CC BY
100
Л и т е р а т у р а
1. Лебедев М. П., Винокуров Г. Г., Кычкин А. К., Васильева М. И., Махарова С. Н., Сивцева А. В., Федоров М. В., Довгаль
О. В. Влияние ультрадисперсных добавок на микроструктуру и свойства вольфрамокобальтовых сплавов рабочих элементов буровой техники // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2010. - №1(2), Том 12. -С. 427-421.
2. Николаенко И. В., Штин А. П., Швейкин Г. П. Химическая устойчивость микроволновой керамики системы БЮ - лейкоксеновый концентрат в неорганических кислотах // Химия в интересах устойчивого развития. - 2002. - № 6. -с. 777-780.
3. Новые материалы и технологии. Экстремальные технологические процессы / М. Ф. Жуков, В. А. Неронов, В. П. Лукашов, В. А., Антипин, Ал. А. Борисов, Ан. А. Борисов,
Э. К. Васильев, В. П. Войчак, Г. Г. Волокитин, Г. В. Галевский, С. П. Гисматуллина, Г. А. Десятков, Б. Т. Джагипаров, Ю. С. Дудников, И. М. Засыпкин, Ш. Ш. Ибраев, Ю. В. Изингер, Г. В.
Карван, В. И. Кирюшин, О. Б. Ковалев, М. Ю. Пуприков, А. И. Лямкин, Р. П. Макарикова, М. Д. Маланов, В. М. Малахов, В. Е. Мессерле, Б. И. Михайлов, Ю. Д. Морозов, О. И. Недавний, Л. В. Пасашникова, В. С. Перегудов, В. И. Полякова, В. П. Сабуров, А. Н. Сайченко, З. Б. Сакипов, Л. В. Самохвалова,
Н. К. Скрипникова, А. М. Ставер, А. М. Старков, Ю. И. Сухи-нин, А. М. Тухватуллин, В. Н. Фокин, О. В. Шапеева, И. Н. Шарков, В. П. Шевцов, В. С. Энгельшт, Л. М. Ягодкина. -Новосибирск: Наука, 1992. - 183 с.
4. Свойства, получение и применение тугоплавких соединений: Справочник / Под ред. Т. Я. Косолаповой. -М.: Металлургия, 1986. - 928 с.
5. Чапорова И. Н., Чернявский К. С. Структура спеченных твердых сплавов. - М.: Металлургия, 1975. - 247 с.
6. Третьяков В. И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. - М.: Металлургия, 1976. - 528 с.
7. Савицкий Е. М., Поварова К. Б., Макаров П. В. Металловедение вольфрама. - М.: Металлургия, 1978. - 223 с.
4ММ*
УДК 620.172:620.18
А. В. Григорьев, В. В. Лепов
МЕХАНИЗМЫ НАКОПЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ И РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛА ОБОДА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО КОЛЕСА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА
Исследована структура металла методом металлографии и оптической микроскопии вблизи поверхностного повреждения локомотивного бандажа колеса, эксплуатируемого в условиях низких климатических температур. Измерена твердость по Бринеллю различных зон поперечного сечения колеса. Исследованы механические свойства при испытаниях на растяжение образцов из металла колеса при положительной и низкой (-50 °С) температуре. Установлен механизм образования и распространения поверхностной трещины.
Ключевые слова: эксплуатационные повреждения, металлографический анализ, твердость, механические характеристики, низкая температура, механизм разрушения, охрупчивание, наклеп.
ГРИГОРЬЕВ Альберт Викторович - младший научный сотрудник отдела моделирования процессов разрушения ИФТПС СО РАН.
E-mail: [email protected]
ЛЕПОВ Валерий Валерьевич - доктор технических наук, заместитель директора по научной работе, заведующий отделом моделирования процессов разрушения ИФТПС СО РАН.
E-mail: [email protected]
A. V. Grigoryev, V. V. Lepov
Mechanisms of damage accumulation and material destruction of rail wheel rim operating in the North
The structure of the metal near the surface damage of the locomotive wheel tyre, which is operated at low climate temperatures, has been studied by the method of metallography and optical microscopy. The HB of different square section zones of the wheel has been measured. The mechanical properties of the metal wheel samples in tensile tests at high and low (-50 ° C) temperatures. The mechanism of formation and propagation of surface cracks has been revealed.
