар, що було представлено у вигляді офіційної статті міністра транспорту України - генерального директора Укрзалізниці Кирпи Г.І. «Рейс у майбутнє», яка опублікована в газеті «ПРАВДА УКРАЇНИ» № 30 від 20 березня 2001 року.

Наукові результати та технологічні рекомендації, отримані при виконанні роботи, були впроваджені при розробці технологічної інструкції по поверхневому плазмовому зміцненню гребенів колісних пар тягового рухомого складу, розробленою корпорацією «УКРСПЕЦТЕХНОЛОГІЇ», а також при розробці системи управління напівавтоматичної лінії для плазмового поверхневого зміцнення колісних пар УВПЗ-2М, товариством з обмеженою відповідальністю «Науково-технічний центр ПЛАЗЕР».

Особистий внесок здобувача. При особистій участі автора були проведені:

- дослідження структурних, концентраційних і фазових змін у приповерхневих зонах робочих поверхонь бандажів коліс локомотивів залежно від режимів плазмового поверхневого нагріву та експлуатаційного наклепу [2-16];

- математичне моделювання теплового й термонапруженого стану поверхонь для виявлення закономірностей зміни температур і рівня головних залишкових напружень у різних зонах поверхонь бандажів залізничних коліс [1,5,7,8,9,11,14,15];

- оцінки властивостей міцності (_т), коефіцієнта інтенсивності напружень (К_1с) і зміна механічних характеристик робочих поверхонь у порівнянні із властивостями основного металу бандажів коліс [12,13,15].

Аналіз і узагальнення результатів роботи проводилися як самостійно, так і за участю співавторів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на I, II, III, IV Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених «Зварювання й споріднені технології» (Київ, ІЕЗ ім. Е.О. Патона НАНУ 2001, 2003, 2005 і 2007 р.), на міжнародних математичних конференціях «Математичне моделювання й інформаційні технології у зварюванні й споріднених процесах» (Київ, 2006 р, Кацівелі 2008 р), на 6-й міжнародній конференції «Механіка контакту й властивості системи рейка/колесо» (Гетеборг, Швеція, 2003 р).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 16 робіт, з них 4 статті у фахових журналах, затверджених ВАК України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, загальних висновків і списку літератури з 231 найменувань. Робота містить 181 сторінку друкованого тексту, 40 таблиць і 65 малюнків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета й завдання, які необхідно розв'язати в процесі досліджень, наведені наукові й практичні результати роботи.

Перший розділ присвячений аналізу відомих раніше робіт, у яких вивчалися основні причини підвищеного зношення бандажів коліс локомотивів рухомого складу, а також способи його зменшення. У розділі проводився аналіз різних способів зміцнення робочих поверхонь концентрованими джерелами енергії.

Показано, що найкращі результати досягаються при застосуванні плазмово-полум'яного зміцнення. Однак, рекомендація на зміцнення повинна бути дана із застереженням - з урахуванням впливу плазмової обробки на напружено-деформований стан коліс, що перебувають після виготовлення в складнонапруженому стані. Показано, що важливість вивчення структурно-фазових змін в об'ємі й поверхневих шарах матеріалів, крім наукових аспектів, пов'язана з реальними практичними застосуваннями - це зміцнення найбільш напруженої частини колеса - його гребеня.

На підставі літературного огляду обґрунтована доцільність і необхідність подальших досліджень.

Другий розділ присвячений матеріалам і методикам експерименту. Виходячи з мети та поставлених завдань були визначені матеріали, апаратура та обрані методики для подальших досліджень.

У роботі застосовувався комплекс методів, які дають можливість виконувати дослідження на різних масштабних рівнях. Для вивчення структури та фазових складових приповерхневих шарів бандажів коліс у зоні контакту з рейкою, що формуються під дією комплексу різнорідних факторів, використовували металографічний аналіз, електронну растрову мікроскопію та просвічуючу електронну мікроскопію. Дослідження мікроструктури поверхневих шарів і основного металу бандажів коліс проводили за допомогою оптичних мікроскопів «Versamet - 2» і «Неофот - 32». Для виявлення структури були використані хімічні, електролітичні та іонні методи травлення.

Дослідження загального характеру розподілу хімічних елементів у досліджуваних зонах, визначення хімічного складу в локальних областях, наприклад, в області фазових виділень, а також вивчення структури поверхні зламу бандажів коліс використовували за допомогою аналітичної растрової електронної мікроскопії - скануючий електронний мікроскоп типу СЕМ - 515 фірми "Philips" (Голландія), оснащений енергодисперсним спектрометром системи "Link". Особливості розподілу дислокаційної структури та умови формування концентраторів внутрішніх напружень в поверхнях об'єктів вивчали при дослідженні тонких фольг методами просвічуючої мікродифракційної електронної мікроскопії на установці JEM - 200 CX фірми "JEOL" (Японія) при прискорюючій напрузі 200 кV.

