Розмір шрифту: 

На железнодорожное колесо действует сложный комплекс вертикальных и боко-вых нагрузок от тяговых, направляющих и боковых сил, значительную часть которых со-ставляют инерционные силы от необрессоренных деталей [1]. При эксплуатации колесо находится в сложном напряженном состоянии, определяемом системой контактных, ди-намических и циклических напряжений. Динамические напряжения возникают от давле-ния колеса при его качении по рельсу, нагрузки при ударах о стыки рельсов и др. Кон-тактные напряжения обусловлены взаимодействием колеса с рельсом и тормозными ко-лодками, когда возникают касательные напряжения и напряжения от тепла трения при торможении. Тепловые напряжения, действующие в ободе и диске, являются циклически-ми. Все эти напряжения вызывают в колесе упруго-пластические и тепловые явления, способствуют усталостным процессам в ободе и диске, подрезу гребня и разрушению по-верхности катания. В колесе при эксплуатации возникают различного рода повреждения: износ поверхности катания (изменение профиля поверхности обода по кругу катания), дефекты теплового воздействия (ползуны навары, тормозные выщербины, термические трещины), усталостное выкрашивание, хрупкие трещины.
Комплексный подход к механизму изнашивания железнодорожных колес включает не только изучение структурных изменений, происходящих в поверхностных слоях обо-дьев [2, 3], но также анализ частиц износа и установление механизма их образования. Многообразие условий работы пар трения позволяет утверждать, что общим подходом может быть представление об усталостной природе разрушения поверхностных слоев [4]. Интерес к изучению механизма износа связан не только с необходимостью сокращения связанных с износом потерь, но и с разработкой эффективных методов прогнозирования долговечности колес, обеспечением надежности их работы, особенно в экстремальных ус-ловиях. Механизм износа поверхности катания представляет совокупность механических, теплофизических и химических явлений и связан с образованием частиц износа и микро-трещин в местах интенсивной пластической деформации и в участках "белого слоя", вблизи частиц неметаллических включений и продуктов коррозии стали [2,3].
Целью настоящей работы было изучение механизмов образования частиц износа на по-верхности катания железнодорожных колес в процессе эксплуатации.
При визуальном осмотре колес с сильно изношенным ободом на поверхности ката-ния обнаружены такие дефекты, как ползун, наволакивание металла, отслоения, наплыв металла с поверхности катания на наружную боковую грань обода, усталостно-коррозионный износ. В результате наплыва произошло искажение профиля поверхности катания в процессе эксплуатации (рис. 1, а). От ползуна в глубинные слои обода расходят-ся многочисленные трещины, сопровождающиеся зонами смятия металла, а также корро-зионным разъеданием стали. Очевидно, максимальный износ поверхности катания проис-ходит в зонах выкружки и наплыва.
Микроструктура ободьев колес вблизи поверхности катания характеризуется нали-чием зоны деформированных зерен и участков "белого слоя" (рис. 1, б, в) [3, 4]. Появле-ние зоны деформированных зерен связано со смятием металла в контакте с рельсом от давления. Пластические сдвиги в тонком поверхностном слое прошли в условиях относи-тельно высоких давлений и циклически изменяющейся температуры. Характер микро-структуры свидетельствует о неоднородном  протекании пластической деформации по се-чению обода, что связано с неоднородным распределением контактных напряжений: из-вестно, что в зоне выкружки они выше, чем в середине поверхности катания [3, 4].


Рис. 1. Макроструктура колеса с изношенным ободом (а) и зоны структурных из-менений вблизи поверхности катания (б, в – х 200)

Значения величин степени вытянутости зерен ε, глубины зоны пластических сдви-гов h и плотности дислокаций  в разных участках поверхности катания колеса 1 приве-дены в табл. 1. Глубина зоны деформированных зерен по ширине обода неодинакова. Наиболее глубоко пластическая деформация распространилась в месте выкружки гребня и зоне наплыва у края обода. Степень вытянутости зерен позволяет судить о степени де-формации стали в поверхностном слое обода. Характер изменения микротвердости анало-гичен. Плотность дислокаций, определенная рентгеноструктурным методом, также не одинакова в различных местах поверхности катания (табл. 1). Участки "белого слоя" представляют собой бесструктурный мартенсит – это хрупкая структурная составляющая, которая выкрошивается в процессе работы колеса. Появляется "белый слой" вследствие нагрева тонкого поверхностного слоя от тепла торможения до температуры выше А3 и по-следующего резкого охлаждения после отключения тормозных колодок. Ширина "белого слоя" составляет 20…40 мкм.

