vsgiuВестник Сибирского государственного индустриального университетаBulletin of the Siberian State Industrial University2304 - 44972307-1710Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет"vsgiu-445Research ArticleМеталлургия и материаловедениеMetallurgy and Materials ScienceПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛЕРОДА В СТРУКТУРЕ РЕЛЬСОВОЙ СТАЛИ ПОСЛЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИREDISTRIBUTION OF CARBON IN THE STRUCTURE OF RAIL STEEL AFTER LONG-TERM OPERATIONЮрьевА.А.YuryevA.A.vestnicsibgiu@sibsiu.ruИвановЮ.Ф.IvanovYu.F.vestnicsibgiu@sibsiu.ruГромовВ.Е.GromovV.E.vestnicsibgiu@sibsiu.ruМусоринаЕ.В.MusorinaE.V.vestnicsibgiu@sibsiu.ruРубанниковаЮ.А.RubannikovaYu.A.vestnicsibgiu@sibsiu.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian FederationИнститут сильноточной электроники СО РАН; Томский политехнический университетRussian FederationInstitute of High-Current Electronics SB RAS; Tomsk Polytechnic UniversityRussian Federation2017200820250448Copyright © Юрьев А., Иванов Ю., Громов В., Мусорина Е., Рубанникова Ю., 20252025Юрьев А., Иванов Ю., Громов В., Мусорина Е., Рубанникова Ю.Yuryev A., Ivanov Y., Gromov V., Musorina E., Rubannikova Y.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/445

Углерод в структуре стали может находиться в твердом растворе на основе a- и g-железа (на позиции элементов внедрения), на дислокациях (в виде атмосфер Коттрелла и Максвелла), на межфазных (карбид/матрица) и внутрифазных (границы зерен, пакетов и кристаллы пакетного и пластинчатого мартенсита) границах, в частицах карбидной фазы. Количество углерода в твердых растворах на основе a- и g-железа обычно оценивается по относительному изменению параметра кристаллической решетки этих фаз. Оценку количества углерода в карбидных частицах проводят исходя из химического состава карбида, типа кристаллической решетки и объемной доли частиц карбидной фазы в стали. Для цементита (в предположении стехиометрического состава) подобный расчет осуществлен в работе. Оценка количества углерода, расположенного на дефектах (дислокациях и границах раздела), является наиболее сложным моментом и практически не поддается прямому экспериментальному определению. Из ситуации выходят, используя косвенные методы, например, методы внутреннего трения и микрорентгеноспектрального анализа, а также проводят теоретические оценки. Наиболее полный анализ перераспределения углерода в нелегированных сталях в зависимости от температуры отпуска осуществлен в работе, в случае легированных сталей (состояние закалки и низкотемпературного отпуска) – в работах.

Carbon in the steel structure can be in a solid solution based on α- and γ-iron (at the position of interstitial elements), on dislocations (in the form of Cottrell and Maxwell atmospheres), on interphase (carbide/matrix) and intraphase (grain boundaries, packets and crystals of packet and lamellar martensite) boundaries, in carbide phase particles. The amount of carbon in solid solutions based on α- and γ-iron is usually estimated by the relative change in the crystal lattice parameter of these phases. The amount of carbon in carbide particles is estimated based on the chemical composition of the carbide, the type of crystal lattice and the volume fraction of carbide phase particles in steel. For cementite (assuming a stoichiometric composition), a similar calculation is performed in the work. Estimation of the amount of carbon located on defects (dislocations and interfaces) is the most difficult moment and is practically not amenable to direct experimental determination. The situation is resolved by using indirect methods, such as internal friction and micro X-ray spectral analysis, and theoretical assessments are also made. The most complete analysis of carbon redistribution in unalloyed steels depending on the tempering temperature is carried out in the work, in the case of alloyed steels (quenching and low-temperature tempering conditions) – in the works.