У третьому розділі наведені виконані на базі математичного моделювання оцінки, які дають інформацію про розподіл (у макромасштабі, на глибині до 5000мкм) температурних полів, напружень і деформацій в проблемних ділянках робочих поверхонь бандажів залізничних коліс при локальному плазмовому загартуванні.

Для розрахунку напружено-деформованого стану робочих поверхонь використовувався метод кінцевих елементів в комбінації з алгоритмом екстраполяції Річардсона.

В результаті встановлені: характер зміни температури в ЗТВ бандажу (а); окружних напружень (б), окружних деформацій (в) та інтенсивності пластичних деформацій (г) по глибині досліджуваних зон,. Розрахунками також показано, що у процесі загартування бандажу поблизу поверхні виникають термічні напруження, які перевищують межу текучості матеріалу. Ці напруження можуть призводити до різкого зниження пластичності (до 2…3%), появи тріщин і крихкості матеріалу. Крім того, показано, що найбільший рівень залишкових напружень зберігається в робочій області бандажів - в області переходу від поверхні катання до гребеня колеса.

Для встановлення істинних структурних і технологічних причин зародження і розповсюдження тріщин та уточнення глибини області їх локалізації в металі приповерхневих шарів бандажів були проведені більш детальні дослідження на різних структурних рівнях (від зеренного до дислокаційного). Оскільки причиною тріщиноутворення можуть бути температурні режими плазмового поверхневого загартування, були виконані дослідження структурних змін поверхневих шарів металу бандажів коліс у температурному діапазоні обробки від 1100 до 1400⁰С.

Виконана кількісна оцінка рівня локальних внутрішніх напружень (_вн) в залежності від структур, що формуються. При цьому, оцінки рівнів локальних внутрішніх напружень, їх градієнтів виконувались за залежністю = Gbh / (1 - ), де G - модуль зсуву; b - вектор Бюргерса ; h - товщина фольги; - коефіцієнт Пуассона; - щільність дислокацій.

Встановлено, що при максимальній температурі на поверхні 1400⁰С в зоні термічного впливу (ЗТВ, глибина до 2300 мкм від зовнішньої поверхні до основного металу) відбувається зменшення значень мікротвердості від 10060 до 2860 МПа, а твердість по Бринелю складає 820 НВ. Крім того, спостерігається перерозподіл об'ємної частки структурних складових: формується мартенситно-трооститна структура за рахунок зменшення об'ємної частки мартенситу та збільшення трооститу.

Тріщини в ЗТВ розповсюджуються переважно перпендикулярно поверхні на глибину () до 100 мкм. При цьому, статистичним аналізом показано, що в досліджуваній поверхневій зоні 80…90% мікротріщини спостерігаються на глибині () до 20 - 40 мкм, і лише 10% - до 160 мкм. Поширення тріщин відбувається частково по границях блоків мартенситу, частково по тілу зерна. При цьому, гальмування тріщин спостерігається переважно в мартенситній області, а в мартенситно-троститній області тріщини не виявляються.

Встановлено також, що форма тріщин пов'язана з утворенням гартівних (нерівноважних) структур, які призводять до напруженого стану поверхні (має місце перегартування металу). Дослідженнями тонкої структури на просвіт показано, що саме у приповерхневих шарах металу ( до 100 мкм) в мартенситних структурах формуються різкі градієнти по дислокаційній щільності ( від 610¹⁰ до 4,510¹¹см^-2) та, відповідно, локальним внутрішнім напруженням (_вн 1109…8400 МПа), які і стають причиною тріщиноутворення.

Таким чином, було встановлено, що при температурному режимі 1400°С («перегрів поверхні») спостерігається найбільш різкий градієнт по щільності дислокацій і локальних внутрішніх напружень (останні наближаються до значень теоретичної міцності (_теор)).

В разі зниження термічного впливу (Т_пов 1100⁰С) в поверхневих шарах металу (на глибині до 1500…2000 мкм) спостерігається зменшення мікротвердості до 3000 МПа (при 2200 МПа в основному металі), а також формування дрібнодисперсних карбідів у внутрішніх об'ємах феритної матриці. Відсутність мартенситних структур обумовлена значним підвищенням швидкості нагріву поверхні коліс при незначній тривалості витримки в області температур Ac₁-Ac₃.

Дослідження методом трансмісійної електронної мікроскопії доводять, що розподіл дислокацій в поверхневих шарах металу достатньо рівномірний ( від 410¹⁰ до 610¹⁰ см^-2), та різких градієнтів по щільності дислокацій і локальним внутрішнім напруженням не спостерігається. При температурних режимах 1100єС («недогрів поверхні») хоч і формуються дрібнодисперсні порівняно рівномірні структури, однак вони не призводять до зміцнення поверхневих шарів (низькі значення твердості).

