vsgiuВестник Сибирского государственного индустриального университетаBulletin of the Siberian State Industrial University2304 - 44972307-1710Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет"10.57070/2307-4497-2023-4(46)-9-20vsgiu-99Research ArticleРаздел 1. Физика конденсированного состоянияSection 1. Condensed Matter PhysicsПОВЕДЕНИЕ ЦЕМЕНТИТА В ПЕРЛИТНЫХ СТАЛЯХ ПРИ ДЕФОРМАЦИИBEHAVIOR OF CEMENTITE IN PERLITE STEEL UNDER DEFORMATIONhttps://orcid.org/0000-0002-5147-5343ГромовВиктор ЕвгеньевичGromovViktor

д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля

Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof., Head of the Chair of Science named after V.M. Finkel

gromov@physics.sibsiu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3602-5739ПорфирьевМихаил АнатольевичPorfir’evMikhail

соискатель кафедры естественнонаучных дисциплин им. проф. В.М. Финкеля

Candidate of the Department of Natural Sciences named after Prof. V.M. Finkel

mport372@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-5154-5498ПерегудовОлег АлександровичPeregudovOleg

к.т.н., проректор по молодежной политике и воспитательной деятельности

Cand. Sci. (Eng.), Vice-Rector for Youth Policy and Educational Activities

olegomgtu@mail.ruСеребряковаАнна АлександровнаSerebryakovaAnna

аспирант кафедры естественнонаучных дисциплин имени профессора В.М. Финкеля

Postgraduate student of the Department of Natural Sciences named after Professor V.M. Finkel

aserebrakova87@gmail.comСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian FederationОмский государственный технический университетРоссияOmsk State Technical UniversityRussian Federation20232912202304920Copyright © Громов В.Е., Порфирьев М.А., Перегудов О.А., Серебрякова А.А., 20252025Громов В.Е., Порфирьев М.А., Перегудов О.А., Серебрякова А.А.Gromov V., Porfir’ev M., Peregudov O., Serebryakova A.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/99

Представлен краткий обзор последних экспериментальных результатов изучения цементита как структурной составляющей перлита, полученных методов просвечивающей микроскопии при различных видах деформирования. Исследовано поведение пластинчатого и зернистого цементита при видах активной деформации (ковке, штамповке, волочении, прокатке, длительной эксплуатации рельсов). Представлены исследования зернистого перлита на образцах углеродистой эвтектоидной стали марки У8, содержащей 0,8 % С, 0,18 % Mn, 0,22 % Si, 0,17 % Cr, 0,12 %Ni, 0,10 % Cu. Рассмотрен исторический аспект происхождения названия «цементит». Из истории металлографического изучения это вещество рассматривается как самостоятельной фазы. Приведен пример практического применения перлитной стали в конструкции моста Акаси-Кайке в Японии (самый длинный однопролетный подвесной мост, опирающийся на огромные тросы из перлитной стали). Уделено внимание анализу трансформации в ходе различных технологических процессов, его морфологии и структурным особенностям, проанализированы основные механизмы разрушения. Выявлено, что при большом пропущенном тоннаже в поверхностном слое накапливается критическая плотность дефектов, что сдерживает развитие обратимой упругой деформации и вовлечение (развитие) механизма пластической дисторсии. Высказано предположение, что повышение ресурса работы рельсов может быть достигнуто за счет более длительного сохранения структуры, способной к развитию обратимых деформационных процессов, исключающих разрушение цементитных пластин в перлитных колониях с последующим перемещением атомов углерода на дефекты (дислокации) и области решетки a-железа

