vsgiuВестник Сибирского государственного индустриального университетаBulletin of the Siberian State Industrial University2304 - 44972307-1710Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет"10.57070/10.57070/2304-4497-2022-4(42)-92-99vsgiu-182Research ArticleРаздел 3. Металлургия и материаловедениеSection 3. Metallurgy and Materials ScienceИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ЗОНЕ СВАРНОГО ШВА РЕЛЬСОВ ТИПА Р65 КАТЕГОРИИ ДТ350INVESTIGATION OF THE DISTRIBUTION OF RESIDUAL STRESSES IN THE ZONE OF THE WELDED SEAM OF RAILS OF THE R65 TYPE OF THE DT350 CATEGORYhttps://orcid.org/0000-0001-9025-5442ПолевойЕгор ВладимировичPolevoyEgor

к.т.н., начальник отдела, 

 Cand. Sci. (Eng.), Head of Department

Egor.Polevoj@evraz.comhttps://orcid.org/0000-0001-9901-6384МартыновМихаил АлександровичMartynovMikhail

главный специалист по сварке

Chief Welding Specialist

Mikhail.Martynov@evraz.comhttps://orcid.org/0000-0003-4809-8660КоноваловСергей ВалерьевичKonovalovSergey

д.т.н., профессор кафедры механики и машиностроения, проректор по научной и инновационной деятельности

Professor of the Department of Mechanics and Mechanical Engineering, Vice-Rector for Research and Innovation

konovalov@sibsiu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4721-6821ЧумачковИлья ИгоревичChumachkovIlya

аспирант кафедры механики и машиностроения

postgraduate student of the Department of Mechanics and Mechanical Engineering

I.I.Chumachkov@yandex.ruАО «ЕВРАЗ ЗСМК»РоссияJSC EVRAZ ZSMKRussian FederationСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian Federation202229122022049299Copyright © Полевой Е.В., Мартынов М.А., Коновалов С.В., Чумачков И.И., 20252025Полевой Е.В., Мартынов М.А., Коновалов С.В., Чумачков И.И.Polevoy E., Martynov M., Konovalov S., Chumachkov I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.sibsiu.ru/jour/article/view/182

Рельсы являются важнейшим элементом верхнего строения железнодорожного пути. Для повышения плавности хода, снижения динамических нагрузок в местах соединения все большее распространение получает контактная сварка рельсов в плети в стационарных условиях и алюмотермитная сварка непосредственно в пути. Несмотря на повышение качества соединений, зона сварных стыков вследствие изменения структуры, обусловленной физическими процессами сварки и термообработки, является местом с более низкими механическими характеристиками относительно металла цельнокатаных рельсов. Развитие дефектов в сварных стыковых соединениях является одной из основных причин изъятия рельсов из эксплуатации. Важной составляющей обеспечения качества рельсов и сварных стыков является формирование благоприятной эпюры остаточных напряжений. С целью оценки влияния индукционного нагрева и закалки проведено исследование распределения остаточных напряжений до и после термообработки сварного стыка, полнопрофильных проб рельсов типа Р65 категории ДТ350 из стали марки Э76ХФ текущего производства АО «ЕВРАЗ ЗСМК». Установлено, что в головке рельса преобладают сжимающие остаточные напряжения как до, так и после термической обработки, подогрев снижает общие напряжения до 210 – 264 МПа, максимальные сжимающие напряжения (586 МПа) фиксируются на стыке после упрочняющей термообработки. В шейке рельса преобладают растягивающие напряжения, отмечено резкое увеличение напряжений после упрочняющей термической обработки: напряжения возросли более чем в три раза (с 68 до 254 МПа). После подогрева сварного стыка наблюдается незначительное снижение остаточных напряжений в этой области. В подошве рельса фиксируются сжимающие напряжения с идентичной эпюрой независимо от термической обработки. Минимальные напряжения фиксируются по центру подошвы с последующим увеличением к краю пера. Наибольшая разница (57 – 537 МПа) зафиксирована после упрочняющей термообработки по периметру подошвы.