Таблица 1 – Значения параметров микроструктуры , h и  разных участков по-верхности катания


Вдоль всей поверхности катания встречаются микротрещины и расслоения, приво-дящие к формированию и отслоению частиц износа, а также хрупкому разрушению в зоне выкружки, что на практике вызывает массовые подрезы гребней колес. Образование час-тиц износа имеет разные причины, а форма частиц износа зависит от условий их образо-вания.
Одной из главных причин формирования частиц износа является протекание пла-стических сдвигов с довольно большой степенью деформации, которая имеет неоднород-ный характер [2, 3]. На границах зон с разной степенью деформации, а также в участках интенсивной и турбулентной деформации возникают микротрещины (рис. 2, а), отслое-ния, частицы износа (рис. 2, б). В зоне выкружки возникает множество частиц износа, что свидетельствует о значительной локализации деформации и приводит к подрезу гребня.


Рис. 2. Частицы износа вблизи поверхности катания в зоне интенсивной пластиче-ской деформации: а –х100, б – г  –х200

Частицы износа, возникшие вследствие развития интенсивной пластической де-формации вблизи поверхности катания, представляют собой чешуйки или пластины раз-ной толщины. Они характерны для нормальных условий износа [4]. Согласно теории из-носа «отслаиванием» [5], при трении максимальная плотность дислокаций возникает не-посредственно не на поверхности, а на некоторой глубине, где и появляются протяженные микротрещины (рис. 2, в), растущие до критического размера в результате пластического течения стали (рис. 2, г). При этом в зоне между трещинами и поверхностью катания ло-кализуется пластическое течение стали и образуются частицы в виде чешуек, которые от-слаиваются. Образование чешуек износа происходит путем вязкого отслоения металла при слиянии этих микротрещин и сопровождается пластическим течением стали вблизи поверхности катания колеса.
Данные по определению плотности дислокаций на поверхности катания, приведен-ные в работах [2, 3], свидетельствуют о развитии интенсивной деформации в процессе эксплуатации колес. На поверхности катания плотность дислокаций составляла 1010…1011 см-2. Однако на глубине 100…200 мкм от поверхности катания величина плот-ности дислокаций была примерно в 2…3 раза выше, чем непосредственно на поверхности катания. Такое различие в плотности дислокаций связано с выходом движущихся дисло-каций на свободную поверхность при пластической деформации. Кроме того, известен факт «экранирующего» влияния внешней поверхности (в нашем случае – поверхности ка-тания колеса) на движущиеся дислокации [5].
Были определены напряжения трения для частиц износа определенной толщины вблизи поверхности катания [6]. При пластической деформации вблизи поверхности ката-ния на движущиеся дислокации действует, так называемое, поляризационное напряжение σi:
σi = G. b / 4π (1-ν)                                                                             (1)

где G – модуль сдвига колесной стали;
b – вектор Бюргерса дислокаций;
ν – коэффициент Пауссона колесной стали.

Этой силе противостоят напряжение трения σтр и изменение поверхностной энер-гии, когда дислокации перемещаются от поверхности. Приравнивая уравнение (1) к силам трения, получаем решение уравнения для толщины частицы износа aч :

aч = G. b / 4π (1-ν) σтр                                                              (2)

Напряжение трения вблизи поверхности катания можно приблизительно выразить следующим образом:
σтр ~ G ε2 с                                                  (3)

где ε – степень деформации стали;
с – концентрация примесных атомов;
G – модуль сдвига колесной стали.