A brief overview of the latest experimental results of the study of cement as a structural component of perlite, obtained by transmission microscopy methods for various types of deformation is presented. The behavior of lamellar and granular cementite under types of active deformation (forging, stamping, drawing, rolling, long-term operation of rails) has been studied. Studies of granular perlite on samples of carbon eutectoid steel grade U8 containing 0.8% C, 0.18 % Mn, 0.22% Si, 0.17% Cr, 0.12%Ni, 0.10 % Cu are presented. The historical aspect of the origin of the name cementite from the history of the metallographic study of cementite as an independent phase is considered. An example of the practical application of pearlitic steel in the construction of the Akashi-Kaike bridge in Japan (the longest single-span suspension bridge based on huge pearlitic steel cables) is given Attention is paid to the analysis of transformation during various technological processes, its morphology and structural features, and the main mechanisms of destruction are analyzed. It was revealed that with a large missed tonnage, a critical density of defects accumulates in the surface layer, which inhibits the development of reversible elastic deformation and the involvement (development) of the mechanism of plastic distortion. It is suggested that an increase in the service life of rails can be achieved due to a longer preservation of a structure capable of developing reversible deformation processes that exclude the destruction of cementite plates in pearlite colonies with subsequent movement of carbon atoms to defects (dislocations) and the iron lattice region

