СТРУКТУРА РЕЛЬСОВ ИЗ ЗАЭВТЕКТОИДНОЙ СТАЛИ, ВЫЯВЛЕННАЯ МЕТОДАМИ ПРОСВЕЧИВАЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ

Исследована структура, фазовый состав и дислокационная субструктура колоний перлита пластинчатой морфологии металла выкружки рельсов категории ДТ400ИК из заэвтектоидной стали на глубине 10 мм от поверхности катания после пропущенного тоннажа 175,9 млн т на Восточно-Сибирской железной дороге. Анализ структуры выполнен на нескольких структурно-масштабных уровнях (макро-, микро-, субмикро- и наномасштабном). Показано, что на макроскопическом уровне колонии перлита изогнуты, на микроуровне выявлено присутствие в стали колоний перлита с разрушенными пластинами цементита, на субмикромасштабном уровне отмечено явление фрагментации пластин феррита перлитных колоний, на наномасштабном уровне – фрагментация пластин цементита. В объеме пластин феррита наблюдаются наноразмерные (10 ‒ 15 нм) частицы цементита, которые следует отнести к третичному цементиту, формирующемуся при распаде твердого раствора на основе α-железа. Они располагаются на линиях дислокаций. Отмечено, что дислокационная субструктура наблюдается только в пластинах феррита. Она представлена хаотически распределенными дислокациями, формирующими скопления, и сетчатой дислокационной субструктурой. Показано, что исследуемая сталь характеризуется наличием внутренних полей напряжений, имеющих чисто упругий характер. Источниками полей напряжений являются внутри- и межфазные границы (границы раздела колоний перлита и некоторой совокупности пластин в пределах одной колонии, границы раздела пластин феррита и цементита). Выявленные источники внутренних полей напряжений будут приводить к формированию микротрещин, которые в свою очередь способствуют преждевременному разрушению металла рельс при эксплуатации. 

1. Bai W., Zhou L., Wang P., Hu Y., Wang W., Ding H., Han Z., Xu X., Zhu M. Damage be-havior of heavy-haul rail steels used from the mild conditions to harsh conditions. Wear. 2022;496–497:204290. https://doi.org/10.1016/j.wear.2022.204290

2. Hu Y., Zhou L., Ding H.H., Lewis R., Liu Q.Y., Guo J., Wang W.J. Microstructure evolution of railway pearlitic wheel steels under rolling-sliding contact loading. Tribology International. 2021;154:106685. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2020.106685

3. Zhou L., Bai W., Han Z., Wang W., Hu Yu., Ding H., Lewis R., Meli E., Liu Q., Guo J. Comparison of the damage and microstructure evolution of eutectoid and hypereutectoid rail steels under a rolling-sliding contact. Wear. 2022;492–493:204233. https://doi.org/10.1016/j.wear.2021.204233

4. Zhou L. Ding H., Han Z., Chen Ch., Liu Q., Guo J., Wang W. Study of rolling-sliding contact damage and tribo-chemical behaviour of wheel-rail materials at low temperatures. Engineering. Failure Analysis. 2022;134:106077.

5. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2022.106077

6. Ma L., Guo J., Liu Q.Y., Wang W.J. Fatigue crack growth and damage characteristics of high-speed rail at low ambient temperature Engineering. Failure Analysis. 2017;82:802–815. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2017.07.026

7. Mojumder S., Mishra K., Singh K., Qiu C., Mutton P., Singh A. Effect of track curvature on the microstructure evolution and cracking in the longitudinal section of lower gauge corner flow lips formed in rails. Engineering. Failure Analysis. 2022;135 (1-2):106177. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2022.106177

8. Wen J., Marteau J., Bouvier S., Risbet M., Cristofari F., Secorde P. Comparison of microstructure changes induced in two pearlitic rail steels subjected to a full-scale wheel/rail contact rig test. Wear. 2020;456-457:203354.

9. https://doi.org/10.1016/j.wear.2020.203354

10. Wang J., Chen Xi., Li X., Wu Y. Influence of heavy haul railway curve parameters on rail wear. Engineering. Failure Analysis. 2015;57(2):511–520. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2015.08.021

11. Rong K., Xiao Ye., Shen M., Zhao H., Wang W., Xiong G. Influence of ambient humidity on the adhesion and damage behavior of wheel-rail interface under hot weather condition Wear. 2021;486–487:204091. https://doi.org/10.1016/j.wear.2021.204091

12. Тушинский Л.И. Структурная теория конструктивной прочности материалов. Новосибирск: НГТУ. 2004:399.

13. Счастливцев В.М., Медведева Н.И., Крапошин В.С., Талис А.Л., Карькина Л.Е., Карькин А.Р., Кузнецов А.Р., Кабанова И.Г., Яковлева И.Л., Мирзаев Д.А., Табатчикова Т.И., Воронин В.И, Хлебникова Ю.В., Окишев К.Ю., Маратканова А.Н. Цементит в углеродистых сталях. Екатеринбург: Издательство УМЦ УПИ. 2017:380.

14. Панин В.Е. Актуальные проблемы физической мезомеханики нелинейных многоуровневых иерархически организованных систем. Физическая мезомеханика. 2014;17(6):5‒6.

15. Carter C.B., Williams D.B. Transmission Electron Microscopy. Berlin: Springer. 2016:618.

16. Egerton F.R. Physical Principles of Electron Microscopy. Basel: Springer. 2016:575.

17. Kumar C.S.S.R. Transmission Electron Mi-croscopy Characterization of Nanjmaterials. New York: Springer. 2014:492.

18. Счастливцев В.М., Мирзаев Д.А., Яковлева И.Л., Окишев К.Ю., Табатчикова Т.И., Хлебникова Ю.В. Перлит в углеродистой стали. Екатеринбург: Изд-во ИФМ УрО РАН. 2006:312

19. Zhengming Sun, Peigen Zhang, Wei Liu, Wei He. Fundamentals of Materials Science. From Basic Theories to Critical Properties. Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd. 2025:654

20. Попова Н.А., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Порфирьев М.А., Никоненко Е.Л., Шлярова Ю.А. Влияние длительной эксплуатации на структурно-фазовое состояние заэвтектоидной рельсовой стали. Материаловедение. 2023;10:17–28.

21. Gromov V.Е., Ivanov Y.F., Porfiriev M.A., Shliarova Yu.A. Evolution of Cementite Substructure of Rails from Hypereutectoid Steel during Operation. Metals. 2023;13(10):1688. https://doi.org/10.3390/met13101688

22. Завороженные металлами / Под ред. А.Н. Смирнова. Кемерово: Сибирская издательская фирма. 2025:284.

23. Gleser A.M., Kozlov E.V., Koneva N.A., Popova N.A., Kurzina I.A. Plastic Defor-mation of Nanostructured Materials. CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca Raton, London, New York. 2017:321.

24. Попова Н.А., Громов В.Е., Никоненко Е.Л., Тришкина Л.И., Черкасова Т.В., Соловьёва Ю.В., Шлярова Ю.А., Перегудов О.А. Механизмы упрочнения в металлах и сплавах. Новокузнецк: Полиграфист. 2024:133.