Колеса відносяться до виробів, в яких в процесі експлуатації неможливо уникнути виникнення різних дефектів на поверхні кочення. При несприятливому розподілі залишкових напружень і незадовільній в’язкості металу обода від цих дефектів в радіальному напрямку можуть розвиватися втомні тріщини, що і приведе до руйнування колеса.

Взаємодія колеса і рейки є фізичною основою руху рухомого складу на залізницях. Процеси взаємодії коліс і рейок відносяться до числа найважливіших чинників, що визначають величину допустимої швидкості і безпеку руху поїздів. Від параметрів цієї взаємодії багато в чому залежать безпека руху та основні техніко-економічні показники колійних господарств та рухомого складу. Так, зокрема, втрати енергії, обумовлені зношуванням в системі колесо-рейка, складають 10-30 % витрачених на тягу поїздів паливно-енергетичних ресурсів.

Аналіз сил і напружень, що діють на колісну пару в експлуатації, показує, що напруження в контакті колеса з рейкою і гальмівною колодкою є основною причиною всіх пружно-пластичних деформацій і в значній мірі теплових явищ, що призводять до утворення дефектів на поверхні катання. Ці сили сприяють розвитку процесів втоми в ободі і диску колеса, викликаючи небезпеку його руйнування.

Матеріалом для досліджень служили зразки, виготовлені з досліджуваних коліс марки ER 7, виготовлених відповідно до вимог стандарту DIN EN 13262:2011. Дослідження якості коліс проводилося по всьому радіальному перерізу за місцем утворення дефектів поверхні кочення і вдалині від них.

При аналізі шліфа поблизу дефекту поверхні кочення, та відповідні зразки на протилежно діаметральній ділянці (рис. 1) встановлено, що поблизу дефекту метал шліфів над тріщинами і поблизу тріщин зазнавав деякої деформації (зерна перліту і, особливо, фериту мають витягнуту форму). Крім того, при невеликих збільшеннях мікроскопа можна спостерігати плин металу в зразках з тріщинами. Це вказує на дію експлуатаційних навантажень. Слід зазначити, що на шліфу по області кочення спостерігаються характерні структури «білого шару» без утворення тріщин, що вказують на інтенсивну експлуатацію та гальмування.

а

б

а – поблизу дефекту поверхні кочення, б – діаметрально протилежна ділянка

Рис. 1. Мікроструктура ободу залізничного колеса (×100)

Структура основного металу зразків ободу (на відстані ~ 20 мм від поверхні кочення колеса) складається з тонко диференційованого перліту з виділеннями фериту по границям зерен. Також на дослідному шліфі є частинки зносу, що виникли внаслідок розвитку інтенсивної пластичної деформації поблизу поверхні кочення, які представляють собою лусочки або пластини різної товщини. Вони характерні для нормальних умов зносу, і їх поява пов'язана з пластичною деформацією, що протікає поблизу поверхні кочення колеса, оскільки механізм зносу поверхні кочення представляє собою сукупність механічних, теплофізичних і хімічних явищ і пов'язаний з утворенням частинок зносу і мікротріщин в місцях інтенсивної пластичної деформації.

На рис. 2 при збільшеннях 100 крат показано, як поблизу вершини тріщини протікають акти початкової мікропластичної деформації. В іншому випадку ступінь її розвинення могла значно збільшитися і призвести до викришування металу (утворення вищербини). Помітно, що метал шліфів над тріщинами і поблизу тріщин зазнавав інтенсивної деформації і термічного впливу (зерна перліту і, особливо, фериту мають витягнуту форму; окремі частинки мають округлу форму). Крім того, при невеликих збільшеннях мікроскопа можна спостерігати наслідки течії металу – наявність зони інтенсивної пластичної деформації. Це вказує на дію експлуатаційних навантажень, які перевищують границю плинності.

Рис. 2. Мікроструктура дослідного шліфа з магістральною тріщиною та пластичною течією металу (×100)

Таким чином можна зробити висновок, що утворення дефектів на поверхні кочення дослідного колеса пов’язано з втомною природою і є дефектами експлуатаційного походження – втомними тріщинами і вищербинами по них.