ReferencesКурдюмов В.Г., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. – М.: Наука, 1977. – 236 с.Курдюмов В.Г., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. – М.: Наука, 1977. – 236 с.Закаленная конструкционная сталь: струк-тура и механизмы упрочнения / Ю.Ф. Ива-нов, Е.В. Корнет, Э.В. Козлов, В.Е. Гро-мов. – Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2010. – 174 с.Закаленная конструкционная сталь: струк-тура и механизмы упрочнения / Ю.Ф. Ива-нов, Е.В. Корнет, Э.В. Козлов, В.Е. Гро-мов. – Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2010. – 174 с.Speich G., Swann Р.R. Yield strength and transformation substructure of quenched iron-nickel alloys // J. Iron and Steel Inst. 1965. Vol. 203. No. 4. Р. 480 – 485.Speich G., Swann Р.R. Yield strength and transformation substructure of quenched iron-nickel alloys // J. Iron and Steel Inst. 1965. Vol. 203. No. 4. Р. 480 – 485.Белоус М.В., Черепин В.Т., Васильев М.А. Превращения при отпуске стали. – М.: Ме-таллургия, 1973. – 232 с.Белоус М.В., Черепин В.Т., Васильев М.А. Превращения при отпуске стали. – М.: Ме-таллургия, 1973. – 232 с.Белоус М.В. Распределение углерода по состояниям при отпуске закаленной стали // Металлофизика. Респ. межвед. сб. 1970. № 32. С. 79 – 82.Белоус М.В. Распределение углерода по состояниям при отпуске закаленной стали // Металлофизика. Респ. межвед. сб. 1970. № 32. С. 79 – 82.Белоус М.В., Шаталова Л.А., Шейко Ю.П. Состояние углерода в отпущенной и хо-лоднодеформированной стали. Первое превращение при отпуске // ФММ. 1994. Т. 78. № 2. С. 99 – 106.Белоус М.В., Шаталова Л.А., Шейко Ю.П. Состояние углерода в отпущенной и хо-лоднодеформированной стали. Первое превращение при отпуске // ФММ. 1994. Т. 78. № 2. С. 99 – 106.Белоус М.В., Москаленок Ю.Н., Черепин В.Т., Шейко Ю.П., Мешашти С. Состояние углерода в отпущенной и холоднодефор-мированной стали. Объемные эффекты при нагреве закаленных сплавов Fe – C // ФММ. 1995. Т. 80. № 3. С. 103 – 114.Белоус М.В., Москаленок Ю.Н., Черепин В.Т., Шейко Ю.П., Мешашти С. Состояние углерода в отпущенной и холоднодефор-мированной стали. Объемные эффекты при нагреве закаленных сплавов Fe – C // ФММ. 1995. Т. 80. № 3. С. 103 – 114.Белоус М.В., Новожилов В.Б., Шаталова Л.С., Шейко Ю.П. Распределение углерода по состояниям в отпущенной стали // ФММ. 1995. Т. 79. № 4. С. 128 – 137.Белоус М.В., Новожилов В.Б., Шаталова Л.С., Шейко Ю.П. Распределение углерода по состояниям в отпущенной стали // ФММ. 1995. Т. 79. № 4. С. 128 – 137.Изотов В.И., Козлова А.Г. Распределение углерода в пакете мартенситных кристал-лов и его влияние на прочность закален-ных низколегированных сталей // ФММ. 1995. Т. 80. № 1. С. 97 – 111.Изотов В.И., Козлова А.Г. Распределение углерода в пакете мартенситных кристал-лов и его влияние на прочность закален-ных низколегированных сталей // ФММ. 1995. Т. 80. № 1. С. 97 – 111.Изотов В.И., Филиппов Г.А. Влияние пе-реохлаждения при нормальном -превращении на распределение углерода в феррите низколегированной стали // ФММ. 1999. Т. 87. № 4. С. 72 – 77.Изотов В.И., Филиппов Г.А. Влияние пе-реохлаждения при нормальном -превращении на распределение углерода в феррите низколегированной стали // ФММ. 1999. Т. 87. № 4. С. 72 – 77.Speich G.R. Tempering of low-carbon mar-tensite // Trans. Met. Soc. AIME. 1969. Vol. 245. No. 10. Р. 2553 – 2564.Speich G.R. Tempering of low-carbon mar-tensite // Trans. Met. Soc. AIME. 1969. Vol. 245. No. 10. Р. 2553 – 2564.Kalich D., Roberts E.M. On the distribution of carbon in martensite // Met. Trans. 1971. Vol. 2. No. 10. Р. 2783 – 2790.Kalich D., Roberts E.M. On the distribution of carbon in martensite // Met. Trans. 