Моделювання методом кінцевих елементів зміни температури за перетином ободу в процесі термічної обробки залізничних коліс зі сталей різного хімічного складу

Abstract

UK: Постановка проблеми. Досягнення високих механічних властивостей обода залізничного колеса з вуглецевої сталі забезпечується за рахунок формування в ній структури високодисперсного перліту і невеликої кількості доевтектоїдного фериту, що виділяється у вигляді сітки по границях колишніх аустенітних зерен. Мікроструктурні дослідження ободів залізничних коліс показують, що існуючі режими термообробки викликають у деяких випадках формування, поряд із феритом і перлітом, структури бейніту в місцях, де може мати місце хімічна мікронеоднорідність та реалізовуватись достатньо висока швидкість охолодження. Вирішенням цієї проблеми може бути застосування систем гнучкого управління режимами термічної обробки, заснованих на моделюванні процесів фазових і структурних перетворень. Методика. Моделювали охолодження обода залізничного колеса за прискореного охолодження за допомогою методу кінцевих елементів із використанням рівняння теплопровідності (рівняння Фур'є) під час термічної обробки залізничних коліс зі сталі з граничними відхиленнями за хімічним складом у межах вимог нормативної документації, які можуть формуватися в металі обода колеса в результаті ліквації хімічних елементів за дендритної кристалізації заготовки. Для залізничних коліс застосовують вуглецеві сталі, які в основному відрізняються тільки вмістом вуглецю, марганцю і кремнію. На практиці діапазон змін цих елементів у колісній сталі різних марок у збіднених і збагачених хімічними елементами лікваційних ділянках, що формуються у процесі кристалізації, може становити: 0,45...0,70 % вуглецю; 0,25...0,50 % кремнію; 0,40...1,0 % марганцю. Результати. Показано, що під час охолодження обода залізничного колеса в його внутрішніх шарах реалізується менша швидкість охолодження, тобто фазові перетворення зі зміною відстані від поверхні відведення тепла за термічної обробки відбуваються в інших умовах. Доведено, що на перших етапах прискореного охолодження необхідно зменшувати інтенсивність витрати води, щоб швидкість охолодження не перевищувала критичну. Наукова новизна. Встановлено закономірності зміни температури за перетином обода залізничних коліс зі сталей різного хімічного складу в процесі прискореного охолодження зміцнювальної термічної обробки. Практична значимість. Наведені моделі дозволять розробити науково обґрунтовані режими термічної обробки залізничних коліс для забезпечення формування рівномірної високодисперсної мікроструктури за перетином обода колеса

RU: Постановка проблемы. Достижение высоких механических свойств обода железнодорожного колеса из углеродистой стали обеспечивается за счет формирования в ней структуры высокодисперсного перлита и в небольшом количестве доэвтектоидного феррита, который выделяется в виде сетки по границам бывших аустенитных зерен. Микроструктурные исследования ободов железнодорожных колес показывают, что существующие режимы термообработки приводят в некоторых случаях к формированию, наряду с ферритом и перлитом, структуры бейнита в местах, где может иметь место химическая микронеоднородность и реализовываться достаточно высокая скорость охлаждения. Решением данной задачи может быть применение систем гибкого управления режимами термической обработки, основанных на моделировании процессов фазовых и структурных превращений. Методика. Моделировали охлаждение обода железнодорожного колеса при ускоренном охлаждении с помощью метода конечных элементов с использованием уравнения теплопроводности (уравнение Фурье) при термической обработке железнодорожных колес из стали с предельными отклонениями по химическому составу в пределах требований нормативной документации, которые могут формироваться в металле обода колеса в результате ликвации химических элементов при дендритной кристаллизации заготовки. Для железнодорожных колес применяют углеродистые стали, которые в основном отличаются только содержанием углерода, марганца и кремния. На практике диапазон изменений этих элементов в колесной стали различных марок в обедненных и обогащенных химическими элементами ликвационных участках, формирующихся при кристаллизации, может составлять: 0,45…0,70 % углерода; 0,25…0,50 % кремния; 0,40…1,0 % марганца. Результаты. Показано, что при охлаждении обода железнодорожного колеса в его внутренних слоях реализуется меньшая скорость охлаждения, то есть фазовые превращения с изменением расстояния от поверхности отвода тепла при термической обработке проходят в других условиях. Доказано, что на первых этапах ускоренного охлаждения необходимо уменьшать интенсивность расхода воды, чтобы скорость охлаждения не превышала критическую. Научная новизна. Установлены закономерности изменения температуры по сечению обода железнодорожных колес из сталей различного химического состава в процессе ускоренного охлаждения упрочняющей термической обработки. Практическая значимость. Разработанные модели позволят разработать научно обоснованные режимы термической обработки железнодорожных колес для обеспечения формирования равномерной высокодисперсной микроструктуры по сечению обода колеса.

EN: Formulation of the problem. The achievement of high mechanical properties of the railway wheel rim made from carbon steel is ensured by the highly dispersed perlite structure formation in it and a small amount of pre-eutectoid ferrite, which is allocated in the form of a grid along the borders of the former austenitic grains. Microstructural studies of the wheel rims show that the existing modes of heat treatment in some cases lead, along with ferrite and perlite, to the formation of the structure of bainite in places where chemical microinhomogeneity may occur and a fairly high cooling rate can be realized. As a decision of this problem can be used application of the flexible control systems of thermal processing, based on the simulation of processes of phase and structural transformations. Method. The accelerated cooling of the railway wheel rim during its heat treatment was simulated by means of the finite element method using the thermal conductivity equation (Fourier equation). When simulation the steel was used with marginal deviations of a chemical composition within the normative documentation requirements that can take place in the wheel rim metal as a result of the chemical elements segregation during the dendritic crystallization of the workpiece. The carbon steel which is used for producing the railway wheels, mainly differ only in the content of carbon, manganese and silicon. In practice, the range of these elements changes in the wheel steel of various grades in the impoverished and enriched with chemical elements segregation sites formed during crystallization can be: 0.45…0.70 % carbon; 0.25…0.50 % silicon; 0.40…1.0 % manganese. Results. It is shown that when cooling the rim of a railway wheel in its inner layers, a lower cooling rate is realized, that is, phase transformations with a change of the distance from the heat removal surface during heat treatment pass in other conditions. It has been proved that at the early stages of accelerated cooling it is necessary to reduce the intensity of water flow so that the cooling rate does not exceed the critical one. Scientific novelty. The regularities of a temperature change in the cross-section of the railway wheel rim from the different chemical composition steels during the process of accelerated cooling with the hardening heat treatment were established. Practical significance. The developed models will allow to develop scientifically substantiated heat treatment modes of railroad wheels in order to ensure the formation of a uniform fine dispersed microstructure in the cross-section of the rail wheel rim.