Key words: operational damage, metallographic analysis, hardness, mechanical properties, low temperature, the mechanism of fracture, embrittlement, cold hammering.
Перепады температур поверхности материалов в зависимости от их цвета могут достигать 100 °С и более с многократным переходом через точку замерзания воды. Перечисленные выше негативные климатические факторы могут в значительной мере повлиять на эффективность эксплуатации железнодорожного транспорта, особенно в зимний период.
Наличие дефектов в таких элементах железнодорожной техники, как бандаж колеса локомотива, обусловливается нарушениями технологии их изготовления, металлургическими факторами, а также недостаточным дефектоскопическим контролем. Возникновение и дальнейший непрогнозируемый рост дефектов вызваны отклонениями от установленных норм эксплуатации техники, контроль за которыми в условиях холодного климата и резких колебаний температуры организовать достаточно сложно.
Контактно-усталостным повреждениям узлов железнодорожной техники, а также изменениям механических свойств и структуры материалов колеса и рельса при различных условиях эксплуатации посвящено множество работ, в которых используются различные методы и подходы [1-3]. Однако исследования узлов железнодорожной техники, эксплуатируемой в условиях аномально низких климатических температур Севера, ранее не проводились.
При визуальном обследовании колесных пар четырех тепловозов из локомотивного парка ОАО АК «Железные дороги Якутии» на поверхности катания колеса были обнаружены характерные повреждения в виде выкрашиваний. Бандаж с данными дефектами был снят с колесной пары, затем с помощью механической пилы с подачей воды и специальной смазки вырезан фрагмент.
Методом металлографии и оптической микроскопии в перпендикулярном поверхности катания сечении приповерхностного слоя бандажа железнодорожного колеса выявлен участок с трещиной, имеющей достаточно сложную траекторию, направление роста которой меняется в пределах острого угла (~20о) (рис. 1). Образец был подвергнут предварительной полировке и травлению по стандартной для углеродистых сталей методике.
Одним из параметров оценки свойств металла является твердость по Бринеллю. Твердость определялась твердометром ПМТ-3, использовался металлический шарик диаметром 2,5 мм при нагрузке 187,5 кгс на поперечном темплете. Величина твердости по среднему значению трех измерений исследована в следующих зонах: 1) у гребня колеса; 2) под поверхностью катания и 3) на границе зоны максимального износа. Такая схема позволяет оценить однородность механических
Рис. 1. Общий вид трещины в приповерхностном слое поверхности катания бандажа
локомотивного колеса
Таблица 1
Значение измерений твердости по шкале Бриннеля на различных участках поперечного темплета
№ участка Значения твердости по шкале Бриннеля, НВ
Образец 1 Образец 2 Образец 3
№ 1 357 362 373
№ 2 380 386 390
№ 3 343 352 347
Рис. 2. Направление вырезки образцов из бандажа локомотивной колесной пары
свойств и структуры в поперечном сечении колеса [4]. Результаты измерений твердости по шкале Бриннеля приведены в табл. 1.
Для определения механических характеристик были изготовлены 12 цилиндрических образцов из фрагмента бандажа. Образцы вырезали таким образом, чтобы продольная ось образца была параллельна плоскости поперечного сечения бандажа (рис. 2).
Образцы с номерами с 1 по 6 вырезаны в зоне, прилегающей к поверхности катания бандажа колеса, а с номерами с 7 по 12 — на нижней части бандажа (граница зоны максимального износа).
На первом этапе изготовления образцов из сегмента бандажа локомотива были вырезаны заготовки квадратного сечения, маркированные с торцевой стороны. На следующем этапе заготовкам придана заданная геометрия с помощью токарной обработки. Рабочий участок образца полировали, обеспечивая чистоту обработки, соответствующую высоте шероховатостей не более 0,4 мкм. Испытания цилиндрических образцов на
растяжение при различных температурах проводились на универсальной испытательной машине Е'шск Яое11 2600Е (Германия).
При металлографических исследованиях микрошлифа, вырезанного из реального бандажа, наблюдается значительная деформация зерен структуры металла (рис. 3 а) в верхней части трещины, постепенно снижаясь в нижней части шлифа (рис. 3 б). На глубине 1,5-2 мм структура не деформирована. При тщательном анализе траектории трещины можно заметить, что она распространяется по неметаллическим включениям и границам зерен (рис. 1). Можно заключить, что образование и рост анализируемой трещины происходит вблизи поверхности, вдоль деформированной ударнотермическим воздействием структуры металла.