цементитрельсовая стальдеформацияэлектронная микроскопияcementiterail steeldeformationelectron microscopyАвторы выражают благодарность Ю.Ф. Иванову и Н.А. Поповой за стимулирующие дискуссииThe authors express their gratitude to Yu.F. Ivanov and N.A. Popova for stimulating discussionsReferencesСчастливцев В.М., Медведева Н.И., Крапошин В.С., Талис А.Л., Карькина Л.Е., Карькин И.Н., Кузнецов А.Р., Кабанова И.Г., Яковлева И.Л., Мирзаев Д.А., Табатчикова Т.И., Воронин В.И., Хлебникова Ю.В., Окишев К.Ю. Цементит в углеродистых сталях. Екатеринбург: Изд-во УМЦ УПИ, 2017:380.Schastlivtsev V.M., Medvedeva N.I., Kraposhin V.S., Talis A.L., Kar'kina L.E., Kar'kin I.N., Kuznetsov A.R., Kabanova I.G., Yakovleva I.L., Mirzaev D.A., Tabatchikova T.I., Voronin V.I., Khlebnikova Yu.V., Okishev K.Yu. Ce-mentite in carbon steels. Yekaterinburg: Izd-vo UMTs UPI, 2017:380. (In Russ.).Гуляев А.П. Металловедение. Москва: Металлургия, 1986:544.Gulyaev A.P. Metallovedenie. Moscow: Metallurgiya, 1986:544. (In Russ.).Тушинский Л.И., Батаев А.А., Тихо-мирова Л.Б. Структура перлита и конструктивная прочность стали. Новосибирск: Наука: Сиб. изд. фирма, 1993:278.Tushinskii L.I., Bataev A.A., Tikhomirova L.B. Perlite structure and structural strength of steel. Novosibirsk: Nauka: Sib. izd. firma, 1993:278. (In Russ.).Bhadeshia H. Cementite. International Materials Reviews. 2019;65(1):1–27. http://dx.doi.org/10. 1080/09506608.2018.1560984Bhadeshia H. Cementite. International Materials Reviews. 2019;65(1):1–27. http://dx.doi.org/10. 1080/09506608.2018.1560984Chezeau N., De Réaumur à la Première Guerre Mondiale: les étapes de la maîtrise de l’acier, l’essor des aciers spéciaux. Comptes Rendus Chimie. 2012;15(7):585‒594Chezeau N., De Réaumur à la Première Guerre Mondiale: les étapes de la maîtrise de l’acier, l’essor des aciers spéciaux. Comptes Rendus Chimie. 2012;15(7):585‒594Цементит в углеродистых сталях / Под ред. В.М. Счастливцева. Екатеринбург: Изд-во УМЦ УПИ, 2017:380 с.Schastlivtsev V.M. ed. Cementite in carbon steels. Ekaterinburg: Izd-vo UMTs UPI, 2017:380. (In Russ.).Гаврилюк В.Г. Распределение углерода в стали. Киев: Наукова думка. 1987:208.Gavrilyuk V.G. Carbon distribution in steel. Kiev: Naukova dumka. 1987:208. (In Russ.).Гриднев В.Н., Гаврилюк В.Г., Мешков Ю.Я. Прочность и пластичность холоднодеформированной стали. Киев: Наукова думка. 1974:231.Gridnev V.N., Gavrilyuk V.G., Meshkov Yu.Ya. Strength and plasticity of cold-formed steel. Kiev: Naukova dumka. 1974:231. (In Russ.).Koptseva N.V., Efimova Y.Y., Gulin A.E. Behavior of fine pearlite plates in the defor-mation of high-carbon steel. Steel in Translation. 2019;49:286–290.Koptseva N.V., Efimova Y.Y., Gulin A.E. Behavior of Fine Pearlite Plates in the Deformation of High-Carbon Steel. Steel in Translation. 2019;49:286–290.Hong M.N., Reynolds Jr. W.T., Tarui T., Hono K. Atom Probe and Transmission Electron Microscopy Investigations of Heavily Drawn Pearlitic Steel Wire. Metallurgical and Materials Transactions A. 1999;30(13):717–727. http://dx. doi.org/10.1007/s11661-999-1003-yHong M.N., Reynolds Jr. W.T., Tarui T., Hono K. Atom Probe and Transmission Electron Microscopy Investigations of Heavily Drawn Pearlitic Steel Wire. Metallurgical and Materials Transactions A. 1999;30(13):717–727. http://dx. doi.org/10.1007/s11661-999-1003-yRead H.G., Reynolds W.T., Hono K., Tarui T. Apfim and TEM Studies of Drawn Pearlitic Wire. Scripta materialia. 1997;37(8):1221–1230.Read H.G., Reynolds W.T., Hono K., Tarui T. Apfim and TEM Studies of Drawn Pearlitic Wire. Scripta materialia. 1997;37(8):1221–1230.Карькина Л.Е., Зубкова Т.А., Яковлева И.Л. Исследование дислокационной структуры цементита зернистого перлита после холодной пластической деформации. Физика Металлов и Металловедение. 2013;114(3):255–263. https://doi.org/10.7868/S0015323013030091Kar'kina L.E., Zubkova T.A., Yakovleva I.L. Investigation of the dislocation structure of granular perlite cementite after cold plastic deformation. Fizika Metallov i Metallovedenie. 