Исследование механизмов изнашивания рельсов в криволинейных участках пути

Цель исследования: выявить тип изнашивания, характерный для Дальневосточной железной дороги.

Особое внимание уделяется износу боковой поверхности рельсов в кривых, т.к. эта проблема актуальна для Дальнего Востока – благодаря особенностям рельефа кривые составляют значительную долю местных железных дорог.

Рис. 1. Схема вырезки образцов для металлографических исследований (плоскость шлифа совпадает с плоскостью рисунка)

Методика проведения исследований. Для выявления механизмов изнашивания рельсов, прежде всего, их боковой поверхности, проведены металлографические, электронномикроскопические и рентгеноструктурные исследования образцов изношенных рельсов. Металлографические исследования позволили выявить структуру поверхностного слоя изношенной стороны головки. Рассматривались образцы с боковым износом 2,5; 3,5; 8; 10; 12 мм. Схема вырезки образцов из боковой поверхности рельса приведена на рис. 1.

Электронно-микроскопические исследования проведены с помощью растрового электронного микроскопа LEO EVO 40HV с энергодисперсионным детектором INCA Energy 350. Подготовка образцов осуществлялась аналогично подготовке шлифов для металлографических исследований. Рентгеноструктурные исследования осуществлены с помощью дифрактометра ДРОН-7. Применялось характеристическое рентгеновское излучение меди Cu K α (длины волн дублета λ 1 = 1,54051 А и λ 2 = 1.54433 А). Напряжение трубки – 40 кВ, ток накала катода – 20 мА.

Методом рентгеноструктурного анализа исследовались образцы рельсов, вырезанных из изношенной и неизношенной части головки, а также образцы, изготовленные из изношенной части головки и подвергнутые отпуску при температуре 450°С для снятия напряжений в поверхностном слое. Боковой износ образцов – 8, 10 и 12 мм (пропущенный тоннаж 400 млн. т брутто). Схема вырезки образцов показана на рис. 2. Исследовалась поверхность износа образцов 1, 2, 3 и наружная поверхность образцов 1 Н , 2 Н , 3 Н .

Рис. 2. Схема вырезки образцов для рентгеноструктурного анализа

Результаты металлографических исследований. В поверхностном слое всех образцов обнаружена зона пластической деформации. Ширина зоны различна у разных образцов и в пределах одного образца. Как правило, зона деформации состоит из двух частей, граница между которыми не всегда четкая. Первая часть, ближе к поверхности – зона полосчатости, в которой невозможно различить зерна, а иногда и отдельные полосы (методом оптической микроскопии). Деформированные слои этой зоны вытянуты вдоль поверхности рельса. Вторая часть – переходная зона, в которой видны сильно деформированные зерна, вытянутые вдоль поверхности рельса. Описанные зоны показаны на фото (см. рис. 3). Соотношение размеров этих двух зон различно для разных образцов и в пределах одного образца, в среднем составляет 50%. Иногда переходная зона отсутствует. Средние значения ширины зоны пластической деформации для образцов с разной степенью бокового износа варьируются в пределах 70-120 мкм, значения ширины переходной зоны – в пределах 30-60 мкм. Степень деформации зерен в переходной зоне (отношение размера зерна, измеренного по нормали к кромке, к размеру, измеренному вдоль нее), увеличивается от глубины к поверхности и доходит до 5 раз.

В поверхностном слое образца обнаружены многочисленные трещины усталостной природы. Они зарождаются на дефектах поверхности и проникают вглубь материала по мере увеличения количества циклов нагружения, определяемого пропущенным тоннажем. Как правило, трещины составляют с поверхностью рельса угол в диапазоне 0-35° (см. рис. 3, 4). Длина описанных трещин может достигать 200-300 мкм, а в отдельных случаях и больше.

Рис. 3. Трещины, зона полосчатости и переходная зона образца рельса с боковым износом 12 мм. х1200

Рис. 4. Трещины в поверхностном слое образца (боковой износ 3,5 мм). х400

Результаты электронно-микроскопических исследований. Методом растровой микроскопии в поверхностном слое образцов обнаружены волосовины (см. рис. 5), вызывающие расслоение материала (см. рис. 6), приводящее, в совокупности с трещинами к его разрушению. Образование волосовин связано с накоплением дефектов на границах слоев материала рельса, подвергающегося ударам, а также постоянным сдвиговым деформациям в результате набегания гребня колеса на боковую поверхность рельса. Слияние волосовин, которые становятся концентраторами напряжений, в трещины приводит к расслоению подповерхностного слоя материала. В результате слои материала теряют сцепление с основой, происходят многочисленные сколы металла боковой поверхности, приводящие к износу.