Таким образом, процесс накопления повреждений в материале бандажа локомотивной колесной пары завершается образованием макроскопической трещины, которая ведет к образованию дефекта в виде выщербин. Сам процесс накопления повреждений по механизму
а) б)
Рис. 3. Структура металла (а) на верхней части трещины, (б) нижней части шлифа на
глубине 1,5 мм от трещины
Деформация в %
а)
Деформация в % б)
Рис. 4. Деформирования образцов из материала обода колеса при испытаниях на растяжение: а) образцы № 4, 5, 6 (зона поверхности катания); б) образцы № 10, 11, 12 (зона максимального износа)
образования наклепанного (деформированного) слоя состоит из двух стадий:
1) образование и рост микродефектов без их взаимодействия друг с другом. Деформация структуры на поверхности от ударного воздействия (наклеп);
2) развитие поврежденности (трещины) путем слияния образовавшихся микродефектов по границе деформированной структуры.
Испытания цилиндрических образцов на растяжение при положительной температуре окружающей среды показали, что в силу различий микроструктуры у поверхности катания и в нижней части обода, где находится граница зоны максимального износа, предел прочности и предел текучести различаются: среднее значение оВ составило 1004,5 и 1037,2 МПа, а °т 690,13 и 716,83 МПа, соответственно. Таким обра-
зом, наблюдается деформационное и термическое упрочнение металла колеса у поверхности катания. Относительное удлинение также соответственно падает с 9,64 до 9,21 % (рис. 4). Значения механических характеристик из материала зоны, прилегающей к поверхности катания, и зоны максимального износа при положительной рабочей температуре приведены в табл. 2.
В связи с тем, что температура воздуха на территории Якутии в зимний период может опускаться ниже -50 оС, аналогичные испытания образцов из материала бандажа локомотивного колеса были проведены при данной температуре. На первом этапе цилиндрический образец закреплялся в специализированных зажимах внутри криогенной камеры испытательной установки. Затем, посредством подачи жидкого азота, камера охлаждалась
Таблица 2
Механические характеристики материала (Ст 60) при положительной рабочей температуре
При положительной температуре
№ образца S0 Ц) От Ов 5
4 12,57 26,0 728,97 1067,77 9,61
5 12,57 26,0 686,12 1012,94 8,93
6 12,57 26,0 735,40 1030,90 9,09
Среднее значение 716,83 1037,2 9,21
10 12,57 26,0 674,38 1025,78 9,10
11 12,57 26,0 714,17 989,75 11,30
12 12,57 26,0 681,83 997,97 8,51
Среднее значение 690,13 1004,5 9,64
Примечание: S0-площадь поперечного сечения образца, мм; L0- длина рабочей части образца, мм; ат-предел текучести МПа; аВ-предел прочности, МПа; 5-относительное удлинение, мм;
Деформация в %
а)
Деформация в % б)
Рис. 5. Деформирования образцов из материала обода колеса при испытаниях на растяжение при -50 °С: а) образцы № 1, 2, 3 (зона поверхности катания), б) образцы № 7, 8, 9 (зона максимального износа)
до температуры -50 оС. После 120-минутной выдержки образца в криогенной камере при данной температуре испытания проводились по стандартной методике.
Из результатов испытаний на растяжение цилиндрического образца видно, что предел прочности при рабочей температуре -50 оС у поверхности катания практически не изменился, - среднее значение °В составило 1058,1, тогда как предел текучести °т повысился и составил 747,7 МПа. В нижней части обода, где находится граница зоны максимального износа, средние значения °В и °т составили 1066,7 и 720,4 МПа соответственно. Таким образом, хотя сталь и обладает достаточно высокими механическими характеристиками при низких климатических температурах, у поверхности катания колеса наблюдается небольшое снижение напряжения пластического течения и
значительное уменьшение относительного удлинения стали - с 10,16 до 9,17 % (рис. 5, табл. 2).
На рис. 4 и 5 приведены деформирования образцов, вырезанных из колесной стали в зоне, прилегающей к поверхности катания и нижней части бандажа локомотивного колеса при испытаниях на растяжение в диапазоне рабочих температур -50 до +20°. Все испытания проводились на трех образцах, и в таблице 2 показаны размеры использованных образцов и численные значения полученных механических характеристик.
