Механизм образования и исследование свойств белого слоя в высокоуглеродистой рельсовой стали М76

Высокочастотные вибрации, возникающие в результате многих факторов при действующих нагрузках в системе «колесо–рельс», оказывают огромное влияние на структуру и свойства рельсовой стали – возникают значительные контактные напряжения в поверхностном слое, влияющие на прочностные характеристики и общую усталость конструкции железнодорожного пути. Результатом такого воздействия, в частности, является образование так называемого «белого слоя» (White Layer, WL) – упрочнённого слоя на поверхности основного материала, устойчивого к химическому травлению и имеющего высокую твёрдость (выше 1000 HV) и хрупкость.

Целью настоящего исследования явилось изучение особенностей механизма формирования, а также свойства образующегося на поверхности металла белого слоя с применением комплексного подхода, а именно: разрушающих методов контроля, методов электронной микроскопии, рентгенофазового анализа, металлографических методов и методов микротвёрдости.

Достоверность экспериментальных исследований обусловлена использованием стандартизированных методов испытаний, разработанными методами разрушающих и неразрушающих испытаний по основным направлениям, наличием аккредитованной и аттестованной лаборатории, что дало возможность в полном объёме и соответствующем качестве достичь поставленных задач.

По результатам исследований представлен анализ белого слоя, формирование которого имело место в высокоуглеродистой рельсовой стали М76 после циклических испытаний с частотой 20 кГц. Детально изучена морфология, фазовый состав и микротвёрдость данных включений в сравнении с базовым металлом. Показано, что белый слой представляет собой высокодисперсные, перлитообразные, безликие включениия феррито-цементитной структуры, причём их микротвёрдость в 3–4 раза выше исходной стали и составляет 1000–1200 HV. Предложен возможный механизм формирования белого слоя: дробление феррита и цементита, входящих в состав перлита, без промежуточных фазовых превращений.

1. Mori, S., Kobayashi, M., Osawa, J. Noise Reduction Measure for Trussed Non-slab Bridges. In: Noise and Vibration Mitigation for Rail Transportation Systems. Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, 2018, Vol. 139, pp. 343–354. Springer, Cham. Ed. by D. Anderson, P.-E. Gautier, M. Iida [et al]. https://doi.org/10.1007/978-3-319-73411-8_25.

2. Heckl, M., Hauck, G., Wettschureck, R. Structureborne sound and vibration from rail traffic. Jornal of Sound and Vibration, 1996, Vol. 193, Iss. 1, pp. 175–184. https://doi.org/10.1006/jsvi.1996.0257.

3. Němec, M., Gergeľ, T., Gejdoš, M., Danihelová, A., Ondrejka, V. Selected Approaches to the Assessment of Environmental Noise from Railways in Urban Areas. Interational Journal of Environmental Research and Public Health, 2021, Vol. 18 (13), art. 7086. https://doi.org/10.3390/ijerph18137086.

4. Kouroussis, G., Verlinden, O., Conti, C. Influence of some vehicle and track parameters on the environmental vibrations induced by railway traffic. Vehicle System Dynamics, 2012, Vol. 50 (4), pp. 619–639. https://doi.org/10.1080/00423114.2011.610897.

5. Kouroussis, G., Conti, C., Verlinden, O. Investigating the influence of soil properties on railway traffic vibration using a numerical model. Vehicle System Dynamics, 2013, Vol.51(3),pp.421–442. DOI:10.1080/00423114.2012.734627.

6. Thompson, D. Railway noise and vibration. Mechanisms, modelling and means of control. Elsevier Science, 2008, 536 p. eBook ISBN 9780080914435, Hardcover ISBN 9780080451473.

7. Lyu, Y., Björklund, S., Bergseth, E., Olofsson, U., Nilsson, R. Development of a noise related track maintenance tool. The 22nd International Congress on Sound and Vibration, ICSV22, Florence (Italy), 12–16 July 2015. [Электронный ресурс]: https://www.researchgate.net/ https://www.researchgate.net/profile/Yezhe-Lyu/publication/283354865_DEVELOPMENT_OF_A_NOISE_NOISE_RELATED_TRACK_MAINTENANCE_TOOL/links/56373d6608ae88cf81bd5187/DEVELOPMENT-OF-ANOISE-RELATED-TRACK-MAINTENANCE-TOOL.pdf .Доступ 22.04.2022.

8. Nonaka, I., Setowaki, S., Ichikawa, Y. Effect of frequency on high cycle fatigue strength of railway axle steel. In: Proceedings of the fifth international conference on very high cycle fatigue, VHCF-5, 2011, pp. 153–158. DOI: 10.1016/J.IJFATIGUE.2013.08.020.

9. Ze Fu Luo, Shi Ming Cui, Yan Zeng Wu, Qing Yuan Wang. Super Long Life Fatigue Properties of Rail Steel U71Mn and U75V. Advanced Materials Research, 2013, Vols. 690–693, pp. 1753–1756. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.690-693.1753.