Рассматривая особенности развития пластической деформации колесной стали вблизи поверхности катания колеса следует учитывать взаимодействие этой поверхности с окружающей атмосферой, приводящей к образованию коррозионных повреждений. Из-вестно, что начальный этап коррозии включает адсорбцию атомов элементов из окру-жающей влажной среды, что может вызывать эффект адсорбционного облегчения пласти-ческой деформации вблизи поверхности катания колеса (эффект П. А. Ребиндера) [7]. Яв-ление пластифицирования поверхностных слоев объясняют влиянием изменения поверх-ностной энергии на поведение деформируемого твердого тела (снижением поверхностно-го потенциального барьера, оказывающего влияние на поведение дислокаций в припо-верхностном слое деформируемого металла), а также уменьшением сил трения и предела текучести стали [7]. По-видимому, пластифицирование поверхностности катания  способ-ствует на начальных этапах эксплуатации железнодорожного колеса сглаживанию шеро-ховатостей на поверхностях катания колеса и рельса, допустимому изменению профиля поверхности катания колеса, что ускоряет, так называемый, полезный износ, необходи-мый для ускорения процесса прирабатываемости в системе колесо-рельс. Далее для обра-зования поверхностных дефектов (частиц износа) необходимо достижение предельного состояния деформационного упрочнения стали, и этот этап деформации ускоряется под действием поверхностно-активной среды [7]. При образовании и отслоении частиц износа появляются новые «свежие» поверхности развивающихся трещин, на них происходит ад-сорбция активных элементов окружающей влажной среды. Такое адсорбционное проник-новение поверхностно-активных компонентов внутрь трещин происходит с достаточно высокими скоростями [7], что приводит к снижению поверхностной энергии трещин (а значит, и работы их образования) и облегчает тем самым дальнейшее их развитие в про-цессе пластической деформации стали. Кроме того, в результате адсорбционных процес-сов на поверхности частиц износа развивается коррозия стали, поэтому на них нередко видны продукты окисления. Известно, что влажная среда проникает внутрь образовав-шихся трещин под влиянием капиллярного давления с достаточно высокой скоростью. Термодинамическая неизбежность процесса проникания поверхностно-активных веществ в трещины объясняется понижением поверхностной энергии внутри трещины под влияни-ем адсорбции. Таким образом, влажная окружающая среда, содержащая к тому же раз-личные смазки, загрязнения и т. д., оказывает отрицательное влияние на усталостную прочность поверхности катания колеса благодаря адсорбционному и коррозионному эф-фектам.
Согласно данным работы [5], частицы износа, представляющие собой чешуйки или пластины разной толщины, образуются при равномерном распределении дислокаций по толщине этих частиц-чешуек. После образования этих чешуеобразных частиц некоторые из них попадают между двумя скользящими поверхностями колеса и рельса, в результате они могут быть обкатаны с изменением формы или разрушены, либо остаться прежнего размера и «плоской» формы.
Износ поверхности катания колеса, сопровождающийся развитием интенсивной пластической деформации, происходит послойно и каждый слой состоит из большого числа чешуек – частиц износа. Их количество N в каждом слое пропорционально числу микротрещин, образовавшихся при пластической деформации. Скорость слияния микро-трещин и критическая степень деформации, необходимые для образования свободных частиц износа, зависят от глубины зоны пластической деформации с максимальной плот-ностью дислокаций. Определены общий износ поверхности катания при развитии пласти-ческой деформации, размеры и уровень шероховатости частиц износа, скорость износа поверхности катания [6]. Очевидно, скорость износа уменьшается, когда снижается ин-тенсивность пластической деформации в поверхностном слое обода колеса.
Вторым источником образования частиц износа на поверхности катания колеса яв-ляется, так называемый, «белый слой», который обладает повышенной хрупкостью [2, 3]. Вблизи участков «белого слоя» обнаруживается локализация деформации поверхностного слоя обода колеса, что способствует концентрации напряжений и выкрашиванию «белого слоя». Частицы износа имеют вид осколков с острыми краями неправильной формы (рис. 3, а). Они обычно возникают при очень высоких давлениях и их появление можно связать с образованием в поверхностных слоях ободьев мелких усталостных трещин [4].
Следует отметить, что под хрупким «белым слоем» сталь пластически деформиру-ется и на границе этих структурных составляющих возникают силы отталкивания, дейст-вующие на движущиеся дислокации [4]. Это может привести к появлению микротрещин как вдоль границы «белый слой» –деформированная структура стали, так и на некотором расстоянии от нее, аналогичных приведенным на рис. 2, в и параллельных поверхности катания колеса (рис. 3, б). Для трансформации таких микротрещин в частицы износа спра-ведливы рассуждения, приведенные выше.