2013;114(3):255–263. (In Russ.). https://doi.org/ 10.7868/S0015323013030091Целлермаер В.Я. Субструктурно-фазовые превращения при интенсивной пластиче-ской деформации металлов. Известие вузов. Черная металлургия. 1999;12:44–49.Tsellermaer V.Ya. Substructural-phase transformations during intensive plastic deformation of metals. Izvestie vuzov. Chernaya metallurgiya. 1999;12:44–49. (In Russ.).Gavriliyuk V.G. Decomposition of ce-mentite in pearlitic steel due to plastic deformation. Materials Science and Engineering: A. 2003;345 (1-2):81–89. http://dx.doi.org/10.1016/S0921-50 93(02)00358-1Gavriliyuk V.G. Decomposition of ce-mentite in pearlitic steel due to plastic deformation. Materials Science and Engineering: A. 2003;345(1-2):81–89. http://dx.doi.org/10.1016/S0921-5093(02)00358-1Грачев В.В., Громова А.В., Целлермаер В.Я., Ивахин М.П., Козлов Э.В. Эволюция дислокационных субструктур в мало- и среднеуглеродистых сталях при волочении. Вестник Самарского государственного технического университета. Сер.: Физ.-мат. науки. 2004;27:123‒129.Grachev V.V., Gromova A.V., Tsellermaer V.Ya., Ivakhin M.P., Koz-lov E.V. Evolution of dislocation substructures in low- and medium-carbon steels during drawing. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo univer-siteta. Ser.: Fiz.-mat. nauki. 2004;27:123‒129. (In Russ.).Кузнецов Р.В., Кормышев В.Е., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Шлярова Ю.А. Тpансформация структурно-фазовых состояний в головке рельсов при экстремально длительной эксплуатации. Известия вузов. Черная металлургия. 2022;65(3):209–215. https://doi.org/10. 17073/0368-0797-2022-3-209-215Kuznetsov R.V., Kormyshev V.E., Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Shlyarova Yu.A. Transformation of structural-phase states in the rail head during extremely long-term operation. News of universities. Izvestiya vuzov. Chernaya metallurgiya. 2022;65(3):209–215. (In Russ.). https://doi.org/ 10.17073/0368-0797-2022-3-209-215Кузнецов Р.В., Перегудов О.А., Шляров В.В. Перераспределение атомов углерода в рельсах при сверхдлительной эксплуатации. Известия вузов. Черная металлургия. 2022;65(2):134–136. https://doi.org/10.17073/ 0368-0797-2022-2-134-136Kuznetsov R.V., Peregudov O.A., Shlyarov V.V. Redistribution of carbon atoms in rails during ultra-long operation. Izvestiya vuzov. Chernaya metallurgiya. 2022;65(2):134–136. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2022-2-134-136Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Кузнецов Р.В., Глезер А.М., Шлярова Ю.А., Перегудов О.А. Деформационное преобразование структуры и фазового состава поверхности рельсов при сверхдлительной эксплуатации. Деформация и разрушение материалов. 2022;1:35–39. https://doi.org/10.31044/1814-4632-2022-1-35-39Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Kuznetsov R.V., Glezer A.M., Shlyaro-va Yu.A., Peregudov O.A. Deformation transformation of the structure and phase composition of the rail surface during ultra-long operation. Deformatsiya i razrushenie materialov. 2022;1:35–39. (In Russ.). https://doi. org/10.31044/1814-4632-2022-1-35-39Кузнецов Р.В., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Юрьев А.А., Кормышев В.Е., Полевой Е.В. Эволюция структурно-фазовых состояний и свойств дифференцированно закаленных 100-метровых рельсов при экстремально длительной эксплуатации. Сообщение 5. Градиентные структурно-фазовые состояния по радиусу скругления головки рельсов после сверхдлительной эксплуатации. Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2022;1:9–18. https://doi.org/10.54826/19979258_2022_1_56Kuznetsov R.V., Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Yur'ev A.A., Kormy-shev V.E., Polevoi E.V. Evolution of structural-phase states and properties of differentially hardened 100-meter rails during extremely long-term operation. Message 5. Gradient structural-phase states along the radius of rounding of the rail head after ultra-long operation. Problemy chernoi metallurgii i materialovedeniya. 