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

Испытание под копром проводится три температурах в .пре­ делах от 0 до +40°. Вполне вероятны случаи, когда порог хлад­ ноломкости рельсовой стали лежит, например, при —40 или —20°. Следовательно, при -более низких температурах возможно и хрупкое разрушение рельса, несмотря на положительные ре­ зультаты копровых испытаний.

Сущность копровых испытаний состоит в том, что случайно взятый кусок рельса испытывается три высоких скоростях удара и большой живой силе бабы, т. е. с большим запасом по -отно­ шению к ударам неподреосоренных масс 'подвижного состава в -пути. В этом -случае даже дефектные части рельсов не будут разрушаться в пути. Такой подход к -оценке качества рельсов нельзя считать удовлетворительным.

Условия испытания были бы в большей степени приближены к условиям работы рельсов в пути, если бы были соблюдены температурные условия. Необходимо ввести охлаждение рель­ сов -при испытаниях до температуры .примерно —40° при соот­ ветствующем снижении веса бабы и высоты ее подъема. Тогда можно было бы оценить хотя -бы влияние хладноломкости рель­ совой стали на стойкость рельсов и предотвратить 'возможность хрупких разрушений их.

Дальнейшие попытки улучшить копровое испытание -рельсов сводились к тому, чтобы измерять работу раз-рушения рельсов при ударе. Еще в 1932 г. Бессонов -на за-воде Г -испытывал осо­ бое приспособление, которое -состояло из ламп-очки, закреплен­ ной на бабе копра. Фотография колеблющейся лампочки в мо­ мент падения б-абы давала -синусоиду -определенной длины вол­ ны. Длина волны синусоиды определялась скоростью движения бабы. Измеряя длину волны до удара бабы о рельс и после разрушения рельса, -можно было определить скорости движения бабы до удара и после него и вычислить работу, затраченную на разрушение рельса. Однако при коп-ровых испытаниях рель­ сы не ломались -с -одного удара, а термически обработанные не ломались даже при увеличении высоты подъем-а бабы до 11 м.

между ударной вязкостью стали и работой разрушения целых рельсов (рис. 51). Разброс точек на графике объясняется несо­ вершенством методики измерений -работы излома, а также ма­ лым числом испытанных образцов. Эта зависимость нуждается -в проверке. Если бы можно было заменить испытание на копре испытанием ударной вязкости, то -надежность испытания значи­ тельно повысилась бы.

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

Главное иесоответствсте между стриемочныши иопытан иями

ислужбой рельсов в шути заключается в том, что рельс .как эле­ мент 'конструкции является достаточно строчным против ударов

истатического изгиба. Наибольшее количество рельсов сни­

мается с пути вследствие повреждения контактной усталостью. Ясно, что возникновение усталостных дефектов почти не зависит ни от размеров профиля рельсов, .ни от других параметров, оп­ ределяющих прочность рельоа. Решающую роль стирают только ■величина контактных напряжений и механические свойства рельсовой стали. Способность же рельсовой стали сопротив­ ляться усталостным .нагрузкам никак не испытывается и не оце­ нивается ни при изготовлении, ни при сдаче-приемке рельсов. По этой причине рельсы, удовлетворяющие всем требованиям ГОСТа, быстро выходят из строя по усталостным дефектам.

В настоящее время важное значение имеет разработка на­ дежных и простых методов испытания рельсов на сопротивле­ ние контактной усталости и включение подобных испытаний в технические условия.

3. Свойства рельсовой стали

Химический состав рельсовой стали меняется с течением вре­ мени. На рис. 52 приведены данные завода А о среднегодовом содержании углерода, марганца и кремния в рельсах различных типов за 10 лет. Рост содержания углерода в рельсах Р-43 и Р-50 не только прекратился в последние поды, но наблюдается даже некоторая тенденция к снижению его.

Сравнительно низкое содержание углерода имеется и в рель­ сах Р-65. Так, в 1958 г. среднегодовое содержание углерода в рельсах Р-65 составило 0,725% при норме 0,69—0,82% по ГОСТу, т. е. очень близко к нижнему пределу. Другие заводы также стремятся выпускать рельсы с пониженным содержанием угле­ рода.

С июля 1958 и. и до середины 1959 г. по указанию ведомст­ ва путей сообщения рельсы прокатывали с стониженны'М содер­ жанием углерода. Предполагалось, что при снижении содержа­ ния углерода рельсы будут иметь более высокие пластические свойства и образование дефектов типа № 82 будет проходить медленнее. Эти предположения не оправдались: рельсы с пони­ женным содержанием углерода имели значительное смятие и ис­ тирание, а дефект № 82 развивался .на них не в .меньшей степе­ ни, чем на высокоуглеродистых рельсах.

