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

В начальной стадии развития дефекта на поверхности ката­ ния образуются белые пленки. Микроструктура этих пленок по­ казана на рис. 31. Как видно из этой микрофотографии, на по­ верхности катания лежит собственно белая пленка, толщиной 0,03—0,05 мм. Твердость этой пленки около 600 НВ\ микро­ структура представляет собой смесь мартенсита и коагулиро­ ванных карбидов. Под белой пленкой лежит переходный слой также повышенной твердости, в структуре которого наблюдает­ ся смесь сорбита и троостита. Еще глубже лежит основной металл.

Причиной появления этих закаленных пленок является мгно­ венный нагрев поверхности катания при неизбежном проскаль­ зывании колес при вписывании колесных пар в кривые. При радиусе 300 м это проскальзывание составляет около 3%. На прямых участках пути такое проскальзывание может возникнуть

очень быстрого отвода тепла внутрь головки рельса. Закалоч­ ное происхождение этих пленок хорошо иллюстрируется рис. 32. На нем дана микрофотография такой же пленки, как и на рис. 31, но после отпуска при 600°. Как видно, белая пленка ис­ чезла, и структура основного металла полностью восстано­ вилась.

Более детальное изучение этого вопроса показало, что явле­ ния закалки поверхности широко распространены и вызываются трением, ударами, кратковременным прохождением электриче­ ского тока через контактную поверхность, обработкой током вы­ сокой частоты, автогенной горелкой и т. д.

Мартенситные пленки, будучи хрупкими, изрезаны трещина­ ми, распространяющимися также и на переходный слой (см. рис. 31). Трещины пересекают почти под прямым углом закален­ ный слой, а в основном металле меняют свое направление и идут параллельно поверхности катания.

Эти трещины могут быть очень эффективными концентрато­ рами напряжений.

Пока материал не наклепан, трещины не проникают в глубь металла. Мартенситные пленки под действием колес растрески­ ваются и отделяются от поверхности рельсов, вызывая шелуше­ ние. Но можно предположить, что когда металл, лежащий под пленкой, будет достаточно наклепан и охрупчен, то трещины бу­ дут углубляться внутрь металла и соединяться с внутренними трещинами, возникшими в результате наклепа (см. рис. 9). Та­ кой механизм хорошо объясняет все особенности образования дефекта № 82.

Когда рельсы (высокоуглеродистые или термически обрабо­ танные) не имеют наката металла на внутреннюю вертикальную грань головки, то отпадает и концентратор напряжений в виде входящего угла под грибовидным наплывом металла. Но выщер­ бины на поверхности катания образуются очень быстро. Следо­ вательно, здесь действует иной концентратор напряжений.

Опыт шлифования рельсов на американских железных доро­ гах также не подтвердил гипотезу концентрации напряжений во входящем углу. На шлифованных рельсах дефекты типа «fla-

Рис. 33. Схема испытания образца рельса для получения дефекта № 82

king» образовывались так же интенсивно, как и на необработан­ ных рельсах.

Таким образом, причины, вызывающие начало разрушения, еще не ясны. Известны попытки исследователей воспроизвести дефект № 82 в лабораторных условиях. Для этого на машинах

сподвижной нагрузкой устанавливали специальную «люльку»,

вкоторой закрепляли образец (рис. 33). Периодически после определенного числа циклов нагрузки образец поворачивался вместе с люлькой на небольшой угол относительно продольной оси. Такие периодические повороты способствовали более энер­ гичному смещению металла в боковом направлении и образова­ нию грибовидного наплыва на одну из вертикальных граней го­ ловки. В дальнейшем образовывалась трещина по типу рис. 28 или даже расслоение головки (рис. 34).

Это испытание очень длительное и требует высокой прочно­ сти машин, так что в течение года можно испытать небольшое число образцов. На этих машинах испытывали рельсовые об­ разцы углеродистой стали термически необработанные, норма­ лизованные, закаленные в масле, а также рельсовые образцы легированных сталей. В табл. 8 приведены некоторые резуль­ таты этих испытаний. Стойкость рельсов оценивалась числом циклов нагрузки, выдержанных образцом до появления трещи­

58 ТРЕБОВАНИЯ, ПР ЕДЪ ЯВ ЛЯ ЕМЫЕ К ЖЕ Л ЕЗ Н ОД ОР ОЖ Н ЫМ РЕЛЬСАМ

выщербин на поверхности катания, и поэтому может сложиться неправильное представление о действительной стойкости раз­ личных рельсов в пути. Очевидно, что способ испытания должен быть изменен таким образом, чтобы можно было получить обе эти разновидности дефекта № 82. Без этого оценка работоспо­ собности рельсов будет всегда односторонней.