Рис. 3. Частицы износа (а) и выкрашивание «белого слоя» (б); х1000

Третьей причиной образования частиц износа являются неметаллические включе-ния, которые имеют металлургическое происхождение и являются концентраторами на-пряжений и деформаций в колесной стали [7]. Образованию трещин и частиц износа так-же способствует окисление и коррозионное разрушение поверхности катания, причем эти процессы приводят к формированию непосредственно на поверхности катания грубых включений сложных оксидов. Наличие включений и продуктов коррозии существенно по-вышает скорость образования микротрещин и их объединения, что увеличивает интенсив-ность износа (усталостного и при трении) [7].
Анализ микроструктуры колесной стали вблизи поверхности катания колес пока-зал, что  неметаллические включения и продукты коррозии колесной стали способствуют неоднородному развитию деформации, появлению зон турбулентного течения (рис. 4, а) и способствуют образованию зон с повышенной степенью деформации. Поведение неме-таллических включений, находящихся вблизи поверхности катания под влиянием дейст-вующих напряжений зависит от их типа. Они пластичны (сульфиды), либо не подвержены пластическому формоизменению (оксиды, силикаты, карбонитриды титана). Неметалли-ческое включение, находящееся вблизи поверхности катания колеса, находится в сложном напряженном состоянии, определяемом системой контактных, динамических и цикличе-ских напряжений. Возникающий в процессе эксплуатации колеса градиент температур вблизи поверхности катания приводит к неоднородному распределению деформаций в стальной матрице и сил, действующих на включение.
В условиях высоких давлений и циклически изменяющихся температур взаимодей-ствие контактирующих поверхностей включения и стальной матрицы происходит путем установления механического контакта и развития диффузионных процессов.
Механический контакт устанавливается в результате сглаживания неровностей по-верхностей включения и матрицы колесной стали путем развития контактного трения их поверхностей друг относительно друга, препятствующего их относительному перемеще-нию. Такое трение является кинематическим сухим трением скольжения [8]. Проанализи-рованы условия трения на межфазных границах неметаллическое включение-матрица ста-ли [6]. Контактное трение усиливает неоднородность деформации матрицы колесной ста-ли вблизи включений, что может оказать влияние не только на уровень напряжений, дей-ствующих на включение, но и на схему напряженного состояния [8]. В процессе контакт-ного взаимодействия включений и стальной матрицы возможно вращение включений (рис. 4, а), что вызывает моментные напряжения и способствует локальным пластическим поворотам в стальной матрице в результате ее вихревого течения.
В процессе совместной деформации системы включение-матрица вблизи поверх-ности катания колеса образуется характерная волокнистая зеренная структура колесной стали (рис. 4, а). Волокна матрицы огибают включение, постепенно «наезжают» на него (рис. 4, б), при этом возможно расслоение вдоль межфазных границ раздела включение-матрица (рис. 4, в). При этом на границах включение-матрица концентрируются сжимаю-щие и сдвиговые напряжения, способные разрушить включение, если они превысят пре-дел прочности включений при сжатии (рис. 4, б).