Сталь, содержащая 0,8% С и 0,8% Мп, является заэвтектоидной. В микроструктуре стали иногда наблюдаются тонкие сет­ ки цементита. В таком состоянии сталь становится хрупкой.

Механические свойства эвтектоидной стали неустойчивы. Вследствие колебаний химического состава, режима прокатки

(особенно тем1пературы конца прокатки), скорости охлаждения и других трудно .контролируемых факторов свойства стали мо­ гут сильно изменяться. Особенно чувствительно к этим измене­ ниям сопротивление динамическим воздействиям, внезапным приложениям нагрузки и пр. Естественно, что металлургические

По отношению к содержанию марганца и кремния действуют также экономические факторы—при более низком содержании марганца и кремния себестоимость стали ниже.

Таким образом, получился современный состав рельсовой стали. Можно добиваться повышения содержания углерода и особенно марганца, но, конечно, в пределах ГОСТа. Это даст в среднем некоторое увеличение прочностных характеристик стали и уменьшит изъятие рельсов по дефектам, но в общем улучшение будет незначительным.

Резкое снижение содержания фосфора в рельсах аанода. А в 1954—1956 гг. объясняется переходом на выплавку маломар-

6*

резкого снижения серы и фосфора на свойства рельсов необхо­ димо 'было бы изготовить большую опытную партию особо чи­ стых по сере и фосфору рельсов и испытать ее в пути. Очевид­ но, что при этом нельзя брать непосредственно американские рельсы, так как технология разливки и прокатки рельсов в США резко отличается от нашей.

готовых рельсах водорода обычно содержится около 4 см3/ 100 г. Это содержание водорода является уже достаточным для обра­ зования флокенов в рельсовой стали.

На рис. 53, по данным завода В, приведена зависимость чис­ ла флокенов на поверхности пластинки длиной 200 мм и шири­ ной, равной ширине головки, от содержания водорода в стали. При этом исследуемая плоскость пластинки бралась на глуби­ не 22 мм от поверхности катания.

Между количеством водорода и числам флокенов имеется отчетливо выраженная связь. При содержании водорода около 3 см3/ 100 г флокены не возникают. Для полной гарантии в от-, сутствие флокенов содержание водорода не должно превышать 2 сл13/100 г. Если, например, вести борьбу с флокенами посред­ ством вакуумирования жидкой стали, то должно быть надеж­ но обеспечено содержание водорода не выше этого значения.

вает в .случае дисперсионного твердения твердых растворов, ког­ давыделившиеся частицы имеют оубм-икроскопическую вели­ чину. При службе рельсов в пути опасную концентрацию напря­ жений дают только крупные включения, видимые на шлифе в -виде полосок, а в пространстве представляющие собой тонкие пластинки. При размерах в плоскости пластинки несколько мил­ лиметров они служат очагами усталостных разрушений, типа дефекта № 26. Однако, как указывалось выше, вопрос об отказе от раскисления алюминием не может быть решен в настоящее время.

Химический состав рельсовой стали каждого из заводов, вы­ пускающих рельсы, имеет некоторые особенности. Наиболее свободной от различных сопутствующих элементов является сталь завода А. В рельсовой стали завода В устойчивой при­ месью является медь, содержащаяся в стали в количестве око­ ло 0,1%. Примесь меди оказывает в общем отрицательное влия­ ние на свойства стали. Так как растворимость меди в железе при низких температурах очень мала, то при медленном охлаж­ дении твердый раствор распадается с выделением структурно свободной е-фазы. (Выделения эти, имея оубмикроскопическую величину, вызывают а-диоперсионное твердение стали, ведущее к резкому снижению пластичности и ударной вязкости. •

Благодаря сравнительно небольшому содержанию меди в стали дисперсионное твердение не развивается до полного ох­ рупчивания металла. Однако плохо то, что медь обладает спо­ собностью накапливаться в поверхностных слоях металла. При нагреве слитков в колодцах и блюмов в печах с их поверхности преимущественно выгорает железо. Медь является более устой­ чивой к окислению. В результате поверхностные слои металла обогащаются медью и становятся недостаточно пластичными. При 'прокатке рельсов на выступающих частях профиля, осо­ бенно на .краях подошвы, возникают мелкие рванины.

В начале производства рельсов на заводе В это обстоятель­ ство вызьшало серьезные затруднения. Было найдено, что обо­ гащение медью поверхностных слоев металла протекает срав­ нительно медленно и при быстрых напрева-х и коротких выдерж­ ках хрупкость не развивается в полной мере. В результате были разработаны соответствующие режимы нагрева медистой стали. В настоящее время при производстве рельсов из этой стали за­ труднений нет. Однако влияние меди на эксплуатационные свой­ ства рельсов до сих пор остается неясным.