10. Liu, X., Sun, C., Hong, Y. Crack initiation characteristics and fatigue property of a high-strength steel in VHCF regime under different stress ratios. Frattura ed Integrità Strutturale, 2016, Vol. 35, pp. 88–97. [Электронный ресурс]: https://www.gruppofrattura.it/pdf/fig/numero35/98/. Доступ 22.04.2022.

11. Pfafinnger, M. R. Higher Vibration Modes in Railway Tracks at their Cutoff Frequencies. Diss. ETH No. 13755. A thesis submitted to Swiss Federal Institute of Technology for the degree of Doctor of Technical Science, Zürich, 2000. [Электронный ресурс]: https://www.yumpu.com/en/document/view/3740866/higher-vibration-modes-in-railwaytracks-at-their-cutoff-frequencies. Доступ 22.04.2022.

12. Kaewunruen, S., Remennikov, A. M., Aikawa, A., Sakai, H. Free vibrations of interspersed railway track systems in three-dimensional space. Acoustics Australia, 2014, Vol. 42 (1), pp. 20–26. [Электронный ресурс]: https://ro.uow.edu.au/eispapers/2237/. Доступ 22.04.2022.

13. Miller, K. J., O’Donnell, W. J. The fatigue limit and its elimination. Fatigue Fracture of Engineering Materials and Structure, 1999, Vol. 22, Iss. 7, pp. 545–557. DOI: 10.1046/J.1460-2695.1999.00204.X.

14. Krawczyk, J., Pacyna, J. Eff of tool microstructure on the white layer formation. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 2006, Vol. 17, Iss. 1–2, pp. 93–96. [Электронный ресурс]: https://www.researchgate.net/profile/Jerzy-Pacyna/publication/42107389_Effect_of_tool_microstructure_on_the_white_layer_ formation/links/0912f50b385de2aa65000000/Effect-of-toolmicrostructure-on-the-white-layer-formation.pdf. Доступ 22.04.2022.

15. Babei, Yu. I., Ryabov, B. F., Golubets, V. M., Dyadchenko, B. T., Kaparova, L. A. Nature of etch-resistant layers produced in steel as a result of machining and certain other operations. Soviet materials science: a transl. of Fizikokhimicheskaya mekhanika materialov. Academy of Sciences of the Ukrainian SSR, 1975, Vol. 9, pp. 394–400. Translated from Fiziko-khimicheskaya mekhanika materialov, Academy of Sciences of the Ukrainian SSR, 1973, Vol. 9, No. 4, pp. 33–39. https://doi.org/10.1007/BF00715630 [доступ платный].

16. Golubets, V. M. Wear Resistance of the White Layer in Relation to the Carbon Content of Steels. Soviet materials science: a transl. of Fiziko-khimicheskaya mekhanika materialov. Academy of Sciences of the Ukrainian SSR, 1975, Vol. 9, pp. 101–102. Translated from Fiziko-Khimicheskaya Mekahnika Materialov, 1973, Vol. 9, No. 1, pp. 105–106. https://doi.org/10.1007/BF00717634 [доступ платный].

17. Griffiths B. Mechanisms of White Layers Generation with Reference to Machining and Deformation Processes. ASME Journal of Tribology, 1987, Vol. 109, No. 3, pp. 525−530. https://doi.org/10.1115/1.3261495 [доступ платный].

18. Ekinovic, S., Begović, E., Plančić, I., Anzel, I., Rimac, M. Scanning electron microscopy in analysis of influence of the alloying elements in steel on white layer formation by hard turning. Journal of Trends in the Development of Machinery and Associated Technology, 2015, Vol. 19, No. 1, pp. 37−40. [Электронный ресурс]: https://www.researchgate.net/publication/281616455_scanning_electron_microscopy_in_analysis_of_influence_of_the_alloying_elements_in_steel_on_white_layer_formation_by_hard_turning.pdf. Доступ 22.04.2022.

19. Васильев С. Г., Попцов В. В. Повышение твёрдости поверхности детали термическим воздействием методом деформирующего резания // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2011. − № 12. − С. 37−43. DOI: 10.18698/0536-1044-2011-12-37-43.

20. Иванисенко Ю. В., Бауманн Г., Фехт К. и др. Наноструктура и твёрдость белого слоя на поверхности железнодорожных рельсов // Физика металлов и металловедение. – 1997. – № 3. − Т. 83. – С. 104–111.

21. Hossain, R., Pahlevani, F., Witteveen, E., Banerjee, A. [et al]. Hybrid structure of white layer in high carbon steel – Formation mechanism and its properties. Scientific reports, 2017, Vol. 7, article 13288. DOI: 10.1038/s41598-017-13749-7 .

22. Toby, B. H. CMPR – A powder diffraction toolkit. Journal of Applied Crystallography, 2005, Vol. 38, pp. 1040−1041. DOI: 10.1107/S0021889805030232.