МЕХАНИЗМЫ УПРОЧНЕНИЯ РЕЛЬСОВОЙ СТАЛИ ПРИ СЖАТИИ
DOI:
https://doi.org/10.57070/2304-4497-2023-3(45)-58-71Ключевые слова:
кривая напряжение – деформация, рельсовая сталь, состав, дислокационная субструктура, механизмы укрепления, аддитивный предел текучести, электронная микроскопияАннотация
Деформационное упрочнение сталей – эффективный подход к изменению структурно-фазового состояния и свойств. Понимание механизмов образования структурно-фазовых состояний и свойств перлитной стали при пластической деформации имеет решающее значение для управления процессом деформационного поведения. Важность знаний в этой области обусловлена серьезными проблемами в области физического материаловедения, а также практическими последствиями применения перлитной стали, широко используемой в железнодорожной отрасли. В настоящее время существует большой интерес к пониманию общих зависимостей, характеризующих деформационное упрочнение. Этот интерес связан с возможностью разработки комплексной теории этого явления и исследования дислокационных механизмов, обусловливающих наблюдаемые кривые напряжение – деформация. Примечательно, что были достигнуты успехи в области физики прочности, в частности, в понимании дислокационной структуры бейнитных и мартенситных сталей. Эти достижения способствовали расширению понимания явлений деформационного упрочнения. В настоящей работе методом просвечивающей электронной микроскопии изучена эволюция структурно-фазовых состояний и дислокационной субструктуры рельсовой стали при одноосном сжатии до степени 50 %. Полученные данные легли в основу количественного анализа механизмов упрочнения рельсовой стали при степенях деформации сжатием 15, 30 и 50 %. Проведена оценка вклада в упрочнение, обусловленного трением решетки матрицы, дислокационной субструктурой, наличием карбидных частиц, полями внутренних напряжений, твердорастворным и субструктурным упрочнением, перлитной составляющей структуры стали. С использованием принципа адаптивности, предполагающего независимое действие каждого из механизмов упрочнения, оценена зависимость прочности рельсовой стали от степени пластической деформации сжатием. Проведен сравнительный анализ кривых напряжение – деформация σ(ε), полученных экспериментально и рассчитанных теоретически.
Библиографические ссылки
Батаев А.А., Батаев И.А., Никулина А.А., Попелюх А.И., Балаганский И.А., Плотникова Н.В. Структурные преобразования углеродистых ферритно-перлитных сталей в условиях высокоскоростного нагружения // Обработка металлов. Технология. Оборудование. Инструменты. 2019. Т. 21. № 3. C. 115–128. https://doi.org/10.17212/1994-6309-2019-21.3-115-128
Klevtsov G.V., Valiev R.Z., Klevtsova N.A., Zaripov N.G., Karavaeva M.V. Strength and fracture mechanisms of nanostructured metallic materials under single kinds of loading // Metal Science and Heat Treatment. 2018. Vol. 59. No. 9–10. P. 54–62. https://doi.org/10.1007/s11041-018-0197-2
Yang Cao, Song Ni, Xiaozhou Liao, Min Song, Yuntian Zhu Structural evolutions of metallic materials processed by severe plastic deformation // Materials Science and Engineering: R: Reports. 2018. Vol. 133. P. 1–59. https://doi.org/10.1016/j.mser.2018.06.001
Gubicza J. Lattice defects and their influence on the mechanical properties of bulk materials processed by severe plastic deformation // Materials Transactions. 2019. Vol. 60. No. 7. P. 1230–1242. https://doi.org/10.2320/ matertrans.MF201909
Mazilkin A., Straumal B., Kilmametov A., Straumal P., Baretzky B. Phase transformations induced by severe plastic deformation // Materials Transactions. 2019. Vol. 60. No. 8. P. 1489–1499. https://doi.org/10.2320/ matertrans.MF201938
Blank V.D., Popov M.Yu., Kulnitskiy B.A. The Effect of severe plastic deformations on phase transitions and structure of solids // Materials Transactions. 2019. Vol. 60. No. 8. P. 1500–1505. https://doi.org/10.2320/ matertrans.MF201942
Bubnov V.A., Korotovskikh V.K., Kostenko S.G. Effect of the degree of plastic deformation on hardness of austenitic steel // Chemical and Petroleum Engineering. 2022. Vol. 57. No. 11012. P. 1038–1042. https://doi.org/10.1007/s10556-022-01043-x
Wang Y., Tomota Y., Harjo S., Gong W., Ohmuraa T. In-situ neutron diffraction during tension-compression cyclic deformation of a pearlite steel // Materials Science and Engineering: A. 2016. Vol. 676. P. 522–530. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.08.122
Pan R., Ren R., Chen C., Zhao X. Formation of nanocrystalline structure in pearlitic steels by dry sliding wear // Materials Characterization. 2017. Vol. 132. P. 397–404. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2017.05.031
Steenbergen M. Rolling contact fatigue: Spalling versus transverse fracture of rails // Wear. 2017. Vol. 380-381. P. 96–105. https://doi.org/10.1016/j.wear.2017.03.003
Vinogradov A., Estrin Y. Analytical and numerical approaches to modelling severe plastic deformation // Progress in Materials Science. 2018. Vol. 95. P. 172–242. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2018.02.001
Nikas D., Zhang X., Ahlström J. Evaluation of local strength via microstructural quantification in a pearlitic rail steel deformed by simultane-ous compression and torsion // Materials Science and Engineering: A. 2018. Vol. 737. P. 341–347. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.09.067