В умовах температурних режимів 1300°С (оптимальні режими плазмової обробки) дрібнодисперсна рівноосьова мартенситно-сорбітна структура з мінімальною величиною зерна (Д_з 3…5 мкм) забезпечує відносно рівномірний розподіл внутрішніх напружень (_вн) в поверхневих шарах без різких їх градієнтів. При цьому, твердість на поверхні складає 420 НВ…430 НВ, що з точки зору працездатності пари колесо/рейка враховується оптимальним.

У четвертому розділі наведено результати досліджень причин тріщиноутворення в області експлуатаційного наклепу на поверхні катання. Виявлені в приповерхневій зоні мікротріщини в деяких випадках співпадають по глибині ( 30…70 мкм), розташуванню (паралельно зовнішній поверхні), та хімічному складу з неметалевими включеннями (НВ: Fe - Mn - S ), але мають при цьому більшу протяжність (l до 350 мкм). Фрактографічним аналізом характеру руйнування доведено, що на площині катання виявляються ділянки крихкого зламу, які пов'язані з наявністю протяжних неметалевих включень. В інших випадках склад внутрішнього об'єму тріщин практично аналогічний складу основного металу. При цьому, ділянки крихкого зламу пов'язані з зонами, де відбувались різкі зміни структур (грубопластинчатий перліт/феритні облямівки ).

Дослідження тонкої структури в зоні тріщиноутворення ( до 100 мкм) дозволили виявити додаткові структурні фактори, що сприяють утворенню тріщин. І у випадку тріщиноутворення в області протяжних неметалевих включень, і у випадку наявності зон сполучення крупнозернистих жорстких та м'яких структурних складових спостерігається формування різких градієнтів по дислокаційній щільності і локальних внутрішніх напружень, рівень яких досягає значень теоретичної міцності. Локалізація деформації в цій зоні (_Л) складає 40%.

Таким чином, при співставленні структурних і оцінних факторів встановлено, що тріщиноутворення багато в чому залежить не тільки від чистоти металу по неметалевим включенням, але й від розміру та морфології структурних складових металу. В основному, саме в цих ділянках зафіксоване формування й поширення тріщин.

У п'ятому розділі розглянуті причини тріщиноутворення та руйнування робочих поверхонь бандажів коліс, що проявляються при відновлюючому плазмовому зміцненні зношеного профілю. Оскільки, причиною руйнування може бути вплив температурного поля плазмотрону (що змінюється від максимальних до мінімальних значень по мірі віддалення від плями нагріву) на структурний стан поверхонь зношеного профілю (І область гребня зі структурою без наклепу; ІІ область експлуатаційного наклепу; ІІІ область термодеформаційного впливу, що виникає внаслідок зміни геометрії профілю).

В області (І), яка прилягає до температурного джерела (рис 11,а), формуються дрібнодисперсні структури і це є наслідком протікання початкових стадій рекристалізації. Причому, така структура під впливом джерела нагріву формується по всій глибині: від поверхні до основного металу ( до 1600 мкм).

В області експлуатаційного наклепу (зона ІІ, рис 11,б), яка піддалася мінімальному температурному впливу, спостерігаються структури деформації з формуванням дрібнодисперсних субструктур - блоків, фрагментів, осередків ( 0,2…0,3 мкм) з підвищеною щільністю дислокацій ( має порядок 510⁹…410¹⁰ см-²). Причому, розподіл щільності дислокацій порівняно рівномірний, значних градієнтів по щільності дислокацій не спостерігається. Таким чином, в зоні експлуатаційного наклепу при мінімальному температурному впливі не провокуються процеси тріщиноутворення.

Для металу зони термодеформаційного впливу (ІІІ ), що утворюється у випадку більш високої температури при нагріванні плазмотроном на область експлуатаційного наклепу, спостерігається формування особливого типу структур - чітко виражених протяжних смуг з мінімальною щільністю дислокацій у внутрішніх об'ємах ( має порядок 510⁹…410¹⁰ см-²) і максимальною щільністю зернограничних дислокацій ( має порядок 4,510¹¹ см-²), а, відповідно, локальних внутрішніх напружень вздовж смугових границь. Саме в зоні ІІІ накладання області температурного впливу на область експлуатаційного наклепу виявляються мікротріщини типу «риб'ячої луски», які і провокують формування і розповсюдження магістральних тріщин. Крім того, фактором, що посилює процес утворення тріщин є різка зміна орієнтації смуг по мірі переходу до основного металу, що супроводжується змінами внутрішніх напружень - від напружень розтягнення до напружень стискання.

