Оцінювання пошкоджуваності залізничних коліс в умовах контактної втоми з урахуванням локального нагріву поверхні кочення

Abstract

UK: Постановка проблеми. Актуальним завданням металургійної галузі України є розроблення конкурентоздатних залізничних коліс, що володіють високими експлуатаційними характеристиками без суттєвого підвищення собівартості. Для цього слід удосконалювати склад і технологію виробництва колісної сталі для забезпечення оптимального поєднання високого опору зношуванню та високого опору утворенню експлуатаційних дефектів (повзунів і вищербин) на поверхні кочення. Мета дослідження − проаналізувати зміну пошкоджуваності поверхні кочення різних типів коліс за контактної втоми та її зв'язок із циклічною тріщиностійкістю колісних сталей. Методика. Експериментували на спеціально спроектованому випробувальному стенді. Випробування проводили на модельних зразках колеса та рейки. Для оцінювання впливу локального нагріву нанесено точкові дефекти контактним зварюванням. Характеристики міцності та циклічної тріщиностійкості визначали за стандартною методикою. Для мікроструктурних досліджень та оцінювання пошкодженості поверхні кочення модельних зразків за контактної втоми використовували оптичний мікроскоп ММР-2Р. Зображення аналізували за допомогою спеціально розробленої програми для оцінювання геометричних розмірів пошкоджень поверхні кочення модельних зразків колісних сталей. Результати. Досліджено вплив хімічного складу та модифікування рідкоземельними металами і кальцієм за мінімізованого вмісту алюмінію і титану на структуру колісних сталей та на їх характеристики міцності та циклічної тріщиностійкості. Встановлено залежність пошкодженості поверхні кочення модельних залізничних коліс від характеристик циклічної тріщиностійкості колісних сталей. Наукова новизна. Експериментально підтверджено, що схильність сталей до утворення вищербин на поверхні кочення коліс пов’язана з циклічною в’язкістю руйнування сталей. Практична значимість. Запропоновано новий підхід до створення (вибору) високоміцних сталей для залізничних коліс. Він базується на діаграмах експлуатаційної надійності колісних сталей, що поєднують підвищені характеристики зносостійкості і опору утворенню вищербин в умовах контактної втоми.

RU: Постановка проблемы. Актуальной задачей металлургической отрасли Украины является разработка конкурентоспособных железнодорожных колес, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками без существенного повышения себестоимости. Для этого следует совершенствовать состав и технологию производства колесной стали для обеспечения оптимального сочетания высокого сопротивления износу и высокого сопротивления образованию эксплуатационных дефектов (ползунов и выщербин) на поверхности катания. Цель исследования − проанализировать изменение повреждаемости поверхности катания различных типов колес по контактной усталости и ее связь с циклической трещиностойкостью колесных сталей. Методика. Экспериментировали на специально спроектированном испытательном стенде. Испытания проводили на модельных образцах колеса и рельсы. Для оценки влияния локального нагрева нанесли точечные дефекты контактной сваркой. Характеристики прочности и циклической трещиностойкости определяли по стандартной методике. Для микроструктурных исследований и оценки поврежденности поверхности катания модельных образцов в результате контактной усталости использовали оптический микроскоп ММР-2Р. Изображение анализировали с помощью специально разработанной программы для оценки геометрических размеров повреждений поверхности катания модельных образцов колесных сталей. Результаты. Исследовано влияние химического состава и модифицирования редкоземельными металлами и кальцием при минимизированном содержании алюминия и титана на структуру колесных сталей и на их прочностные свойства и свойства циклической трещиностойкости. Установлена зависимость поврежденности поверхности катания модельных железнодорожных колес от характеристик циклической трещиностойкости колесных сталей. Научная новизна. Экспериментально подтверждено, что склонность сталей к образованию выщербин на поверхности катания колес связана с циклической вязкостью разрушения сталей. Практическая значимость. Предложен новый подход к созданию (выбору) высокопрочных сталей для железнодорожных колес. Он базируется на диаграммах эксплуатационной надежности колесных сталей, сочетающих повышенные характеристики износостойкости и сопротивления образованию выщербин в условиях контактной усталости.

EN: Problem definition. Developing the competitive production technology of high performance rail wheels without significant cost increase is an up-to-done task for the metallurgy of Ukraine. Chemical This composition of a wheel steel and its production technology should be improved in order to provide optimal combination of its high wear resistance as well as the high resistance against of the formation of operational defects (sliders and caves) on the rolling surface. Purpose of the study. Analyzing changes in damaging the rolling surfaces for various types of rail wheels at the conditions of contact fatigue as well as revealing the relationship between the damages and the cyclic crack growth resistance of the wheel steels. Methodology. The tests were performed on a specially designed stand. Steel samples modeling the wheel and the rail were used. Spot defects were initiated by contact welding to evaluate the influence of local heating. The strength and cyclic crack growth resistance characteristics were determined by the standard methods. Microstructural surface morphology of the specimens and their rolling surface damages were studied using optical microscope MMP-2P. The images were analyzed using a specially developed program for evaluating the geometric sizes of rolling surface damages on the modeling samples of the wheel steels. Results. The influence of the chemical composition of wheel steels and their modification by rare earth metals and by calcium with simultaneous minimization of aluminum and titanium contents, on structure of the steels and their strength and cyclic crack growth resistance characteristics has been studied. The dependence of damaging the rolling surfaces of the modeling rail wheels on the cyclic crack growth resistance characteristics of these steels was established. Scientific novelty. It is experimentally confirmed, that steels liability to formation of shelling on the wheel rolling surface is related to cyclic fracture toughness of steels. Practical significance. The new approach is proposed for the formation (choice) of high-strength steels for railway wheels. It is based on the diagram of in-service reliability of wheel steels, combining the improved characteristic of wear resistance and resistance to shelling formation in the contact fatigue conditions.