1971. Vol. 2. No. 10. Р. 2783 – 2790.Fasiska E.J., Wagenblat H. Dilatation of al-pha-iron by carbon // Trans. Met. Soc. AIME. 1967. Vol. 239. No. 11. Р. 1818 – 1820.Fasiska E.J., Wagenblat H. Dilatation of al-pha-iron by carbon // Trans. Met. Soc. AIME. 1967. Vol. 239. No. 11. Р. 1818 – 1820.Ridley N., Stuart H., Zwell L. Lattice param-eters of Fe-C austenite of room temperature // Trans. Met. Soc. AIME. 1969. Vol. 246. No. 8. Р. 1834 – 1836.Ridley N., Stuart H., Zwell L. Lattice param-eters of Fe-C austenite of room temperature // Trans. Met. Soc. AIME. 1969. Vol. 246. No. 8. Р. 1834 – 1836.Веселов С.И., Спектор Е.З. Зависимость параметра решетки аустенита от содержа-ния углерода при высоких температурах // ФММ. 1972. Т. 34. № 5. С. 895 – 896.Веселов С.И., Спектор Е.З. Зависимость параметра решетки аустенита от содержа-ния углерода при высоких температурах // ФММ. 1972. Т. 34. № 5. С. 895 – 896.Лахтин Ю.М. Металловедение и термиче-ская обработка металлов. – М.: Металлур-гия, 1977. – 407 с.Лахтин Ю.М. Металловедение и термиче-ская обработка металлов. – М.: Металлур-гия, 1977. – 407 с.Thomas G., Sarikaya M. Lath martensites in carbon steels – are they bainitic? – Proc. Itn. Conf. Solid-Solid Phases Transform., Pitts-burgh, Pa, Aug. 10-14, 1981. – Warrendale, Pa, 1982. P. 999 – 1003.Thomas G., Sarikaya M. Lath martensites in carbon steels – are they bainitic? – Proc. Itn. Conf. Solid-Solid Phases Transform., Pitts-burgh, Pa, Aug. 10-14, 1981. – Warrendale, Pa, 1982. P. 999 – 1003.Sarikaya M., Thomas G., Steeds J.W. e.a. Solute element partitioning and austenite stabilization in steels. – Proc. Itn. Conf. Sol-id-Solid Phases Transform., Pittsburgh, Pa, Aug. 10-14, 1981. – Warrendale, Pa, 1982. P. 1421 – 1425.Sarikaya M., Thomas G., Steeds J.W. e.a. Solute element partitioning and austenite stabilization in steels. – Proc. Itn. Conf. Sol-id-Solid Phases Transform., Pittsburgh, Pa, Aug. 10-14, 1981. – Warrendale, Pa, 1982. P. 1421 – 1425.Иванов Ю.Ф., Попова Н.А., Гладышев С.А., Козлов Э.В. Взаимодействие углеро-да с дефектами и процессы карбидообразо-вания в конструкционных сталях. – В сб. трудов «Взаимодействие дефектов кри-сталлической решетки и свойства». – Тула: изд. ТулПИ, 1986. С. 100 – 105.Иванов Ю.Ф., Попова Н.А., Гладышев С.А., Козлов Э.В. Взаимодействие углеро-да с дефектами и процессы карбидообразо-вания в конструкционных сталях. – В сб. трудов «Взаимодействие дефектов кри-сталлической решетки и свойства». – Тула: изд. ТулПИ, 1986. С. 100 – 105.Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Никитина Е.Н. Бейнитная конструкционная сталь: струк-тура и механизмы упрочнения. – Новокуз-нецк: изд. СибГИУ, 2015. – 177 с.Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Никитина Е.Н. Бейнитная конструкционная сталь: струк-тура и механизмы упрочнения. – Новокуз-нецк: изд. СибГИУ, 2015. – 177 с.Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Попова Н.А., Коновалов С.В., Конева Н.А. Структурно-фазовые состояния и механизмы упрочне-ния деформированной стали. – Новокуз-нецк: Полиграфист, 2016. – 510 с.Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Попова Н.А., Коновалов С.В., Конева Н.А. Структурно-фазовые состояния и механизмы упрочне-ния деформированной стали. – Новокуз-нецк: Полиграфист, 2016. – 510 с.Ivanisenko Yu., Fecht H.J. Microstructure modification in the Surface Layers of Rail-way Rails and Wheels // Steel tech. 2008. Vol. 3. No. 1. P. 19 – 23.Ivanisenko Yu., Fecht H.J. Microstructure modification in the Surface Layers of Rail-way Rails and Wheels // Steel tech. 2008. Vol. 3. No. 1. P. 19 – 23.Ivanisenko Yu., Maclaren I., Souvage X., Valiev R.Z., Fecht H.J. Shear-induced α→γ transformation in nanoscale Fe-C composite // Acta Mater. 