Fracture Physics and Phase Transformation of Cementite in Rails under Extreme Operation Conditions

УДК 538.9:669.539.382:669.17:625.1

  • Michael A. Porfiriev Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russia Email: mporf372@gmail.com
  • Natalia A. Popova Tomsk State University of Architecture and Civil Engineering, Tomsk, Russia Email: popova-44@mail.ru
  • Victor E. Gromov Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russia Email: gromov@physics.sibsiu.ru
  • Yulia A. Shliarova Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russia Email: rubannikova96@mail.ru
  • Oleg A. Peregudov Omsk State Technical University, Omsk, Russia Email: olegomgtu@mail.ru
  • Yurii F. Ivanov Institute of High-Current Electronics, SB RAS, Tomsk, Russia Email: yufi55@mail.ru
Keywords: fracture mechanisms, perlite, plastic deformation, material structure

Abstract

This paper presents the quantitative estimation of carbon atom distribution in cementite particles and elements of defective substructures within the 10 mm depth area of the running surface of rails along the central axis and the symmetry axis of the upper fillet. The estimation is based on the electron microscopic study and X-ray spectral analysis. The subjects of the study are the differentially hardened 100-meter long rails after passing tonnage of 1411 and 1770 million tons of gross weight. There are three mechanisms of cementite plates transformation analyzed in the paper. It is shown that extremely long operation of rails is accompanied by a significant redistribution of carbon atoms in surface layers with depths up to 10 mm.

In the initial state, the basic amount of carbon atoms is concentrated in cementite particles. After the extremely long operation period, there are defects in the crystalline structure (dislocations, grain and subgrain boundaries) with the presence of the а-iron in the surface layer and the crystal lattice. An increase of passing tonnage from 1411 to 1770 million tons leads to a distinctive shift of carbon atoms to structural defects of the rail upper fillet. The discussion of the obtained results includes the concepts of bifurcation interstitial structure states in the crystalline structure rotation zones and plastic distortion, along with the analogies of extremely long operation and megaplastic deformations.

Downloads

Download data is not yet available.

Metrics

Metrics Loading ...

Author Biographies

Michael A. Porfiriev, Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russia

Applicant at the Department of Natural Sciences named after. prof. V.M. Finkel

Natalia A. Popova, Tomsk State University of Architecture and Civil Engineering, Tomsk, Russia

Candidate of Sciences in Technology, Senior Researcher

Victor E. Gromov, Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russia

Doctor of Sciences in Physics and Mathematics, Professor, Head of the Department of Natural Sciences named after. prof. V.M. Finkel

Yulia A. Shliarova, Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russia

Postgraduate Student of the Department of Natural Sciences named after. prof. V.M. Finkel, Researcher

Oleg A. Peregudov, Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Candidate of Sciences in Technology, Vice-Rector for Youth Policy and Educational Activities

Yurii F. Ivanov, Institute of High-Current Electronics, SB RAS, Tomsk, Russia

Doctor of Sciences in Physics and Mathematics, Professor, Chief Researcher

References

Yuriev A.A., Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Rubanniko-va Yu.A., Starostenkov M.D., Tabakov P.Y. Structure and Properties of Lengthy Rails after Extreme Long-Term Operation. Millersville, PA: Materials Research Forum LLC, 2021. Vol. 106. 194 p. DOI: 10.21741/9781644901472

Li Y.J., Choi P., Borchers C., Westerkamp S., Goto S., Raabe D., Kirchheim R. Atomic-Scale Mechanisms of Deformation-Induced Cementite Decomposition in Pearlite // Acta Materialia. 2011. Vol. 59. No 10. P. 3965-3977. DOI: 10.1016/j. actamat.2011.03.022

Gavriljuk V.G. Decomposition of Cementite in Pearlitic Steel Due to Plastic Deformation // Materials Science and Engineering: A. 2003. Vol. 345. No 1-2. P. 81-89. DOI: 10.1016/ S0921-5093(02)00358-1

Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Кузнецов Р.В., Глезер А.М., Шлярова Ю.А., Перегудов О.А. Деформационное преобразование структуры и фазового состава поверхности рельсов при сверхдлительной эксплуатации // Деформация и разрушение материалов. 2022. № 1. С. 35-39. DOI: 10.31044/1814-4632-2022-1-35-39

Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Кузнецов Р.В., Шлярова Ю.А., Юрьев А.А., Кормышев В.Е. Структура рельсов после экстремально длительной эксплуатации // Известия высших учебных заведений. Физика. 2022. Т. 65. № 3. С. 160-165. DOI: 10.17223/00213411/65/3/160

Кузнецов Р.Е., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Кормышев В.Е., Шлярова Ю.А., Юрьев А.А. Градиенты структуры, фазового состава и дислокационной субструктуры рельсов при сверхдлительной эксплуатации // Известия Алтайского государственного университета. 2022. № 1. С. 44-50. DOI: 10.14258/izvasu(2022)1-06

Tsellermaer V.Ya. Substructural and Phase Transformations During Intense Plastic Deformation of Metals // Steel in Translation. 1999. Vol. 29. No 12. P. 75-81.

Ivanisenko Yu., Lojkowski W., Fecht H.-J. Stress- and Strain Induced Phase Transformations in Pearlitic Steels // Materials Science Forum. 2007. Vol. 539-543. P. 4681-4686. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.539-543.4681

Ivanisenko Yu., Lojkowski W., Valiev R.Z., Fecht H.-J. The Mechanism of Formation of Nanostructure and Dissolution of Cementite in a Pearlitic Steel During High Pressure Torsion // Acta Materialia. 2003. Vol. 51. No 18. P. 5555-5570. DOI: 10.1016/S1359-6454(03)00419-1

Козлов Э.В., Базайкин В.И., Целлермаер В.Я., Иванов Ю.Ф., Игнатенко Л.Н., Попова Н.В., Чинокалов В.Я., Полторацикий Л.М., Закиров Д.М., Громов В.Е. Физика и механика волочения и объемной штамповки. М.: Недра, 1997. 287 c.

Глезер А.М., Метлов Л.С. Физика мегапластической (интенсивной) деформации твердых тел // Физика твердого тела. 2010. Т. 52. Вып. 6. С. 1090-1097. DOI: 10.1134/ S1063783410060089

Громов В.Е., Юрьев А.А., Иванов Ю.Ф., Гришунин В.А., Коновалов С.В. Перераспределение атомов углерода в дифференцированно закаленных рельсах при длительной эксплуатации // Известия вузов. Черная металлургия. 2018. Т. 61. № 6. С. 454-459. DOI: 10.17073/0368-0797-2018-6-454-459

Курдюмов В.Г. Превращения в железе и стали. М.: Наука, 1977. 238 с.

Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин А.В., Чернявский А.Г. Пластическая дисторсия — фундаментальный механизм в нелинейной мезомеханике пластической деформации и разрушения твердых тел // Физическая мезомеханика. 2016. Т. 19. № 1. С. 31-46. DOI: 10.1134/S1029959916010045

Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин А.В. Нелинейные волновые процессы в деформируемом твердом теле как многоуровневой иерархически организованной системе // Успехи физических наук. 2012. Т. 182. № 12. С. 1351-1357. DOI: 10.3367/UFNr.0182.201212i.1351

Гаврилюк В.Г. Распределение углерода в стали. Киев: Наукова думка, 1987. 207 с.

Бахарев О.Г., Гаврилюк В.Г., Дегтярев М.В., Левит В.И., Надутов В.М., Свечников В.Л., Чащухина Т.И. Влияние гидроэкструзии на структуру и фазовый состав перлитной стали // Физика металлов и металловедение. 1990. № 12. С. 86-90.

Published
2024-04-05
How to Cite
Porfiriev M. A., Popova N. A., Gromov V. E., Shliarova Y. A., Peregudov O. A., Ivanov Y. F. Fracture Physics and Phase Transformation of Cementite in Rails under Extreme Operation Conditions // Izvestiya of Altai State University, 2024, № 1(135). P. 43-49 DOI: 10.14258/izvasu(2024)1-05. URL: http://izvestiya.asu.ru/article/view/%282024%291-05.