Виконана аналітична оцінка впливу конкретних структурних параметрів на зміну механічних властивостей міцності і пластичності (_т, К_1с) робочих поверхонь (що піддалися експлуатаційному наклепу, температурному плазмовому зміцненню тощо), що дозволяє технологічно (за рахунок формування оптимальних структурно-фазових параметрів) забезпечувати надійні експлуатаційні властивості залізничних коліс.

Основою розрахунків є кількісні співвідношення (залежності Холла-Петча, Зегера, Орована та ін), які дають можливість оцінити внесок різних механізмів зміцнення залежно від діючих факторів та структурних параметрів - впливу легування (% С); щільності дислокацій (); розміру зерна (Дз), субзерна (dc), розподілу та розмірів фазових виділень.

Границю текучості розглядали як суму компонентів: ₀ - опору гратки металу (напруження тертя гратки або напруження Пайєрлса -Набарро); _т.р.- зміцнення твердого розчину легуючими елементами і домішками, відповідно до теорії Мотта-Набарро; _з, _с - зміцнення за рахунок зміни величини зерна і, відповідно, до залежності Холла -Петча, що зв'язує розмір зерна і субзерна з опором деформації ; _п - зміцнення за рахунок перліту (для сталі з феритною основою), пов'язану з часткою перліту (%) в сталі; _д - дислокаційного зміцнення, обумовленого міждислокаційною взаємодією, відповідно до теорій Тейлора, Зегара, Мотта, Хірша, що характеризує пластичну деформацію, яка супроводжується утворенням нових дислокацій і іх розподілом (щільністю); _ду - зміцнення за рахунок дисперсних часток по Оровану (дисперсійне зміцнення некогерентними частинками, розташованими на відстані, що перевищує їхній радіус). На прикладі аналітичної оцінки зміні границі текучості по глибині металу ( 0…300 мкм) у проблемних областях робочих поверхонь бандажів коліс в умовах відновлюючого зміцнення зношеного профілю, виявлено наступне.

В зоні (І) максимального температурного впливу при плазмовому загартуванні робочих поверхонь бандажів коліс максимальне зміцнення у приповерхневих шарах (на глибині до ~ 115…400 мкм) пов'язане з формуванням дрібнозернистої структури (D_з до ~ 1…2 мкм) в процесі рекристалізації, _з~730…800 МПа, а об'ємна частка цього зміцнення - 65 % від величини загального зміцнення у цій зоні.

Зона (ІІ) експлуатаційного наклепу робочих поверхонь бандажів коліс (з мінімальним впливом температури). Основне збільшення границі текучості (_т) забезпечується переважно за рахунок дислокаційного й зеренного зміцнення, що становить ~ 400…560 і 300…360 МПа відповідно на глибині 0…300 мкм від поверхні. Сумарне (інтегральне) зміцнення, обумовлене структурним станом металу в досліджуваній області становить 1246…1479 МПа та плавно зменшується до 600…800 МПа в основному металі.

Зона (ІІІ) накладання високотемпературного нагріву на область експлуатаційного наклепу (термодеформаційного впливу). Щільність дислокацій не дає значного внеску в зміну границі текучості, а найбільш істотне по величині зміцнення (до 590 МПа) забезпечується переважно за рахунок зеренного зміцнення (смуги деформації), таблиця №1.

Таблиця №1

Внесок структурних параметрів в приріст межі текучості _т по глибині металу бандажів коліс в ділянці термодеформаційного впливу

Структурні параметри	Область термодеформаційного впливу
	Зміна структури металу від поверхні по глибині, мкм
	15…30 мкм	115…145 мкм	345…395 мкм	565…645 мкм	3565 мкм	Осн ме
Дз, мкм	2…3 (4)	1,5	2,5…3	2,5…4	Дзф=10 Дзп=7,5…10	Дзф=10…20 Дзп =7…12
dc, мкм	(0,2) 0,4…0,8 (1,0)	0,2…0,4 (50%)	0,2…0,6 (%)	0,4…1 (%)	1…2	1,3…3,2
dч, мкм	0,05…0,1	0,1…0,3	0,3…0,7	0,5…1,2	-	-
lч,мкм	0,1…0,5	0,2…0,4	0,4…0,6	0,6…1,3	-	-
р, см-2	4*1011..8* 1011	2*1010…4* 1010	2*1010…4*1010	2*1010	2*1010…1010	4*109…8*109(1010)
%П	-	-	-	-	40%	50%
Зміцнення, обумовлене структурними параметрами, т
0, МПа	16,8	16,8	16,8	16,8	16,8	16,8
т.р, МПа.	107,85	107,85	107,85	107,85	107,85	107,85
З, МПа	363 …440	593…514 (460)	438	363	230…257	200
П, МПа	-	-	-	-	144	168
С,,МПа	200…375	(50%-375) (70%-525	250	135…188	75…150	50…115
Д, МПа	(400) 489… 565	89…126	89…126	89	63…89	40…63
Ч, МПа	188…327	188…225	135…188	106…135	-	-
Т, МПа	1276…1832 ср =1491	1237…1594 ср=1415	1037…1127 ср=1082	818…900 ср=859	637…765 ср = 701	546…701 ср= 623

Сумарне (інтегральне) зміцнення, обумовлене структурним станом металу в досліджуваній області становить 1246…1479 МПа та плавно зменшується до 600…800 МПа в основному металі.

