12. Андрейко І. Оптимізація ресурсних характеристик сталей залізничних коліс / І. Андрейко, В. Кулик, О. Бабаченко // Матеріали 4-ої міжнародної конференції “Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій”, Львів, 2009. - С. 883-888.

13. Осташ О.П. Оптимізація режиму термообробки сталі для високоміцних залізничних коліс / О.П. Осташ, І.М. Андрейко, В.В. Кулик // Міжнародна наукова конференція “Фізика конденсованих систем та прикладне матеріалознавство”: Тези доповідей. - Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2007. - С. 117.

Анотація

Кулик В.В. Обґрунтування роботоздатності сталей високоміцних залізничних коліс з врахуванням їх тріщиностійкості. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.02.01 - матеріалознавство. Фізико-механічний інститут НАН України, Львів, 2009.

Дисертаційна робота присвячена встановленню закономірностей зміни характеристик міцності і циклічної тріщиностійкості колісних сталей залежно від структурно-фазового стану, технології виробництва і впливу експлуатаційних факторів для наукового обґрунтування заміни середньоміцних залізничних коліс поточного виробництва на високоміцні.

Досліджено ресурсні фізико-механічні характеристики колісної високоміцної сталі (_B = 1200…1400 МПа) з підвищеним вмістом вуглецю (0,63 %) та мікролегованої ванадієм (~0,1 %). Встановлено, що для підвищення роботоздатності високоміцних залізничних коліс ця сталь потребує підвищення циклічної в'язкості руйнування. Показано, що одним із шляхів оптимізації циклічної в'язкості руйнування сталей з підвищеним вмістом вуглецю є їх ізотермічне гартування і середній відпуск для одержання дрібнодисперсної пластинчасто-глобулярної перліто-бейнітної структури.

Базуючись на уніфікованій моделі втомного руйнування, оцінено вплив розмірів технологічних дефектів (екзогенних металургійних включень) на втомні характеристики сталей залізничних коліс. Встановлено, що зменшення допустимого розміру технологічного дефекту з 3 мм (стандарт України, ДСТУ ГОСТ 10791:2006) до 2 мм (стандарт ЄС, EN 13262:2003) забезпечить збільшення втомної довговічності в 2 рази. Показано, що у високоміцних колесах безпечний розмір (діаметр) технологічного включення за циклічного навантаження (_бр = 360 МПа) становить 1 мм, а в колесах поточного виробництва таке включення ще може бути осередком руйнування. Визначено, що безпечний розмір тріщиноподібного дефекту при циклічному навантаженні досліджених колісних сталей становить 2а₀ = 0,13…0,19 мм.

Встановлено, що середньо- і високоміцні колісні сталі з дефектами типу втомних тріщин схильні до низькотемпературного (до -60 ⁰С) окрихчення тільки за високих амплітуд циклічного навантаження, коли швидкість росту тріщини вища 10^-7 м/цикл. Високоміцні колісні сталі порівняно з середньоміцними мають підвищену чутливість до асиметрії циклу навантаження, що необхідно враховувати, оцінюючи надійність залізничних коліс за наявності великих залишкових розтягальних напружень біля їх поверхні кочення, які виникають внаслідок гальмування.

Виявлено падіння характеристик циклічної тріщиностійкості сталей в різних зонах ободу залізничних коліс, обумовлене інтенсифікацією відкольного мікромеханізму руйнування, незважаючи на одночасне зниження міцності сталей.

Ключові слова: залізничні колеса, міцність, циклічна тріщиностійкість, мікроструктура, мікрофрактографія, втомна довговічність.

Аннотация

Кулык В.В. Обоснование работоспособности сталей высокопрочных железнодорожных колес с учетом их трещиностойкости. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение. Физико-механический институт НАН Украины, Львов, 2009.

Диссертационная работа посвящена определению закономерностей изменения характеристик прочности и циклической трещиностойкости колесных сталей в зависимости от структурно-фазового состояния, технологии производства и влияния эксплуатационных факторов для научного обоснования замены среднепрочных железнодорожных колес текущего производства на высокопрочные.

Исследовано ресурсные физико-механические характеристики колесной высокопрочной стали (_B = 1200…1400 МПа) с повышенным содержанием углерода (0,63 %) и микролегированной ванадием (~0,1 %) и обосновано ее использование для высокопрочных железнодорожных колес. Установлено, что для повышения работоспособности высокопрочных железнодорожных колес эта сталь нуждается в повышении циклической вязкости разрушения. Показано, что одним из путей оптимизации циклической вязкости разрушения сталей с повышенным содержанием углерода являеться изотермическая закалка для получения мелкодисперсной пластинчасто-глобулярной перлито-бейнитной структуры.

На основании характеристик прочности, твердости, ударной вязкости и циклической вязкости разрушения сталей железнодорожних колес обосновано нецелесообразность проведения энергозатратной противофлокенной обработки этих изделий, если проводить предварительное вакуумирование стали.

