книги из ГПНТБ / Полухин П.И. Прокатка и термическая обработка железнодорожных рельсов

90 ПРОФИЛЬ ЖЕ Л ЕЗ Н ОД ОР ОЖ НЫХ РЕЛЬСОВ И РЕЛЬСОВАЯ СТАЛЬ

тельно будет доказана невозможность создания прочного рель­ са, в котором действующие напряжения будут (ниже предела упругости и предела усталости.

Высказывается также мнение главным образом эксплуатаци­ онниками, что рельсовая сталь достаточно прочна и могла бы устойчиво работать в рельсах. Однако из-за концентраторов

•напряжений в стали в виде загрязнений, неметаллических вклю­ чений, пустот, а также из-за неудовлетворительной микрострук­ туры и пр. рельсы преждевременно выходят из строя.

Здесь есть известная доля истины. Несомненно, что источ­ ником некоторых видов разрушения рельсов являются метал­ лургические дефекты металла. Эти дефекты сокращают продол­ жительность 'Службы рельсов. Но необходимо принять во вни­ мание следующее. Рельсовая сталь выплавляется в больших мартеновских печах и разливается в слитки большого веса. При этом, как бы ни ожесточались требования, предъявляемые к вы­ плавке и разливке стали, получить ее настолько чистой и одно­ родной, как это достигается при выплавке высококачественных сталей в электропечах, пока невозможно. Рельсовая сталь будет содержать неметаллические включения, будет более рыхлой, ■ макроструктура ее будет хуже, чем высококачественных элек­ тросталей. Если бы рельсовая сталь выплавлялась в условиях, сходных с условиями выплавки высококачественных сталей, то стоимость ее была бы .в несколько раз выше.

Рельсы, изготовленные из мартеновской стали наилучшим возможным способом, все же будут подвержены дефектам, как и обычные рельсы. Это следует из того, что при недостаточной прочности явления пластической деформации не исчезнут и по­ ведут к разрушению рельса даже в условиях резкого уменьше­ ния количества концентраторов напряжений и слабых мест в стали. Но степень и быстрота развития дефектов будут мень­ ше, а продолжительность службы рельсов — больше.

Металлургические заводы должны работать над совершенст­ вованием технологии и улучшением качества рельсов. Даже не­ большое увеличение стойкости рельсов в масштабах всей сети железных дорог дает огромный экономический эффект. Парал­ лельно необходимо работать также над созданием высокопроч­ ных рельсов, свободных от современных дефектов.

Термически обработанные углеродистые рельсы с предела­ ми прочности 120—130 кг/мм2 и текучести 100—ПО кг/мм2 были уложены в путь. Оказалось, что усталостные разрушения в виде дефектов типа № 82 в кривых малого радиуса возникают и на этих рельсах. Следовательно, в дальнейшем необходимо испы­ тать рельсы с прочностью примерно 180—200 кг/мм2. Получить такие характеристики прочности легированной стали, например хромистой или хромоникелевой, в термически обработанном со­

стоянии вполне -возможно. Затруднение состоит в том, что за­ воды не в состоянии производить правку и отделку таких рель­ сов. Однако необходимо изготовить хотя бы единичные рельсы возможно двухслойные с такими характеристиками и испытать их в пути. При получении хороших результатов следовало бы

организовать производство подобных рельсов на одном из за­ водов.

Характеристики пластичности рельсовой стали (б и ар) не влияют явным образом на эксплуатационные свойства рельсов. Возможно это объясняется тем, что величина удлинения при разрыве изменяется в сравнительно узких пределах. При пере­ ходе от обычных рельсов к термически обработанным предел текучести изменяется почти в два раза, а удлинение при разры­ ве остается постоянным. В то же время не подлежит никакому сомнению, что пластичность стали имеет большое значение, так как металл рельса, ,по крайней мере головки, подвергается пла­ стическим деформациям. По-видимому, величина удлинения при разрыве 8—10% уже обеспечивает рельсовой стали необходи­ мую способность к пластической деформации. Во всяком случае попытки увеличить пластичность рельсовой стали за счет сни­ жения прочностных характеристик до настоящего времени не приводили к положительным результатам.

Во время службы поверхность рельсов наклепывается. При этом возрастает твердость и прочность поверхностных слоев го­ ловки. По мнению некоторых исследователей, такой наклепан­ ный слой повышает стойкость рельсов в пути. Для подтвержде­ ния такого вывода приводят долголетнюю службу (30—35 лет) в пути демидовских рельсов из пудлингового железа. Имеются предложения о перекладке рельсов из менее напряженных уча­ стков пути в более напряженные.

Предполагается, что рельс, наклепанный при умеренных на­ грузках, в дальнейшем будет хорошо работать и в тяжелых ус­ ловиях.