2022;1:9–18. (In Russ.). https://doi.org/10.54826/19979258_2022_1_56Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Кузнецов Р.В., Шлярова Ю.А., Юрьев А.А., Кормышев В.Е. Структура рельсов после экстремально длительной эксплуатации. Известия вузов. Физика. 2022;65(3(772)):160–165. https://doi. org/10.17223/00213411/65/3/160Ivanov Yu.F., Gromov V.E., Kuznetsov R.V., Shlyarova Yu.A., Yur'-ev A.A., Kormyshev V.E. The structure of rails after extremely long-term operation. Izvestiya vuzov. Fizika. 2022;65(3(772)):160–165. (In Russ.). https://doi.org/10.17223/00213411/65/3/160Кузнецов Р.Е., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Кормышев В. Е., Шлярова Ю.А., Юрьев А.А. Градиенты структуры, фазового состава и дислокационной субструктуры рельсов при сверхдлительной эксплуатации. Известия Алтайского государственного университета. 2022;1:44–50. https://doi.org/10.14258/izvasu (2022)1-06Kuznetsov R.E., Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Kormyshev V. E., Shlyarova Yu.A., Yur'ev A.A. Gradients of structure, phase composition and dislocation substructure of rails during ultra-long operation. Izvestiya Altaiskogo gosudarstvennogo universiteta. 2022;1:44–50. (In Russ.). https://doi.org/10.14258/izvasu(2022)1-06Григорович К.В., Громов В.Е., Кузнецов Р.В., Иванов Ю.Ф., Шлярова Ю.А. Формирование тонкой структуры перлитной стали при сверхдлительной пластической деформации. Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки. 2022;503(1):8–12. https://doi.org/10.31857/S2686740022020079Grigorovich K.V., Gromov V.E., Kuznetsov R.V., Ivanov Yu.F., Shlyarova Yu.A. For-mation of a thin structure of pearlite steel under ultra-long plastic deformation. Doklady Rossiiskoi akademii nauk. Fizika, tekhnicheskie nauki. 2022;503(1):8–12. (In Russ.). https://doi.org/ 10.31857/S2686740022020079Козлов Э.В., В.Е. Громов, Коваленко В.В., Попова Н.А. Градиентные структуры в перлитной стали. Новокузнецк: ИЦ СибГИУ. 2004:224.Kozlov E.V., V.E. Gromov, Kovalenko V.V., Popova N.A. Gradient structures in pearlitic steel. Novokuznetsk: ITs SibGIU. 2004:224. (In Russ.).Козлов Э.В., Попова Н.А., Жулейкин С.Г., Коваленко В.В., Ветер В.В., Громов В.Е. Градиентные структуры неравновесного перлита в деформируемой стали. Физическая мезомеханика. 2003;6(5):73–79. https://doi.org/ 10.24411/1683-805X-2003-00067Kozlov E.V., Popova N.A., Zhuleikin S.G., Kovalenko V.V., Veter V.V., Gromov V.E. Gradient structures of nonequilibrium perlite in deformable steel. Fizicheskaya mezomekhanika. 2003;6(5):73–79. (In Russ.). https://doi.org/ 10.24411/1683-805X-2003-00067Попова Н. А., Жулейкин С.Г., Игнатенко Л.Н., Коваленко В.В., Ветер В.В., Громов В.Е., Козлов Э.В. Образование градиентных структур в перлитной стали при эксплуатации. Вестник российских университетов. Математика. 2003;4:589‒590.Popova N.A., Zhuleikin S.G., Ignatenko L.N., Ko-valenko V.V., Veter V.V., Gromov V.E., Kozlov E.V. Formation of gradient structures in pearlite steel during operation. Vestnik rossiiskikh universitetov. Matematika. 2003;4:589‒590. (In Russ.).Грачев В.В., Сарычев В.Д., Петров В.И., Громов В.Е. Градиентные структурно-фазовые состояния в рельсовой стали, формирующиеся при дифференцированной термической об-работке и в процессе эксплуатации. Вестник ТГУ. 2003;8:4.Grachev V.V., Sarychev V.D., Petrov V.I., Gromov V.E. Gradient structural-phase states in rail steel formed during differentiated heat treatment and during operation. Vestnik TGU. 2003;8:4 (In Russ.).Panin V.E., Egorushkin V.E., Panin A.V., Chernyavskii A.G. Plastic distortion as a fundamental mechanism in nonlinear mesomechanics of plastic deformation and fracture. Physical Mesomechanics. 