Rails are the most important element of the superstructure of the railway track. To increase the smoothness of the ride, reduce dynamic loads at the junctions of the rails, contact welding of rails in a whip in stationary conditions and aluminothermic welding directly on the way are becoming more common. Despite the improvement in the quality of the joints, the zone of welded joints, due to a change in the structure due to the physical processes of welding and heat treatment, is still a place with lower mechanical characteristics compared to the metal of solid-rolled rails. The development of defects in welded butt joints is one of the main reasons for removing rails from service. An important component of ensuring the quality of rails and welded joints is the formation of a favorable diagram of residual stresses. In order to assess the effect of induction heating and hardening, a study was made of the distribution of residual stresses before and after heat treatment of the welded joint, full-profile samples of R65 type rails of the DT350 category of steel grade E76HF, the current production of EVRAZ ZSMK JSC. It has been established that compressive residual stresses predominate in the rail head both before and after heat treatment, heating reduces the overall stress level to the level of 210–264 MPa, the maximum compressive stress level equal to 586 MPa is fixed at joint No. 224, after hardening heat treatment. Tensile stresses predominate in the neck of the rail, a sharp increase in stresses after hardening heat treatment was noted, the stress level increased more than three times, from 68 MPa to 254 MPa. After heating the welded joint, a slight decrease in residual stresses in this area is observed. Compressive stresses are recorded in the rail sole, with identical diagram, regardless of heat treatment. A minimum of stress is fixed in the center of the sole, with a subsequent increase towards the edge of the feather. The greatest difference was recorded after hardening heat treatment, from 57 MPa to 537 MPa, respectively.