Рис. 4. Локализация деформации (а) и формирование частиц износа вблизи неме-таллических включений и продуктов коррозии колесной стали (б-г) на поверхности ката-ния железнодорожных колес: а, б –х 400, в, г –х 200

При ускоренном торможении в условиях резкого повышения температуры следует учитывать возможную роль проскальзывания вдоль межзеренных границ в аустените и межфазных границ включение-матрица в развитии деформации вблизи поверхности ката-ния колеса [8]. Следует отметить, что неметаллические включения нередко являются цен-трами локального обезуглероживания стали, что вызывает структурную неоднородность и влечет за собой неоднородное развитие пластических сдвигов, а также образование мик-ротрещин и частиц износа.
Необходимо рассмотреть еще один аспект влияния легкоплавких неметаллических включений на образование частиц износа вблизи поверхности катания железнодорожных ко-лес в условиях экстренного торможения и локального разогрева поверхности катания до тем-ператур, соответствующих аустенитной области, когда может произойти оплавление и даже плавление легкоплавких железо-марганцевых сульфидов и сульфидных эвтектик [8-12]. Тог-да возможно проявление локальной сульфидной красноломкости, когда резко снижаются пластичность и прочность колесной стали. Если поверхность катания колеса нагревается до высоких температур сульфидные включения плавятся (рис. 5, а), происходит резкая локали-зация деформации стали и возникает множество трещин, т. е. происходит разрушение стали при достижении относительно невысоких степеней деформации. Жидкие прослойки легко вытягиваются параллельно поверхности катания колеса (рис. 5, б), между ними распростра-няются трещины, способствующие образованию частиц износа.
Вблизи неметаллических включений и продуктов коррозии колесной стали части-цы износа имеют вид петель, спиралей, аналогичных стружкам при резании (рис. 4, г). Та-кую форму они принимают благодаря остаточным напряжениям, связанным с неоднород-ным распределением дислокаций по толщине частиц износа, образовавшихся вблизи включений [5]. По данным работы [4], такие частицы износа предшествуют повреждению и обнаруживаются, главным образом, на поверхности катания перед локальным разруше-нием. В случае локальной сульфидной красноломкости стали в участках поверхности ка-тания, где прошло оплавление сульфидных включений, наблюдается множество частиц износа как спиральной формы, так и компактной неправильной формы (рис. 5, в), что выз-вано наличием множества микротрещин в этих зонах, а также дроблением частиц износа вследствие сильной локализации деформации.


Рис. 5. Образование частиц износа в зонах сульфидной красноломкости на поверх-ности катания железнодорожных колес; х600

Рассматривая влияние продуктов коррозии на образование частиц износа, следует учитывать еще один аспект влияния на развитие усталостного разрушения на поверхности катания внешней среды. Выше было отмечено, что начальный этап коррозии включает адсорбцию атомов элементов из окружающей среды, что вызывает эффект адсорбционно-го понижения прочности изделия (эффект Ребиндера) [7]. Возникающие в поверхностном слое обода (вблизи поверхности катания) пластические сдвиги, термоциклирование в про-цессе торможения и взаимодействие с окружающей атмосферой создают условия для ин-тенсивного развития диффузионных процессов, которые способствуют более интенсивной адсорбции элементов из окружающей среды. На поверхности катания железнодорожного колеса происходят адсорбционно-усталостные явления, приводящие к зарождению уста-лостных трещин и частиц износа и сопровождающие их рост и отслоение [4]. Наличие межфазных границ включение-матрица стали с их дефектной структурой и межфазными напряжениями [11], а также образование в них микротрещин несомненно способствует локализации проявления эффекта адсорбционного понижения прочности поверхности ка-тания железнодорожного колеса вблизи неметаллических включений, который энергети-чески характеризуется понижением работы образования новых поверхностей твердого те-ла в процессе деформации и разрушения под влиянием образования на них адсорбционно-го слоя [7]. По-видимому, для межфазных границ включение-матрица особенно актуальна силовая трактовка эффекта адсорбционного понижения прочности, связанная с возникно-вением расклинивающих усилий в этих границах, способствующих прониканию адсорб-ционного слоя в глубь от поверхности катания [7], что, в свою очередь способствует от-слоению включений от стальной матрицы и формированию частиц износа.
Выводы. Многократное циклическое термомеханическое воздействие на поверх-ность катания колеса при взаимодействии ее с рельсом приводит к накоплению напряже-ний и дефектов (микротрещин, расслоений, отслоений), что способствует образованию частиц износа, имеющих разную форму, источник и механизм формирования:
– Наиболее распространенные частицы износа представляют собой чешуйки или пластины разной толщины. Образование таких чешуек износа происходит путем вязкого отслоения. Они характерны для нормальных условий износа и их появление связано с пластической деформацией вблизи поверхности катания колеса.
– При хрупком разрушении участков «белого слоя» образуются частицы износа в виде осколков с острыми краями неправильной формы. Их появление связано с образова-нием в поверхностных слоях ободьев мелких усталостных трещин, выход которых на по-верхность является началом образования частиц износа.
– Вблизи неметаллических включений и продуктов коррозии колесной стали час-тицы износа имеют форму петель и спиралей. Они образуются вследствие локализации деформации вблизи включений и наволакивания металла матрицы на включения, а также в результате расслоения межфазных границ включение-матрица. Такие частицы обнару-живаются, главным образом, на поверхности катания перед локальным разрушением.
– В случае проявления локальной сульфидной красноломкости образуется множес-тво частиц износа как спиральной формы, так и компактной неправильной формы, что вы-звано наличием множества микротрещин в этих зонах, а также дроблением частиц износа вследствие сильной локализации деформации.
Результаты анализа микротрещин, отслоений и частиц износа, а также механизмов их образования показали, что износ поверхности катания железнодорожных колес пред-ставляет собой сложное явление. Он происходит по нескольким механизмам (усталост-ный, адсорбционный, коррозионный, износ при трении) и является многофакторным про-цессом.