2006. Vol. 54. P. 1659 – 1669.Ivanisenko Yu., Maclaren I., Souvage X., Valiev R.Z., Fecht H.J. Shear-induced α→γ transformation in nanoscale Fe-C composite // Acta Mater. 2006. Vol. 54. P. 1659 – 1669.Ning Jiang-li, Courtois-Manara E., Kor-manaeva L., Ganeev A.V., Valiev R.Z., Ku-bel C., Ivanisenko Yu. Tensile properties and work hardening behaviors of ultrafine grained carbon steel and pure iron processed by warm high pressure torsion // Mater. Sci. and Eng. A. 2013. Vol. 581. P. 81 – 89.Ning Jiang-li, Courtois-Manara E., Kor-manaeva L., Ganeev A.V., Valiev R.Z., Ku-bel C., Ivanisenko Yu. Tensile properties and work hardening behaviors of ultrafine grained carbon steel and pure iron processed by warm high pressure torsion // Mater. Sci. and Eng. A. 2013. Vol. 581. P. 81 – 89.Gavriljuk V.G. Decomposition of cementite in pearlitic steel due to plastic deformation // Mater. Sci. and Eng. A. 2003. Vol. 345. P. 81 – 89.Gavriljuk V.G. Decomposition of cementite in pearlitic steel due to plastic deformation // Mater. Sci. and Eng. A. 2003. Vol. 345. P. 81 – 89.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 Mater. 2011. Vol. 59. P. 3965 – 3977.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 Mater. 2011. Vol. 59. P. 3965 – 3977.Gavriljuk V.G. Effect of interlamellar spacing on cementite dissolution during wire drawing of pearlitic steel wires // Scripta Mater. 2001. Vol. 45. P. 1469 – 1472.Gavriljuk V.G. Effect of interlamellar spacing on cementite dissolution during wire drawing of pearlitic steel wires // Scripta Mater. 2001. Vol. 45. P. 1469 – 1472.Microstructure of quenched rails / V.E. Gromov, A.B. Yuriev, K.V. Morozov, Yu.F. Ivanov Cambridge: CISP Ltd, 2016. – 156 p.Microstructure of quenched rails / V.E. Gromov, A.B. Yuriev, K.V. Morozov, Yu.F. Ivanov Cambridge: CISP Ltd, 2016. – 156 p.Утевский Л.М. Дифракционная электрон-ная микроскопия в металловедении. – М.: Металлургия, 1973. – 584 с.Утевский Л.М. Дифракционная электрон-ная микроскопия в металловедении. – М.: Металлургия, 1973. – 584 с.Ray F. Egerton Physical Principles of Elec-tron Microscopy. An Introduction to TEM, SEM, and AEM. – Berlin: Springer Sci-ence+Business Media, Inc, 2005. – 211 p.Ray F. Egerton Physical Principles of Elec-tron Microscopy. An Introduction to TEM, SEM, and AEM. – Berlin: Springer Sci-ence+Business Media, Inc, 2005. – 211 p.Kumar C.S.S.R. (Ed.) Transmission Electron Microscopy Characterization of Nanomateri-als. – New York: Springer, 2014. – 717 p.Kumar C.S.S.R. (Ed.) Transmission Electron Microscopy Characterization of Nanomateri-als. – New York: Springer, 2014. – 717 p.Barry Carter C., David B., Transmission Electron Microscopy. – Berlin: Springer In-ternational Publishing, 2016. – 518 p.Barry Carter C., David B., Transmission Electron Microscopy. – Berlin: Springer In-ternational Publishing, 2016. – 518 p.Громов В.Е., Юрьев А.А., Морозов К.В. и др. Эволюция тонкой структуры в поверх-ностных слоях 100-м дифференцированно закаленных рельсов при длительной экс-плуатации // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2017. Т. 14. № 2. С. 267 – 273.Громов В.Е., Юрьев А.А., Морозов К.В. и др. Эволюция тонкой структуры в поверх-ностных слоях 100-м дифференцированно закаленных рельсов при длительной экс-плуатации // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2017. Т. 14. № 2. С. 267 – 273.

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