Skrypnyk R., Ekh M., Nielsen J.C.O., Pålsson B.A. Prediction of plastic deformation and wear in railway crossings – Comparing the performance of two rail steel grades // Wear. 2019. Vol. 428-429. P. 302–314. https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.03.019
Rong K-j., Xiao Ye-l., Shen M-x., Zhao H-p., Wang W-J., Xiong G-Y. Influence of ambient humidity on the adhesion and damage behavior of wheel–rail interface under hot weather condition // Wear. 2021. Vol. 486-487. Article 204091. https://doi.org/10.1016/j.wear.2021.204091
Li X.C., Ding H.H., Wang W.J., Guo J., Liu Q.Y., Zhou Z.R. Investigation on the relationship between microstructure and wear characteristic of rail materials // Tribology International. 2021. Vol. 163. Article 107152. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2021.107152
Miranda R.S., Rezende A.B., Fonseca S.T., Sinatora A., Mei P.R. Fatigue and wear behavior of pearlitic and bainitic microstructures with the same chemical composition and hardness using twin-disc tests // Wear. 2022. Vol. 494-495. Article 204253. https://doi.org/10.1016/j.wear.2022.204253
Pereira H.B., Dias Alves L.H., Rezende A.B., Mei P.R., Goldenstein H. Influence of the microstructure on the rolling contact fatigue of rail steel: Spheroidized pearlite and fully pearlitic microstructure analysis // Wear. 2022. Vol. 498-499. Article 204299. https://doi.org/10.1016/j.wear.2022.204299
Pan R., Chen Yu., Lan H., Ren R. Investigation into the microstructure evolution and damage on rail at curved tracks // Wear. 2022. Vol. 504-505. Article 204420. https://doi.org/10.1016/j.wear. 2022.204420
Zhang S-Yu., Spiryagin M., Lin Q., Ding H-h., Wu Q., Guo J., Liu Q-Yu., Wang W-J. Study on wear and rolling contact fatigue behaviours of defective rail under different slip ratio and contact stress conditions // Tribology International. 2022. Vol. 169. Article 107491. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2022.107491
Ivanov Yu.F., Gromov V.E., Nikitina E.N. Bainitic constructional steel. Structure and Hard-eningMechanisms. Cambridge, 2017. 121 p.
Yildirim C., Jessop C., Ahlström J., Detlefs C., Zhang Y. 3D mapping of orientation variation and local residual stress within individual grains of pearlitic steel using synchrotron dark field X-ray microscopy // Scripta Materialia. 2021. Vol. 197. Article 113783. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113783
Rybin V.V. Large plastic deformations and destruction of metals. Moscow: Metallurgy, 1986. 224 p.
Hirsch P., Hovey A., Nicholson P., Pasley D., Whelan M. Electron microscopy of thin crystals. United Kingdom: Butterworth/Heinemann, 1968. 574 p.
Carter C.B., Williams D.B. Transmission Electron Microscopy. Berlin: Springer International Publishing, 2016. 518 p.
Ivanov Yu.A., Gromov V.E., Yuriev A.A., Kormyshev V.E., Rubannikova Yu.A., Semin A.P. Deformation strengthening mechanisms of rails in extremely long-term operation // Journal of Materials Research and Technology. 2021. Vol. 11. P. 710–718. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.12.107
Yuriev A.A., Ivanov Yu.F., Gromov V.E., Rubannikova Yu.A., Starostenkov M.D., Tabakov P.Y. Structure and properties of lengthy rails after extreme long-term operation. Millersville: PA, USA: Materials Research Forum LLC, 2021. 194 p. https://doi.org/10.21741/9781644901472
Иванов Ю.Ф., Юрьев А.А., Чэнь С., Костерев В.В., Громов В.Е. Физическая природа механизмов упрочнения при экстремально длительной эксплуатации рельсов // Известия Алтайского государственного университета. 2021. Т. 117. № 1. С. 33–39. https://doi.org/10.14258/izvasu(2021)1-05
Ivanov Yu.F., Glezer A.M., Kuznetsov R.V., Gromov V.E., Shliarova Yu.A., Semin A.P., Sundeev R.V. Fine structure formation in rails under ultra long-term operation // Materials Letters. 2022. Vol. 309. No. 4. Article 131378. http://dx.doi.org/10.1016/j.matlet.2021.131378
Ivanov Yu.F., Gromov V.E., Aksenova K.V., Kuznetsov R.V., Kormyshev V.E., Vashchuk E.S. Evolution of the structure of rail steel during compression // Russian Metallurgy (Metally). 2022. Vol. 10. P. 1192–1197. https://doi.org/10.1134/S0036029522100354
Аксенова К.В., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Ващук Е.С., Перегудов О.А. Эволюция структуры пластинчатого перлита рельсовой стали при деформации сжатием // Известия вузов. Черная металлургия. 2022. Т. 65. № 9. С. 654–661. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2022-9-654-661
Салтыков С.А. Стереометрическая металлография.Москва:Металлургия. 1970. 376 с.
Чернявский К.С. Стереология в металловедении. Москва: Металлургия. 1970, 376 с.
Гольдштейн М.И., Фарбер В.М. Дисперсионное упрочнение стали Москва: Металлургия, 1979. 208 с.
Yao M.J., Welsch E., Ponge D., Haghighat S.M.H., Sandlöbes S., Choi P., Herbig M., Bleskov I., Hickel T., Lipinska-Chwalek M., Shantraj P., Scheu C., Zaefferer S., Gault B., Raabe D. Strengthening and strain hardening mechanisms in a precipitation-hardened high-Mn lightweight steel // Acta Materia. 2017.Vol. 140. P. 258–273. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.08.049
Загрузки
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2023 Юрий Федорович Иванов, Михаил Анатольевич Порфирьев, Виктор Евгеньевич Громов, Наталья Анатольевна Попова, Юрий Сергеевич Серенков, Аршад Нур Сиддики, Виталий Владиславович Шляров
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