Литература:
1. Конструкції залізничних коліс світу / [Єсаулов В.П., Козловський А.І., Єсау-лов О.Т., Староселецький М.І.]. – Дніпропетровськ: Січ, 1997. – 428 с.
2.Таран Ю.Н., Есаулов В.П., Губенко С.И. Структурные изменения в ободьях желе-знодорожных колес с разным профилем поверхности катания // Известия вузов. Черная металлургия, 1989, №9, С. 101-105.
3. Таран Ю.Н., Есаулов В.П., Губенко С.И. Повышение износостойкости железнодорожных колес с разным профилем поверхности катания. Металлургическая и горнорудная промышленность, 2000, №2, С.42-44.
4. Марченко Е.А. О природе износа поверхностей металлов при трении. – М.: Нау-ка, 1979. – 118 с.
5. Suh N.P. The Delamination Theory of Wear. Wear, 1973, v. 23, n 1, p. 111 – 124.
6. Ресурс и ремонтопригодность колесных пар подвижного состава железных  дорог / Воробьев А.А., Губенко С.И., Иванов И.А. и др./ Москва: ИНФРА-М, 2011 – 264 с.
7. Лихтман В.И., Щукин Е.Д., Ребиндер П.А. Физико-химическая механика материалов. – Москва: Изд. Академии наук СССР, 1962. – 303 с.
8. Губенко С.И., Парусов В.В., Деревянченко И.В. Неметаллические включения в стали. – Днепропетровск: АРТ-ПРЕСС, 2005. – 536 с.
9. Губенко С.И. Неметаллические включения и прочность сталей. Физические ос-новы прочности сталей. – Германия, Саарбрюкен (Saarbrücken): LAP LAMBERT. Palmarium academic publishing, 2015. – 476с.
10. Губенко С.И., Ошкадеров С.П. Неметаллические включения в стали. – Киев: Наукова думка, 2016. – 528 с.
11. Губенко С.И. Межфазные границы включение-матрица в сталях. Межфазные границы неметаллическое включение-матрица и свойства сталей. Germany-Mauritius, Beau Bassin, Palmarium academic publishing, 2017. – 506 с.
12. Денисенко О.І. Розподіл температури одновимірного зразка в умовах місцевої термообробки / О.І. Денисенко, В.І. Цоцко, І.М. Спиридонова, Б.Г. Пелешенко // Фізика і хімія твердого тіла. – Т.9. – № 1 (2008). – С. 181-184.