Аналітична оцінка в'язкості руйнування областей робочих поверхонь бандажів. Оцінка та прогнозування властивостей пластичності виконувалась по залежності Крафта, в який К_1с зв'язується з величиною критичного розкриття тріщини (_t) з урахуванням механізму її поширення.

Для розрахунку коефіцієнта інтенсивності напруження К_1с були використані експериментальні дані фрактографічного аналізу зламів: розмір ямок на поверхні руйнування (d_я), значення яких сумірні зі значеннями _t, а також дані субструктурних елементів, отримані при електронно-мікроскопічних дослідженнях тонкої структури.

Як свідчить аналіз діаграми конструктивної міцності, побудований на основі проведених оцінок, таблиця №2, де витягнуті області овального типу характеризують рівень міцності для конкретних областей робочих поверхонь, оптимальні значення міцності (у_т) і пластичності (К_1С) спостерігаються для області І (зона температурного впливу плазмового зміцнення).

Таблиця 2

Зміна механічних властивостей міцності та пластичності (_т, К_1с) у робочих поверхнях бандажів коліс у порівнянні з основним металом

Механічні властивості міцності і пластичності (т, К1с)	(I, Трекр)	(III,Тп+)	(II, )
	Величина критичного розкриття тріщини, t, мкм
	Dз	hпл. Fe3C	ч Fe3C
	1…3	0,2…0,6	0,2…1,3
Разрахункове зміцнення т, МПа	max	1289	1594	1409
	середне	1182	1415	1246
	min	1076	1237	1084
К1с, МПам1/2	max	18,4…32	9,2…16	8,6…22
	середне	17,7…31	8,6…15	8,1…20,7
	min	17…29,2	8,1…14	5,7…19,3
Поріг міцності 0,2, МПа	600…800 (випробування осн. ме.)
К1с, МПам1/2	15…44 (літературні дані) / 40…46 (розрахунок осн.ме.)

Останнє призводить до реалізації в'язкого механізму руйнування приповерхневих шарів металу, що підтверджує утворення дрібнодисперсної зеренної структури в результаті плазмової поверхневої обробки.

Однак, для областей ІІ (зона експлуатаційного наклепу) і ІІІ (зона термодеформаційного впливу) поряд з градієнтом по _т між основним металом і поверхнею (1600…800 МПа), відповідно має місце і зниження параметрів в'язкості руйнування К_1С (22 і 16 МПам^1/2), що в ряді випадків (область ІІІ) може призвести до зародження і розвитку тріщин.

Одержані результати дозволили скорегувати технологію плазмової обробки коліс, що забезпечує підвищення їх твердості, зносостійкості (в 2,5 - 3 рази) і експлуатаційної надійності за рахунок формування в поверхневому шарі найбільш оптимальних структур - дрібнозернистих мартенситно-сорбітних без різких градієнтів по розподілу фаз і щільності дислокацій.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Методом математичного моделювання теплового й термонапруженого стану робочих поверхонь залізничних коліс в "макромасштабі" (на глибині 5000 мкм) встановлено, що причиною зниження пластичності (до 2…3%) і появи приповерхневих тріщин є гартівні термічні напруження, які перевищують границю текучості.

2. Прецизійними методами дослідження уточнена глибина ( до 100 мкм) областей тріщиноутворення робочих поверхонь бандажів залізничних коліс і встановлені структурні причини їх виникнення в залежності від температурних умов зміцнення, експлуатації та відновлюючого зміцнення зношеного профілю.

3. Показано, що при температурних режимах плазмового зміцнення схильність до тріщиноутворення зростає при переході до температурних режимів, що сприяють формуванню грубопластинчатих (мартенситно-трооститних) структур, які відрізняються різкими градієнтами по дислокаційній щільності ( від 810⁹ до 4,510¹¹ см^-2) і, відповідно, локальним внутрішнім напруженням (_вн 546…8400 МПа).

4. В умовах експлуатаційного наклепу причинами тріщиноутворення в приповерхневих шарах є розкатані неметалеві включення (на глибині до 100 мкм); наявність зон сполучення крупнозернистих жорстких і м'яких структурних складових (грубопластинчаті цементит/ферит тощо), вздовж яких формуються протяжні області і рівень локальних внутрішніх напружень досягає значень теоретичної міцності та локалізації деформації (_л 25… 40%).