рельсыконтактная стыковая сваркасварной стыкболтовой стыкостаточные напряженияиндукционный нагревдифференцированная термическая обработкаrailsflash butt weldingwelded jointbolted jointresidual stressinduction heatingdifferential heat treatmentReferencesСтаровойтов М.М., Ваганова О.Н. Ключе-вые ориентиры развития путевого комплекса // Путь и путевое хозяйство. 2021. № 12. С. 2–4.Starovoitov M.M., Vaganova O.N. Key guidelines for the development of the travel complex. Put' i putevoe khozyaistvo. 2021, no. 12, pp. 2–4. (In Russ.).Jing G., Siahkouhi M., Edwards J.R., Dersch M.S., Hoult N.A. Smart railway sleepers – a review of recent developments, challenges, and future prospects // Construction and Building Materials. 2021. No. 271. P. 776–778. https://doi.org/ 10.1016/j.conbuildmat.2020.121533Jing G., Siahkouhi M., Edwards J. R., Dersch M. S. Hoult N.A. Smart railway sleepers – a review of recent developments, challenges, and future prospects. Construction and Building Materials. 2021, no. 271, pp. 776–778. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.121533Akkerman G.L. Skutina M.A. Control over transverse shifts of rail sleeper lattice which impact on deformation of ballast layer // Procedia Engineering. 2017. No. 189. P. 181–185. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.05.029Akkerman G.L. Skutina M.A. Control over transverse shifts of rail sleeper lattice which impact on deformation of ballast layer. Procedia Engineering. 2017, no. 189, pp. 181–185. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.05.029Godefroid L.B., Faria G.L., Cândido L.C., Viana T.G. Failure analysis of recurrent cases of fatigue fracture in flash butt welded rails // Engineering Failure Analysis. 2015. No. 58 (2). P. 407–416. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2015.05.022Godefroid L.B., Faria G.L., Cândido L.C., Viana T.G. Failure analysis of recurrent cases of fatigue fracture in flash butt welded rails. Engineering Failure Analysis. 2015, no. 58 (2), pp. 407–416. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2015.05.022Jihua L., Peng C., Yangting O., Guiyuan Z., Pijie Y., Zhibiao X., Yongjian L., Peng L., Chenggang H., Xin D., Yujun Z. Study on wear and rolling contact damage mechanism between quenched U75V rail and wheels with different microstructures // Wear. 2023. No. 512-513. P. 1–12. https://doi.org/10.1016/j.wear.2022.204544Jihua L., Peng C., Yangting O., Guiyuan Z., Pijie Y., Zhibiao X., Yongjian L., Peng L., Chenggang H., Xin D., Yujun Z. Study on wear and rolling contact damage mechanism between quenched U75V rail and wheels with different microstructures. Wear. 2023, no. 512-513, pp. 1–12. https://doi.org/10.1016/j.wear. 2022.204544Brennan L. Gedney, Dimitrios C. Rizos. Combining welding-induced residual stress with thermal and mechanical stress in continuous welded rail // Results in Engineering. 2022. No. 16. С. 1–95. https://doi.org/10.1016/j.rineng. 2022.100777Brennan L. Gedney, Dimitrios C. Rizos. Combining welding-induced residual stress with thermal and mechanical stress in continuous welded rail. Results in Engineering. 2022, no. 16, pp. 1–95. https://doi.org/10.1016/j.rineng. 2022.100777Xiu-Yang F., Hao-Nan Z., Dong-Wen M., Ze-Jian W., Wei H. Influence of welding residual stress on subsurface fatigue crack propagation of rail // Engineering Fracture Mechanics. 2022. No. 271. Article 108642. https://doi.org/10.1016/j. eng-fracmech.2022.108642.Xiu-Yang F., Hao-Nan Z., Dong-Wen M., Ze-Jian W., Wei H. Influence of welding re-sidual stress on subsurface fatigue crack propagation of rail. Engineering Fracture Mechanics. 2022, no. 271, article 108642. https://doi. org/10.1016/j.engfracmech.2022.108642Yang L., Kin S.T., Nellian A.S., John Hock L.P. Structural fatigue investigation of thermite welded rail joints considering weld-induced residual stress and stress relaxation by cyclic load // Engineering Structures. 2021. No. 235. Article 112033. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2021.112033Yang L., Kin S.T., Nellian A.S., John Hock L.P. Structural fatigue investigation of thermite welded rail joints considering weld-induced residual stress and stress relaxation by cyclic load. Engineering Structures. 2021, no. 235, article 112033. https://doi.org/10.1016/ j.engstruct.2021.112033Ninshu M., Zhipeng C., Hui H., Dean D., Murakawa H., Jiluan P. Investigation of welding residual stress in flash-butt joint of U71Mn rail steel by numerical simulation and experiment // Materials & Design. 2015. No. 88. P. 1296–1309. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.08.124Ninshu M., Zhipeng C., Hui H., Dean D., Murakawa H., Jiluan P. Investigation of welding residual stress in flash-butt joint of U71Mn rail steel by numerical simulation and experiment. Materials & Design. 