Базируясь на унифицированной модели усталостного разрушения, дано оценку влияния размеров технологических дефектов (экзогенных металлургических включений) на усталостные характеристики сталей железнодорожных колес. Установлено, что уменьшение допустимого размера технологического дефекта с 3 мм (стандарт Украины, ДСТУ ГОСТ 10791:2006) до 2 мм (стандарт ЕС, EN 13262:2003) обеспечит рост усталостной долговечности в 2 раза. Показано, что в высокопрочных колесах безопасный размер (диаметр) технологического включения при циклическом нагружении (_бр = 360 МПа) составляет 1 мм, а в колесах текущего производства такие включения еще могут быть источником разрушения. Определено, что безопасный размер трещиноподобного дефекта при циклическом нагружении исследованных колесных сталей равен 2а₀ = 0,13…0,19 мм.

Установлено, что стали средне- и высокопрочных железнодорожных колес при наличии дефектов типа усталостных трещин склонны к низкотемпературному (до -60 ⁰С) охрупчиванию только при высоких амплитудах циклического нагружения, когда скорость роста усталостной трещины превышает 10^-7 м/цикл. При этом температура циклического вязко-хрупкого перехода составляет -40 ⁰С и -20 ⁰С соответственно для сталей средне- и высокопрочного колес. Показано, что критический размер усталостных трещин в ободе исследованных колес при температуре (до -60 ⁰С) составляет 2,5-3,0 мм, а допустимый и независимый от температуры в интервале 20…-60 ⁰С размер усталостной трещины в ободе этих колес не превышает 1,6 мм при размахе окружных напряжений 400 МПa и 0,5 мм при 700 МПa. На основании этого сделан вывод, что для высокопрочных железнодорожных колес, эксплуатируемых в условиях низких климатических температур, необходим дефектоскопический контроль с чувствительностью к поверхностным трещинам миллиметрового размера.

Установлено, что высокопрочные колесные стали имеют повышенную чувствительность к асимметрии цикла нагружения, что необходимо учитывать при оценке надежности железнодорожных колес с остаточными напряжениями около поверхности катания, которые возникают вследствие торможения. В частности при ассиметрии цикла нагружения R=0,5 циклическая вязкость разрушения K_fc стали высокопрочного колеса становится в 2 раза меньшей за норматив (K_IC = 50 MПa). После изотермической закалки с отпуском при 500 ⁰С она почти в 4 раза больше в сравнении со сталью высокопрочного колеса, изготовленного по известной технологии.

Выявлено падение характеристик циклической трещиностойкости сталей в разных зонах обода железнодорожных колес, обусловленное усилением скольного микромеханизма разрушения, несмотря на одновременное снижение прочности сталей, что необходимо учитывать при диагностике технического состояния и расчете долговечности колес.

Ключевые слова: железнодорожные колеса, прочность, циклическая трещиностойкость, микроструктура, микрофрактография, усталостная долговечность.

Summary

Kulyk V.V. Substantiation of serviceability of high-strength railway wheel steels taking into account their crack growth resistance. - A manuscript.

The dissertation for gaining a scientific degree of Candidate of Sciences (Engineering) in speciality 05.02.01 - Materials science. Karpenko Physico-Mechanical Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Lviv, 2009.

The dissertation is devoted to the establishing of regularities of the change of strength and fatigue crack growth resistance characteristics of wheel steels depending on the structural and phase state, production technology and service factors effect for scientific substantiation of the substitution of medium-strength railway wheels of in-line production by high-strength wheels.

Physico-mechanical characteristics of a wheel high-strength steel (?_B = 1200…1400 МPа) with the elevated content of carbon (0.63%) and alloyed with vanadium (~0.1 %) have been investigated. The necessity of cyclic fracture toughness increase for high-strength wheel steel has been established. It has been shown that one of the ways of optimization of cyclic fracture toughness of steels with high carbon content is isothermal quenching to obtain fine dispersive lamellar-globular pearlite-bainite structure.

Basing on the unified model of fatigue fracture the influence of technological defect sizes (exogenous metallurgical inclusions) on fatigue characteristics of railway wheel steels has been evaluated. It has been found that the decrease in the admissible technological defect size from 3 mm (standard in Ukraine, DSTU GOST 10791:2006 ) to 2 mm (EU standard, EN 13262:2003) provides a two-fold increase of fatigue life. It has been shown that in high-strength wheels the safe size (diameter) of the technological inclusion under cyclic loading (??_gr = 360 МPа) is 1mm and in the wheels of in-line production this inclusion can be the site of fracture. It has been determined that the safe dimensions of a crack-like defect under cyclic loading of high-strength wheel steels is 2a = 0.13…0.19 mm.

The medium- and high- strength wheel steels with defects like fatigue cracks are inclined to low-temperature (to -60 ⁰C) embitterment only at high amplitudes of cyclic loading when crack growth rate is above 10^-7 m/cycle. High-strength wheel steels to compare with medium-strength have higher sensitivity to stress ratio, that should be accounted when evaluating reliability of wheel rails in the presence of large residual stresses in the near-surface layers at their rolling surface.

A certain decrease of fatigue crack growth resistance characteristics of steels in different zones of a wheel contour caused by a stronger cleavage fracture mechanism despite of the simultaneous decrease of steel strength have been found.

Key words: Railway wheels, strength, fatigue crack growth resistance, microstructure, microfractography, fatigue life time.

Размещено на Allbest.ru