5. Причиною тріщиноутворення та руйнування поверхонь при відновлюючому зміцненні зношеного профілю є формування протяжних смугових структур з мінімальною щільністю дислокацій у внутрішніх об'ємах та чітко вираженими дислокаційними границями, що відбувається вразі зміщення температурної зони нагріву плазмотрону в область експлуатаційного наклепу.

6. Виявлені основні структурні фактори, що визначають зміну властивостей міцності (у_т) і пластичності (К_1С) при технологічних режимах плазмового зміцнення та умов експлуатації в робочих поверхнях бандажів залізничних коліс відносно властивостей основного металу. Показано, що в зоні експлуатаційного наклепу найбільше зміцнення в загальний рівень міцності (_т) вносить дислокаційне зміцнення(_д 40%). При режимах плазмового поверхневого загартування максимальним є зеренне зміцнення (_з 65%), високий рівень в'язкості та тріщиностійкості (до 32 МПам^1/2, тобто 72% від рівня в'язкості основного металу) поверхонь досягається за рахунок подрібнення (Д_з до 1…3 мкм) зеренної структури, що дозволяє враховувати формування оптимального структурно-фазового стану в поверхнях при виборі раціональних температурних режимів.

7. Одержані результати дозволили скорегувати технологію плазмової обробки коліс, що забезпечує підвищення їх твердості, зносостійкості (в 2,5 - 3 рази) та експлуатаційної надійності за рахунок формування в поверхневому шарі найбільш оптимальних структур - дрібнозернистих мартенситно-сорбітних без різких градієнтів по розподілу фаз і щільності дислокацій.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Тепловое и термонапряженное состояние железнодорожных колес при локальной поверхностной закалке / Б.С Карпинос., В.Г. Барило, С.В Петров [и др.] // Проблемы прочности. - 2004. - № 3. - С. 112-123.

2. Особенности структуры поверхностных слоев металла бандажей железнодорожных колес после плазменной обработки / Л.И. Маркашова, Г.М. Григоренко, М.Л. Валевич [и др.] // Автоматическая сварка. - 2005. - № 1. - С. 22 - 25.

3. Взаимосвязь структуры и физико-механических свойств поверхностных слоев бандажей колес при пламенной обработке / Л.И. Маркашова, Г.М. Григоренко, С.В. Петров [и др.] // Современная Электрометаллургия. - 2005. - №4. - С. 41- 48.

4. Про причини тріщиноутворення в металі бандажів коліс локомотивів / Л.І Маркашова, М.Л Валевич, Г.М Григоренко [та ін.] // Металознавство та обробка металів.-2006.- № 3. - С. 14 -19.

5. Petrov S.V., Saakov A.G., Markashova L.I., Valevich M.L. // Proceedings 6^th International Conference on Contact Mechanics and Wear of Rail/Wheel Systems (CM 2003) in Gothenburg, Sweden. Editors Anders Ekberg, Elena Kabo, June 10-13, 2003, P. 535 - 540.

6. Особенности структур поверхностных слоев металла бандажей колес, образующихся при плазменной упрочняющей термообработке: сборник тезисов докладов I Всеукраинской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов [«Сварка и родственные технологии»], (Ворзель, 22-24 мая 2001г) / ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ. - К.: Киев, 2001. - .65 с.

7. Структура и физико-механические свойства приповерхностных слоев колесной стали, формирующиеся при различных термодеформационных условиях обработки бандажей: сборник тезисов докладов II Всеукраинской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов [«Сварка и родственные технологии»], (Ворзель, 25-27 июня 2003 г.) / ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ. - К.: Киев, 2003. - 96 с.

8. Тепловое и термонапряженное состояние железнодорожных колес при локальной поверхностной закалке: сборник тезисов докладов III Всеукраинской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов [«Сварка и родственные технологии»], (Ворзель, 25-27 мая 2005 г.) / ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ. - К: Киев, 2005. - 116 с.

9. Causes for Formation of Stresses and Fractures of Railway Wheels in Local Surface Hardening: аbstracts of Papers 3^rd International Conference [«Mathematical Modelling and Information Technologies in Welding and Related Processes»], (Kiev, 6-8 June. 2006) / E.O Paton Electric Welding Institute. - К.: Kiev, 2006. - 100 р.

10. О причинах разрушения металла бандажей колес локомотивов: сборник тезисов докладов IV Всеукраинской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов [«Сварка и родственные технологии»], (Ворзель, 25-27 мая 2007 г.) / ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ. - К: Киев, 2007. - 86 с.

11. О взаимосвязи структуры и термонапряженного состояния приповерхностных слоев железнодорожных колес, обработанных плазмой: сборник тезисов стендовых докладов Междунар. конф. [«Сварка и родственные технологии - в третье тысячелетие»], (Киев, 24-26 нояб. 2008 г.) К.:Киев, 2008. - 156 с.