2015, no. 88, pp. 1296–1309. https://doi.org/10.1016/ j.matdes.2015.08.124Ghazanfari M., Tehrani P. H. Increasing fatigue crack initiation life in butt-welded UIC60 rail by optimization of welding process parameters // International Journal of Fatigue. 2021. No. 151. Article 106367. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue. 2021.106367Ghazanfari M., Tehrani P.H. Increasing fatigue crack initiation life in butt-welded UIC60 rail by optimization of welding process parameters. International Journal of Fatigue. 2021, no. 151, article 106367. https://doi.org/10.1016/ j.ijfatigue.2021.106367Крейнис З.Л., Селезнева Н.Е. Бесстыковой путь. Устройство, техническое обслуживание, ремонт. Москва: Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2012. 472 с.Kreinis Z.L., Selezneva N.E Besstykovoi put'. Ustroistvo, tekhnicheskoe obsluzhivanie, remont. Moscow: Uchebno-metodicheskii tsentr po obrazovaniyu na zheleznodorozhnom transporte, 2012, 472 p. (In Russ.).Zerbst U., Lundén R., Edel K.-O., Smith R.A. Introduction to the damage tolerance behaviour of railway rails – a review // Engineering Fracture Mechanics. 2009. Vol. 76. No. 17. P. 2563–2601. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2009.09.003Zerbst U., Lundén R., Edel K.-O., Smith R.A. Introduction to the damage tolerance behaviour of railway rails – a review. Engineering Fracture Mechanics. 2009, vol. 76, no. 17, pp. 2563–2601. https://doi.org/10.1016/j.engfrac mech.2009.09.003Hang S., Chung L. P., Peter M., Qianhua K., Guozheng K., Wenyi Y. Numerical study on the ratcheting performance of rail flash butt welds in heavy haul operations // International Journal of Mechanical Sciences. 2021. No. 199. Article 106434. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci. 2021.106434Hang S., Chung L. P., Peter M., Qianhua K., Guozheng K., Wenyi Y. Numerical study on the ratcheting performance of rail flash butt welds in heavy haul operations. International Journal of Mechanical Sciences. 2021, no. 199, article 106434. https://doi.org/10.1016/ j.ijmecsci.2021.106434Mubarack C. K. A., Upadhyay A. Stability of continuous welded rail on steel bridge subjected to thermal loading // Structures. 2021. No. 34. Р. 4524–4531. https://doi.org/10.1016/j.istruc. 2021.10.050Mubarack C. K. A., Upadhyay A. Stability of continuous welded rail on steel bridge subjected to thermal loading. Structures. 2021, no. 34, pp. 4524–4531. https://doi.org/10.1016 /j.istruc.2021.10.050Залива Д.В. Влияние эксплуатационных, технических и технологических факторов на образование дефектов рельсов и мероприятия по снижению их воздействия. В кн.: Улучшение качества и условий эксплуатации рельсов и рельсовых скреплений. Сборник научных докладов. Екатеринбург: ОАО «УИМ», 2022. С. 95–109.Zaliva D.V. The influence of operational, technical and technological factors on the formation of rail defects and measures to reduce their impact. In: Improving the quality and operating conditions of rails and rail fasteners. Collection of scientific reports. Yekaterinburg: JSC "UIM". 2022, pp. 95–109. (In Russ.).Bauri L.F., Alves L.H.D., Pereira H.B., Tschiptschin A.P., Goldenstein H. The role of welding parameters on the control of the microstructure and mechanical properties of rails welded using FBW // Journal of Materials Research and Technology. 2020. Vol. 9. No. 4. P. 8058–8073. https://doi.org/10.1016/j.jmrt. 2020.05.030Bauri L.F., Alves L.H.D., Pereira H.B., Tschiptschin A.P., Goldenstein H. The role of welding parameters on the control of the microstructure and mechanical properties of rails welded using FBW. Journal of Materials Research and Technology. 2020, vol. 9, no. 4, pp. 8058–8073. https://doi.org/10.1016/j.jmrt. 2020.05.030ТУ 24.10.75-369-01124323 – 2019 «Рельсы железнодорожные, сваренные электроконтактным способом». Введ. 1 января 2021 г. Москва: ОАО "РЖД", 2021. 40 с.TU 24.10.75-369-01124323 – 2019 "Railway rails welded by electric contact method". Introduction. January 1, 2021. Moscow: JSC "Russian Railways", 2021, 40 p. (In Russ.).Шур Е.А. Повреждения рельсов. Москва: Интекст, 2012. 192 с.Shur E.A. Rail damage. Moscow: Intext, 2012, 192 p. (In Russ.).ГОСТ Р 51685 – 2013 Рельсы железнодорожные. Общие технические условия. Введ. 14 октября 2013. Москва: Стандартинформ, 2014. 95 с.GOST R 51685 – 2013 Railway rails. General technical conditions. Introduction. October 14, 2013. Moscow: Standartinform, 2014, 95 p. (In Russ.).DIN EN 13674-1:2017. Железные дороги. Верхнее строение пути. Рельсы. Часть 1. Рельсы Виньоля 46 кг/м и более. Технический комитет (CEN/TC 256) «Железные дороги» (секретариат DIN, Германия). Европейский комитет по железным дорогам (CEN). 2017. 113 с.DIN EN 13674-1:2017. Railways. The upper structure of the path. Rails. Part 1. Vignole rails 46 kg/m and more. Technical Committee (CEN/TC 256) "Railways" (DIN secretariat, Germany). European Committee on Railways (CEN). 2017, 113 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.