Другие предложения сводятся к тому, чтобы на металлурги­ ческих заводах установить оборудование для дробеструйной об­ работки поверхности рельсов или для обкатки ее в специальных валках в холодном состоянии. При этом необходимо, конечно, увеличить пластичность стали, чтобы создать известный запас ее и не получить поверхность в хрупком состоянии. Практиче­ ски это можно сделать только снижением содержания углерода и уменьшением прочностных характеристик стали. Такое пред­ ложение могло бы иметь смысл, если бы упрочнение, создавае­ мое наклепом, было настолько значительным, что прекратило бы дальнейшее течение металла, и рельс работал бы упруго. К сожалению, наблюдения за службой рельсов в пути не дают оснований ожидать таких больших упрочнений.

92 ПРОФИЛЬ ЖЕ Л ЕЗ НОД ОР ОЖ НЫХ РЕЛЬСОВ И РЕЛЬСОВАЯ СТАЛЬ

Однако можно использовать для 'рельсов аустенитные стали с 'высокой способностью упрочнения, как например, сталь Гадфильда (1—1,2% С и 10—13% Мп). В этом случае запас пла­ стичности очень велик, удлинение при разрыве может достигать 100%. В то же 'время может /быть достигнута .высокая прочность поверхности после наклепа и вполне вероятно, что рельсы из высокомаргандовистой стали окажутся исключительно стойкими в пути. В настоящее время опыты с такими рельсами прово­ дятся.

Ударная вязкость рельсовой стали при нормальной темпера­ туре составляет около 2 кгм/см2 (образцы вырезаны из цен­ тральных частей головки вдоль прокатки). Очень часто она сни­ жается до 1,5—1,2 кгм1см2. При понижении температуры испы­ тания ударная вязкость уменьшается и обычно уже при —40° она меньше 1 кгм1см2, характеризуя переход стали в хрупкое состояние. В некоторых случаях сохраняются более высокие значения ее. Так, в одном исследовании ударная вязкость со­ ставляла примерно 1,25 кгм1см2 даже при —60°.

Ударная вязкость является одной из важнейших характе­ ристик рельсовой стали, определяющей способность рельсов про­ тивостоять ударам. При этом наиболее опасным является зим­ нее время, когда вследствие промерзания пути жесткость его сильно возрастает.

Необходимо отметить, что в рельсах производства 1933— 1940 гг. наблюдалась высокая хладноломкость стали. Особенно увеличивалось изъятие томасовских и бессемеровских рельсов. Вместе с тем в течение 1935— 1937 гг. изъятие рельсов в зимние месяцы непрерывно уменьшалось (табл. 14).

Таблица 14

ОТНОШЕНИЕ ЧИСЛА РЕЛЬСОВ,'СНЯТЫХ В ДЕКАБРЕ-ЯНВАРЕ, К ЧИСЛУ СНЯТЫХ В ИЮНЕ-ИЮЛЕ, %

Приведенные данные свидетельствуют прежде всего о том, что хрупкость при низкой температуре в очень сильной степени зависит от газонасыщенности стали и, в первую очередь, от со­ держания азота в ней. Содержание азота в конвертерном ме-

талле примерно в три раза выше, чем .в мартеновском. Посте­ пенное снижение количества снятых рельсов с пути в холодное время года объясняется более жесткими требованиями, предъ­ являемыми к ведению технологического процесса выплавки и разливки рельсовой -стали. Большее изъятие мартеновских рель­ сов с пути на 18% в 1937 г. в зимние месяцы по сравнению с лет­ ними (см. табл. 14) можно объяснить главным образом боль­ шой жесткостью промерзшего балласта. Таким образом, в пред­

новки для испытания рельсов на разрушение ударом с измере­ нием работы разрушения. При установках будут построены специальные холодильные м-ашины, которые позволят вести по­ пытания при -низких температурах.

Твердость -рельсов на поверхности катания постепенно росла в связи с увеличением содержания углерода и марганца в ста­

содержание углерода и марганца в стали с твердостью рельсов. По этим данным -видно, что твердость рельсов растет непрерыв­ но, хотя и незначительно, а -содержание углерода практически остается постоянным и даже снижается в -первой половине 1958 г. до 0,724%- Таким образом, явной зависимости здесь нет. Однако после резкого перехода на содержание углерода 0,623% также резко уменьшилась и твердость рельсов.

Т а б л и ц а 19

СРЕДНЕГОДОВЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РЕЛЬСОВ ЗАВОДА А

1/V III

1958

П р и м е ч а н и е. Резкое снижение показателей пластичности стали по всем типам рельсов, начиная с 1955 г., объясняется изменением порядка испытания проб. До 1955 г. пробы испытывались не сразу после прокатки. За это время происходил рост показателей пластичности приблизительно на 70—90%. Начиная с 1955 г., испытания производятся немедленно после прокатки.

7 П. И. Полухин и др.

П р и м е ч а н н е. Твердость приведена для закаленных концов рельсов.