12. Методы аналитической оценки причин трещинообразования рабочих поверхностей железнодорожных колес: материалы четвертой Международной конф. [«Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах»], (пос. Кацивели, Крым, 27-30 мая, 2008 г) / ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ.- К.: Киев, 2008. - 58 с.

13. Методы аналитической оценки причин трещинообразования на рабочих поверхностях железнодорожных колес: сборник трудов под ред. Профессора В.И. Махненко [четвертая Международная конф. «Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах»], (пос. Кацивели, Крым, 27-30 мая, 2008 г) / ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ.- К.: Киев, 2008. - 81-86 с.

14.Структурное, тепловое и термонапряженное состояния приповерхностных слоев железнодорожных колес, обработанных плазмой: тезисы докладов под ред. Академика НАНУ В.В. Скорохода [Международная конференция «HighMatTech» ], (Киев, 15-19 октября, 2007 г) / Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины - К.: Киев, 2007. - 527 с.

15. Structure and Crack Resistance of Working Surfaces of Railway Wheel Treads Strengthened by Plasma: abstracts of Papers 4^rd International Conference [«Laser Technologies in Welding and Materials Processing»], (vil. Katsiveli, 26-29 May, 2009) / E.O Paton Electric Welding Institute. - К.: Kiev, 2009. - 36 - 37 р.

16. Structure and Wear Resistance of Tools and Machine Parts after Pulsed -Plasma Surface Treatment: abstracts of Papers 4^rd International Conference [«Laser Technologies in Welding and Materials Processing»], (vil. Katsiveli, 26-29 May, 2009) / E.O Paton Electric Welding Institute. - К.: Kiev, 2009. - 37-38 р.

АННОТАЦИЯ

Валевич М.Л. Структура и трещинообразование рабочих поверхностей упрочненных бандажей железнодорожных колес- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01 - «Металловедение и термическая обработка металлов» - Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев, 2009.

Диссертационная работа посвящена исследованию структурных и технологических причин трещинообразования в наиболее проблемных зонах рабочих поверхностей бандажей железнодорожных колес (гребень, поверхность катания, область перехода от поверхности катания к гребню) с учетом влияния эксплуатационных условий и режимов технологического упрочнения и представлены пути повышения их эксплуатационной надежности.

Методом математического моделирования теплового и термонапряженного состояния рабочих поверхностей (в «макромасштабе», на глубине до 5000 мкм) бандажей установлено, что причиной снижения пластичности (до 2…3%) и появления приповерхностных трещин являются закалочные термические напряжения, превышающие предел текучести.

Наибольший уровень остаточных напряжений сохраняется в рабочей области бандажей - в области перехода от поверхности катания к гребню колеса.

Комплексным исследованием, включающим оптическую металлографию, аналитическую растровую электронную микроскопию, фрактографический анализ характера разрушения, а также метод просвечивающей электронной микродифракционной микроскопии показано, что зоны с высоким уровнем внутренних напряжений и связанное с ними трещинообразование локализуются на глубине 100 мкм от поверхности.

Основными причинами зарождения трещин являются:

1- формирование в процессе эксплуатации в приповерхностных слоях бандажей на глубине до 100 мкм раскатанных, протяженной формы (l до 350 мкм) неметаллических включений сульфидного типа;

2 - наличие зон сопряжения «жестких и мягких» крупнозернистых структурных составляющих (например - феррит/перлит), способствующих образованию в этих зонах резких градиентов по дислокационной плотности ( от 10⁹ до 10¹²см^-2), локализации деформации (_л до 25.. 40%) и, соответственно, формированию высокого уровня (до G/10…G/12) локальных внутренних напряжений в этих зонах;

3 - изменение ориентации текстур деформации в рабочих поверхностях бандажа, что приводит к существенному изменению внутренних напряжений: от напряжений растяжения к напряжениям сжатия.

Изложен метод аналитической оценки механических свойств приповерхностных слоев рабочих поверхностей бандажей колес, основанный на учете конкретного вклада структуры металла в этих областях, который позволяет оптимизировать прочность и пластичность и тем самым повысить трещиностойкость материала.

Установлена причина трещинообразования и разрушения рабочих поверхностей бандажей колес при восстановительном упрочнении изношенного профиля: формирование протяженных полосовых структур с минимальной плотностью дислокаций во внутренних объемах и четко выраженными дислокационными границами, что происходит в результате смещения температурной зоны нагрева плазмотрона в область эксплуатационного наклепа.

В результате исследований рекомендован оптимальный технологический режим плазменной обработки бандажей колес, обеспечивающий требуемую из условий улучшенного контактного взаимодействия колесо-рельс твердость HV 4300 МПа рабочей поверхности гребня при равномерно распределенной равноосной мелкозернистой структуре, позволяющий продлить срок службы колес в 2,5…3 раза.