Результаты проведенных испытаний показали, что значение предела текучести ат понижается при рабочей температуре -50 оС, чем при положительной температуре испытаний. Предел текучести характеризует сопротивление материала пластической деформации. Следовательно, при понижении темпе-
Таблица 3
Механические характеристики материала (Ст 60) при рабочей температуре -50 оС
При температуре -50 оС
№ образца S0 ат ав Д
1 12,57 26,0 725,07 1023,94 9,79
2 12,57 26,0 761,17 1052,22 9,45
3 12,57 26,0 756,70 1098,07 11,24
Среднее значение 747,65 1058,08 10,16
7 12,57 26,0 682,61 1035,3 9,04
8 12,57 26,0 779,85 1135,21 10,14
9 12,57 26,0 698,77 1029,49 8,33
Среднее значение 720,41 1066,67 9,17
Примечание: S0-площадь поперечного сечения образца, мм; L0- длина рабочей части образца, мм; а-предел текучести МПа; аВ-предел прочности, МПа; 5-относительное удлинение, мм
ратуры сопротивление материала пластической деформации снижается, тем самым материал элемента конструкции становится более хрупким. Механические характеристики образцов различаются в зависимости и от места расположения в бандаже колеса, и от рабочей температуры испытаний. Как видно, предел текучести от при испытаниях в условиях низких климатических температур повышается, а относительное удлинение падает (охрупчивание), в то же время воздействие термических и ударных нагрузок (наклеп) также оказывает действие на сопротивляемость стали деформированию при низких климатических температурах.
Из анализа распределения твердости металла исследуемых образцов бандажей следует, что под поверхностью катания твердость несколько выше, чем в зоне гребня и в основном металле. Это обусловлено тем, что существует неоднородность в структуре материала в зависимости от месторасположения в поперечном сечении образцов.
При микроструктурном анализе на поверхности катания наблюдается сильная деформация структуры материала, и по мере удаления от поверхности катания вглубь деформация становится меньше. Это обусловлено высокими контактными нагрузками между колесом и рельсом. Трещина распространяется по направлению несплошностей, микропор и по границам сильно деформированных зерен. Выкрашивание поверхности происходит на глубину деформированного слоя.
Таким образом, увеличение количества отказов железнодорожной техники по повреждению колесных пар тепловозов локомотивного парка ОАО «Железные дороги Якутии» [5] в зимнее время обусловлено тем, что при низких температурах внешней среды материал элемента железнодорожной конструкции теряет свои заданные механические характеристики, т. е. происходит охрупчивание металла. Также в зимнее
время при отрицательных температурах повышается и жесткость рельсового пути, тем самым возрастает ударная нагрузка на колесо от неровностей поверхности рельса, и происходит деформационный наклеп металла поверхностного слоя бандажа локомотива.
В качестве рекомендуемых мер для безопасной эксплуатации и повышения эксплуатационных характеристик системы колесо-рельс предлагаются следующие мероприятия:
- оптимизация сил трения между колесом и рельсом путем внедрения эффективной системы лубрикации;
- периодический мониторинг структур перегрева на бандаже колес;
- создание информационной системы, содержащей сведения о дефектах, времени и причинах обточек колесных пар;
Л и т е р а т у р а
1. Изотов В. И., Филиппов Г. А. Экспертная оценка эксплуатационных повреждений железнодорожных колес // Деформация и разрушение материалов. - 2005. - №8. - С. 2-7.
2. F. Walther е! а1. Усталостные свойства колесной стали при высоких нагрузках // Железные дороги мира. - 2005. - №1.
- С. 41-48
3. Контактно-усталостные повреждения колес грузовых вагонов / Под ред. С. М. Захарова. - М.: Интекст, 2004. -160 с.
4. ГОСТ 398-96. Бандажи из углеродистой стали для подвижного состава железных дорог широкой колеи и метрополитена. Технические условия.
5. Григорьев А. В., Лепов В. В., Проблемы эксплуатации железной дороги в условиях низких климатических темпера-тур. // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Прочность материалов и конструкций при низких температурах», Украина, г. Киев, 25-27 мая 2010 г..
- Киев: ИПП им. Г. С. Писаренко НАН Украины 2010.
