Кулик В. В. Розроблення концепції створення високоміцних колісних сталей

В дисертації, з позицій структурної механіки втомного руйнування сформульовані та обґрунтовані рекомендації в галузі матеріалознавства, які забезпечують вирішення важливої науково-технічної проблеми підвищення надійності і довговічності високоміцних залізничних коліс. Запропоновано нову концепцію створення сталей для забезпечення високого опору зношуванню і пошкоджуваності поверхні кочення коліс, розроблено вимоги до комплексу механічних характеристик таких сталей та обґрунтовано хімічний склад сталі для залізничних коліс нового покоління, а також режим термічної обробки їх ремонтних наплавок. Виявлено, що негативний вплив корозивного середовища на поріг втоми Kth та циклічну в’язкість руйнування Kfc стандартних колісних сталей марок 2 і Т незначний, а схильність до низькотемпературного окрихчення зростає з підвищенням вмісту вуглецю в сталі. Встановлено, що за впливу термосилових чинників в зоні контакту під час гальмування, коли перлітна структура трансформується в мартенситну, вихідні стискальні залишкові напруження ІІ роду змінюються на розтягальні тим сильніше, що вищі вміст вуглецю в сталі та швидкість її охолодження. Показано, що пошкоджуваність поверхні кочення модельних коліс при контактно-циклічному навантаженні пари колесо-рейка зростає з підвищенням міцності (твердості), що зумовлено високим вмістом вуглецю в колісній сталі. При цьому пошкодженість однозначно корелює з циклічною в’язкістю руйнування сталі за нормального відриву (ΔKІ fc) та поперечного зсуву (ΔKІІ fc). Їх можна вважати визначальними для процесу пошкоджуваності, на відміну від порогів втоми ΔKІ th і ΔKІI th. Для оцінювання роботоздатності колісних сталей запропоновано використовувати високотемпературне (500-800ºС) значення їх відносного видовження, яке характеризує схильність до утворення повзунів на поверхні кочення, та діаграму експлуатаційної надійності – залежність між опором пошкодженості і опором зношуванню, що комплексно характеризує схильність сталей до утворення вищербин на поверхні кочення коліс. Базуючись на діаграмах конструкційної міцності та експлуатаційної надійності встановлено, що оптимальним поєднанням характеристик міцності та циклічної тріщиностійкості, опору зношуванню і пошкоджуваності володіють комплекснолеговані сталі з поєднанням твердорозчинного (за підвищеного вмісту Si i Mn) та дисперсійного (після мікролегування V i N) зміцнення. Рекомендовано комплекснолеговану сталь з твердорозчинним (Si ~1% і марганцем ~1%) та дисперсійним ([V‧N]‧104 = 20…25%) зміцненням за пониженого вмісту вуглецю (0,52…0,53%) для дослідно-промислової перевірки з метою виготовлення залізничних коліс нового покоління. Показано, що підвищення циклічної тріщиностійкості зони термічного впливу ремонтної наплавки залізничних коліс досягається формуванням у цій зоні змішаної структури верхнього і нижнього бейніту (~66%) та мартенситу (~34%) і витримкою 2…3 год, перериваючи охолодження сталі при 100ºС, тобто за температури між точками початку (Ms) і кінця (Mf) мартенситного перетворення.