Ключевые слова: плазменная поверхностная закалка, гребни колес, бандаж, феррит, перлит, ферритные оторочки, троостосорбит, бейнит, фрактография, микротрещины, электронная микроскопия, дислокации, трещинообразование, внутренние напряжения, локальная деформация.

АНОТАЦІЯ

Валевич М.Л. Структура та тріщиноутворення робочих поверхонь зміцнених бандажів залізничних коліс - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.16.01 - «Металознавство та термічна обробка металів». - Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України, м. Київ, 2009.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню структурних та технологічних причин тріщиноутворення в найбільш проблемних зонах робочих поверхонь бандажів залізничних коліс (гребень, поверхня катання, область переходу від поверхні катання до гребеня) з урахуванням впливу експлуатаційних умов і режимів технологічного зміцнення, а також наведені шляхи підвищення їх експлуатаційної надійності.

Встановлена причина тріщиноутворення і руйнування робочих поверхонь бандажів коліс при відновлюючому зміцненні зношеного профілю: формування протяжних смугових структур з мінімальною щільністю дислокацій у внутрішніх об'ємах і чітко вираженими дислокаційними границями, що виникає в результаті зміщення температурної зони нагріву плазмотрону в область експлуатаційного наклепу.

Виконана аналітична оцінка впливу структурних параметрів на зміну механічних властивостей міцності і пластичності (_т, К_1с) металу робочих поверхонь (що піддалися експлуатаційному наклепу, температурному плазмовому зміцненню тощо), що дозволяє технологічно (за рахунок формування оптимальних структурно-фазових параметрів) забезпечувати надійні експлуатаційні властивості залізничних коліс.

В результаті досліджень рекомендований оптимальний технологічний режим плазмової обробки бандажів коліс, який забезпечує необхідну з умов покращеної контактної взаємодії колесо/рейка твердість 420…430 НВ робочої поверхні гребеня при рівномірно розподіленій рівноосьовій дрібнозернистій структурі, що дозволяє продовжити термін служби коліс в 2,5…3 рази.

Ключові слова: плазмове поверхневе загартування, гребені коліс, бандаж, ферит, перліт, феритні облямівки, троостосорбіт, бейніт, фрактографія, мікротріщини, електронна мікроскопія, дислокації, тріщиноутворення, внутрішні напруження, локальна деформація.

ABSTRACT

Valevich M.L. Structure and crack-formation of worked surface of railways weell streugthen truss - Manuscript.

Thesis for a candidate of technical sciences degree in speciality 04/16/01 - «Metal Science and Heat Treatment of metals» - Physico - Technical Institute of Metals and Alloys of the NAS of Ukraine, Kyiv, 2009.

Specific service conditions of railway transport involve problems associated with cracks formed in the wheel tread, the cause of which remains unclear as yet. Cracks may initiate in the process of long-time operation. Also, they may be formed after repair or thermomechanical treatment. The latter includes plasma surface hardening, which has been intensively employed lately.

The paper present results of investigations into the effect of surface hardening parameters on structural, thermal and thermally stressed states of railway wheel treads, as well as relationship of these factors with initiation and propagation of cracks.

The finite element method was used at the first stage of the investigations for calculation of the “macro-scale” stress-strain state, i.e. at a depth of 2-5 mm. The method was based on the theory of mitigated-mixed approximations combined with the Richardson extrapolation algorithm, which resulted in the detection of increased thermal stresses in the surface zone in excess of the yield stress value, thus raising the risk of cracking.

It is shown that tension of a tread may also lead to formation of tensile stresses in sub-surface layers of the tread in excess of the yield stress of a material. These stresses may cause fracture of the tread during cooling of a wheel after tension.

Application of comprehensive examinations, including optical metallography, analytical scanning electron microscopy, fractography of the character of fracture, as well as precision methods, which is the method of transmission electron micro-diffraction microscopy, allowed the depth of the cracking zone and causes of the cracks to be determined more specifically. It is established that the zones with a high level of internal stresses, as well as the associated crack formation, are localized at a depth of about 100 m from the surface. Also, it is shown that extended non-metallic inclusions (mostly of a sulphide type) directed parallel to the external surface, which are formed under the effect of surface cold-hardening, are one of the causes of formation and propagation of cracks in the sub-surface layers of the wheel tread metal. Another factor is the formation of gradients of dislocation density and local internal stresses (the value of the latter is close to the theoretical strength value) in the zones of co-existence of hard and soft structural components. The strain localized in the field of initiation of cracks is about 40 %.

The investigations conducted resulted in working out of the parameters of plasma treatment recommended for the wheel treads, which provide, compared with standard wheelset flanges, a 2.5-3.0 times decrease in the intensity of wear of the plasma treated wheelset flanges, which is required on the basis of conditions of improved contact interaction of wheels and rails.

Key words: microstructure, phase formation, structural parameters, sub-surface, fracture, hardening.

...