на рентгеновских спектрах не обнаружены, поэтому рентгеновские спектры для каждого образца были сняты в диапазоне углов, соответствующих трем основным линиям эталонного железа с максимумами 2θ = 44,671° (110); 65,018° (200); 82,329° (211). Другие линии не снимались из-за невозможности отделения их от фона. В табл. 1, 2 показаны относительные сдвиги линии железа, соответствующей межплоскостному направлению (110), которая была зарегистрирована для всех образцов. Расчеты проводились согласно следующим формулам: - таблица 1:

d -d

Δd = эксп    этал ⋅100% d эксп

- таблица 2:

Рис. 5. Волосовины в поверхностном слое образца рельса с боковым износом 3,5 мм. х1500

Δ d

d

изнош

d

-

d

неизнош

неизнош

⋅ 100%

Рис. 6. Расслоения в поверхностном слое образца с боковым износом 3,5 мм, вызванные слиянием волосовин. х1500

Результаты рентгеноструктурных исследований. Анализ поверхностных слоев рельса показал, что все наблюдаемые на диф-рактограммах линии соответствуют железу, параметр элементарной ячейки а-железа а=2,8664 Ангстрем. Оксиды и карбиды железа

где A d - относительный сдвиг межплоскостных расстояний; d _эксп - межплоскостное расстояние (в ангстремах), полученное при съемке образца; d _этал - межплоскостное расстояние эталона (в ангстремах); d _изнош - межплоскостное расстояние (в ангстремах) для изношенного образца; d _{неизнош} - межплоскостное расстояние (в ангстремах) для неизношенного образца. Для других линий железа (200) и (211) провести полный аналогичный систематический анализ не удалось.

Относительные сдвиги линии железа по сравнению с эталоном (табл. 1), показывают наличие растягивающих напряжений в поверхностном слое образцов. Эти напряжения являются «пищей» для роста усталостных трещин, разрушающих боковую поверхность рельсов в кривых. В образцах, подвергнутых отпуску, напряжения растяжения отсутствуют либо заменены напряжениями сжатия, подавляющими рост трещин.

В табл. 2 приведено относительное смещение пиков железа в процентах для боковой поверхности с изношенной и неизношенной стороны (без отпуска). Как видно, напряжения в выкружке рельса (образцы с номером 1) практически не отличаются для изношенной и неизношенной стороны головки, но по мере приближения к нижней части головки, где в результате пластической деформации образуется «натек» материала (см. рис. 1), разница напряжений становится все существеннее. Из этого можно заключить, что напряжения на выкружке рельса обусловлены процессом его изготовления, в то время, как напряжения в других частях головки возникают в процессе эксплуатации.

Таблица 1. Относительное смещение пика железа (110) в процентах по сравнению с линией эталонного железа для изношенной и неизношенной сторон

Номер образца	Боковой износ 8 мм		Боковой износ 10 мм		Боковой износ 12 мм
	без отпуска	отпуск	без от-пускао	отпуск	без отпуска	отпуск
1	0,22	0,00	0,14	-0,03	0,14	0,03
2	0,12	-0,07	0,10	-0,01	0,16	-0,11
3	0,14	-0,14	0,24	0,03	0,18	0,05
среднее	0,16	-0,07	0,16	-0,003	0,16	-0,01
1 Н	0,21		0,14		0,14
2 Н	0,10	—	0,09	—	0,14	—
3 Н	0,12	—	0,21	—	0,15	—
среднее	0,14	—	0,14	—	0,14	—

Таблица 2. Относительное смещение пиков железа в процентах для боковой поверхности с изношенной и неизношенной стороны (без отпуска)

Пик	Номер образца	Боковой износ 8 мм	Боковой износ 10 мм	Боковой износ 12 мм
110	1	0,03	0,02	0,02
	2	0,11	0,09	0,16
	3	0,13	0,13	0,13
	Среднее	0,09	0,08	0,10

Равенство напряжений на выкружке рельса для изношенной и неизношенной стороны головки может объясняться особенностями износа именно этой части боковой поверхности. Вероятно, на выкружке рельса преобладает молекулярно-механический механизм изнашивания, реализуемый благодаря меньшей скорости относительного скольжения в зоне радиуса, благодаря чему контактно-усталостные повреждения не успевают возникнуть в связи с быстрым разрушением поверхностного слоя, и усиления напряжений не происходит.

Выводы:

• 1.    Поверхностный слой рельсов имеет ярко выраженную зону пластической деформации, ширина которой различна даже в пределах одного образца, но в среднем не превышает 100 мкм.

• 2.    Зона пластической деформации состоит, как правило, из двух частей: зоны полосчатости и переходной, которая составляет 10-50%

• 3.    Трещины в поверхностном слое образцов развиваются в зоне полосчатости, практически параллельно поверхности рельса, вдоль деформированных слоев. Вероятно, их росту способствуют дислокации, накопленные в этой зоне. Толщина участков поверхности, отрезаемых трещинами, невелика, т.к. им энергетически более выгодно развиваться вдоль границы слоев с накопленными дислокациями, чем пересекать слой с меньшей концентрацией дефектов, уходя в глубину от поверхности.

• 4.    Износ средней части боковой поверхности рельсов определяется двумя процессами: ростом усталостных трещин вглубь материала и расслоением материала в результате слияния волосовин.

• 5.    Рентгеноструктурный анализ выявил растягивающие напряжения в поверхностном слое рельсов, что способствует росту поверхностных трещин.

• 6.    Превалирующим механизмом изнашивания боковой поверхности рельсов в кривых участках пути на Дальневосточной железной дороге является контактно-усталостный в сочетании с молекулярно-механическим механизмом, преобладающим в зоне выкружки рельса.

от общей ширины зоны пластической деформации.