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

ляется химическим аналогом фосфора, то долгое время он счи­ тался вредной примесью в стали. Считали, что постройка рельсо'балочного цеха на заводе Б нецелесообр'азна.

Были предприняты большие исследования еще до постройки этого цеха. Около 3000 г слитков, отлитых на заводе Б, были перевезены на завод А и .прокатаны в рельсы. Прокатка про­ шла с большим браком, так как нагрев холодных слитков вы­ звал появление большого количества поверхностных дефектов. Было получено около 800 т годных рельсов, которые и были уложены в различные опытные участки. Довести наблюдение до конца удалось не за всеми рельсами по условиям военного

0,2%). В период службы опытных рельсов в пути температура снижалась до —45°, однако хрупких изломов рельсов не наблю­ далось. Позднее эти опыты были повторены Украинским инсти­ тутом металлов, причем содержание .мышьяка достигало 0,2— 0,25%. В этом случае также не наблюдалось отрицательного влияния мышьяка на свойства стали.

Таким образом, следует считать мышьяк (при содержании его в известных пределах) нормальным легирующим элементом, повышающим прочностные характеристики и усталостную вы­ носливость рельсовой стали.

Ванадий, хотя он присутствует в рельсах завода Б в незна­ чительных количествах в виде следов, способен оказывать на сталь модифицирующее действие. Несомненно, что ванадий способствует измельчению зерна стали, повышая тем самым ее пластичность и усталостную прочность.

В рельсовой стали завода Б сопутствующие элементы улуч­ шают механические характеристики и повышают эксплуатаци­ онные свойства рельсов.

Важнейшей характеристикой рельсовой стали являются ее механические свойства, так как они определяют эксплуатацион­ ные свойства рельсов. Для современной рельсовой стали предел прочности составляет 85—95 кг/мм2, предел текучести 45— 56 кг/мм2, удлинение при разрыве 5—11% и сужение площади поперечного сечения 8—15%.

Механические свойства определяют на образцах, вырезае­ мых из средней части головки. Прочность и пластические свой­ ства рельсовой стали сравнительно высоки. В термически необ­ работанном состоянии такое сочетание механических свойств можно наблюдать только у легированных сталей.

Повышение содержания углерода и марганца не вызывает существенного увеличения 'прочностных характеристик. Начиная с небольшого содержания углерода, прочность стали растет при повышении содержания его, но рост этот постепенно замедляет­ ся и выше 0,7% С дальнейший прирост прочностных характе­ ристик идет очень медленно. Появляется большой разброс то­ чек на кривой «содержание углерода — прочность», так что иногда 'большему содержанию углерода соответствуют меньшие значения пределов прочности и текучести, и наоборот.

Введение легирующих элементов (Mn, Cr, Ni и др.) в рель­ совую сталь в термически необработанном состоянии, также не повышает сколько-нибудь заметно ее прочности. В термически обработанном состоянии рельсовой стали большое влияние на прочность имеют легирующие элементы. Однако здесь также уг­ лерод имеет важное значение; при низком содержании его вы­ сокая степень прочности не может быть достигнута.

Указанные пределы прочности недостаточны для условий работы современных рельсов. Напряжения, возникающие на контактной площадке колеса с поверхностью катания рельсов, превышают предел текучести. Если рассчитать напряжения в го­ ловке рельсов под нагрузкой колеса, то эти напряжения пре­ восходят предел текучести рельсовой стали. Верхние слои ме­ талла головки работают в условиях пластической деформации. Совершенно понятно, что в таких условиях работа рельса не может быть устойчивой, и при циклических нагрузках будут развиваться те или иные усталостные разрушения.

В последнее время некоторые исследователи высказывают мнение, что известное увеличение продолжительности срока службы рельсов может дать повышение пластичности рельсо­ вой стали. Предполагается, что разрушения начинаются после того, как произошел уже значительный наклеп стали и она ста­ ла достаточно хрупкой. Следовательно, необходимо иметь до­ статочный запас пластичности при высоких показателях .проч­ ности, чтобы увеличить продолжительность периода первона­ чального наклепа.

Принять такую точку зрения равносильно тому, что, во-пер­ вых, признать условия работы рельсов .аналогичными условиям работы деталей при высоких температурах, где собственно раз­ рушение детали начинается е момента нагружения ее. Срок службы детали, работающей при высокой температуре, опреде­ ляется запасом пластичности ее, т. е. способностью давать боль­ шие деформации без разрушения. iBo-втарых, допустить, что рельс начинает разрушаться с момента прохождения по нему первого состава, и вопрос заключается только в том, чтобы рас­ тянуть этот период разрушения на возможно более долгий срок. Прийти к такому выводу можно только тогда, когда оконча­