2016;19(3):255–268. http://dx.doi. org/10.1134/S1029959916030048Panin V.E., Egorushkin V.E., Panin A.V., Chernyavskii A.G. Plastic distortion as a fundamental mechanism in nonlinear mesomechanics of plastic deformation and fracture. Physical Mesomechanics. 2016;19(3):255–268. http://dx.doi. org/10.1134/S1029959916030048Panin V.E., Derevyagina L.S., Lebedev M.P., Syromyatnikova A.S., Surikova N.S., Pochivalov Yu.I., Ovechkin B.B. Scientific basis for cold shortness of structural bcc steels and their structural degradation at below zero temperatures. Physical Mesomechanics. 2017;20(2):125–133. http://dx.doi.org/10.1134/S1029959917020023Panin V.E., Derevyagina L.S., Lebedev M.P., Syromyatnikova A.S., Surikova N.S., Pochivalov Yu.I., Ovechkin B.B. Scientific basis for cold shortness of structural bcc steels and their structural degradation at below zero temperatures. Physical Mesomechanics. 2017;20(2):125–133. http://dx.doi. org/10.1134/S1029959917020023Панин В.Е., Иванов Ю.Ф., Юрьев А.А., Громов В.Е., Панин С.В., Кормышев В.Е., Рубанникова Ю.А. Эволюция тонкой структуры и свойств металла рельсов при длительной эксплуатации. Физическая мезомеханика. 2020;5:85‒94.Panin V.E., Ivanov Yu.F., Yur'ev A.A., Gromov V.E., Panin S.V., Kormyshev V.E., Rubannikova Yu.A. Evolution of the fine structure and properties of metal rails during long-term operation. Fizi-cheskaya mezomekhanika. 2020;5:85‒94. (In Russ.).Фетисов В.П. Оценка пластичности при деформации углеродистой стали. Литье и металлургия. 2019;3:85‒88.Fetisov V.P. Assessment of plasticity during deformation of carbon steel. Lit'e i metallurgiya. 2019;3:85‒88. (In Russ.).Gavriljuk V.G. Decomposition of cementite in pearlitic steel due to plastic deformation. Materials Science and Engineering A. 2003;345:81–89. http://dx.doi.org/10.1016/S0921-5093(02)00358-1Gavriljuk V.G. Decomposition of cementite in pearlitic steel due to plastic deformation. Materials Science and Engineering A. 2003;345:81–89. http://dx.doi.org/10.1016/S0921-5093(02)00358-1Li 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 Materialia. 2011;59:3965–3977. http://dx.doi.org/10.1016/j.actamat.2011.03.022Li 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 Materialia. 2011;59:3965–3977. http://dx.doi.org/10.1016/j.actamat.2011.03.022Gavriljuk V.G. Effect of interlamellar spacing on cementite dissolution during wire drawing of pearlitic steel wires. Scripta Materialia. 2001;45(12):1469–1472. http://dx.doi.org/10.1016/S1359-6462(01)01185-XGavriljuk V.G. Effect of interlamellar spacing on cementite dissolution during wire drawing of pearlitic steel wires. Scripta Materialia. 2001;45(12):1469–1472. http://dx.doi.org/10.1016/S1359-6462(01)01185-XПанин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин А.В. Нелинейные волновые процессы в деформируемом твердом теле как многоуровневой иерархически организованной системе. УФН. 2012;182(12):1351–1357. https://doi.org/10.3367/UFNr.0182.201212i.1351Panin V.E., Egorushkin V.E., Panin A.V. Nonlinear wave processes in a deformable solid as a multilevel hierarchically organized system. UFN. 2012;182(12):1351–1357. (In Russ.). https://doi. org/10.3367/UFNr.0182.201212i.1351Панин В.Е., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Юрьев А.А., Кормышев В.Е. Роль кривизны решетки в деградации структуры поверхностного слоя металла рельсов при длительной эксплуатации. Доклады Российской Академии наук. Физика, Технические Науки. 2020;494(1):89–92. https://doi.org/10.31857/ S2686740020050144Panin V.E., Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Yur'ev A.A., Kormyshev V.E. The role of lattice curvature in the degradation of the structure of the surface layer of metal rails during long-term operation. Doklady Rossiiskoi Akade-mii nauk. Fizika, Tekhnicheskie Nauki. 2020;494(1):89–92. (In Russ.). https://doi. org/10.31857/S2686740020050144

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