По данным табл. 7, рельсы Р-43 снимаются с пути из-за де­ фекта № 82 в очень небольшом количестве. Сложилось мнение, что это объясняется некоторыми особенностями профиля рель­ сов Р-43, химическим составом стали этих рельсов и благоприят­ ным сочетанием механических свойств. Однако следует при­ знать такое мнение недостаточно обоснованным. Профиль рель­ сов Р-43 ничем принципиально не отличается от профиля Р-50 и даже по абсолютным размерам близок к нему. Содержание уг­ лерода в рельсах Р-43 ниже, чем в рельсах Р-50 и Р-65.

Для выяснения влияния содержания углерода в рельсовой стали на развитие дефекта № 82 были изготовлены сначала опытные партии малоуглеродистых рельсов с содержанием уг­ лерода 0,64—0,70%. Наблюдения за работой этих рельсов в пути не обнаружили никаких преимуществ малоуглеродистых рельсов. Они показали сильное смятие, особенно на участках с

Результаты опыта были настолько убедительны, что прокат­ ка малоуглеродистых тяжелых рельсов была прекращена. Та­ ким образом, никаких особенностей в свойствах рельсов Р-43,

песчаный балласт заменяется щебеночным, увеличивается число шпал на 1 км пути. Кроме этого, рельсы Р-50 и, особенно Р-65, имеют больший момент инерции поперечного сечения, чем рель­ сы Р-43. В результате всех этих изменений жесткость пути воз­ растает, и соответственно растет стёпень динамического воздей­ ствия подвижного состава на рельсы. Удары становятся более жесткими. Контактные напряжения на поверхности контакта колеса с рельсом практически не зависят от момента инерции профиля рельсов. Они определяются только нагрузкой и вели­ чиной контактной площадки. Последняя при прогибах рель­ сов резко возрастает, и поэтому на более слабых рельсах Р-43 и мягком песчаном основании контактные напряжения меньше. В результате этого меньше и повреждения рельсов. Такое пред­ положение заслуживает внимательного изучения. Возможно,

не возврат к песчаному балласту и рельсам малого веса, а соз­ дание новых конструкций крепления рельсов к шпалам, вклю­ чающих упругие амортизирующие элементы, способные смяг­ чить жесткость ударов неподрессоренных масс о рельсы.

Однако главная причина малого изъятия рельсов Р-43 по де­ фекту № 82 состоит в другом. Как указывалось выше, этот де­ фект начинает интенсивно развиваться после пропуска 120— 150 млн. тгруза. Но гораздо раньше на рельсах Р-43 возникают другие дефекты. Очень большое количество рельсов Р-43 сни­ мается с пути из-за дефектов 1, 3, 6, 7-й групп. Таким образом, рельсы выходят из строя еще до того, как на них начал бы раз­ виваться дефект № 82. При этом следует иметь в виду, что об­ щий съем с пути рельсов Р-43 во много раз превышает съем бо­ лее тяжелых рельсов, и поэтому применение легких рельсов не облегчит положение на железных дорогах, а, наоборот, сделает невозможной эксплуатацию пути.

Из сказанного вытекают следующие возможности борьбы с дефектом № 82, распространение которого на железных доро­ гах Советского Союза в настоящее время создает трудности для транспорта. Прежде всего необходима реконструкция особенно трудных участков пути с кривыми радиусом меньше 600 м. За­ тем нужно ввести обязательную смазку внешних рельсов в кри­ вых посредством путевых лубрикаторов. Необходима разработ­ ка новых систем крепления пути с упругими амортизаторами.

Рельсовая сталь при высоких прочностных характеристиках должна обладать определенным запасом пластичности. По мнению некоторых специалистов, здесь необходимы стали, ко­ торые при прочности порядка 140—150 кг/мм2 обеспечивали бы при разрыве удлинение 10—12% и сужение площади попереч­ ного сечения около 30%. Ясно, что разработка такой стали и особенно внедрение ее в производство представляют исключи­ тельные трудности, и вряд ли эта задача может быть решена до тех пор, пока на рельсопрокатных заводах не будут построены цехи полной термической обработки рельсов.

Введение термической обработки углеродистых рельсов бу­ дет способствовать исчезновению той разновидности дефекта № 82, образованию которой предшествуют смятие и наплыв ме­ талла на боковую вертикальную грань головки. Это наиболее опасный вид дефекта вследствие склонности его к переходу 'в поперечные изломы типа дефекта № 64.

На прямых участках пути выщербины на поверхности катания или исчезнут совсем, или будут крайне редким явлением, а на кривых радиусом 600 м и больше количество выщербин будет в 3—4 раза меньше, чем наблюдается сейчас на необработанных