автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Трещиностойкость и качество высокомарганцевой стали железнодорожных крестовин

РГ6 од

ИК^СТЕРГЕН) ЮТЕИ СООБЩЕНИЯ р<5 1 9 ордена Трудового Кргсниго Знгкэнк

Еэучно-асслэхозатеяьскаЗ институт гэяезнодорогаого транспорта

Нз правах руксп.мс:;

КОГАН Александр Генрихозяч

УЛХ 025.151.81:539.4.001.24 ТРЕЕЙВОСТОПСОСТЪ К КАЧЕСТВО БНСОКОМАРГАЕЦЕВОЙ СТАЛИ

^лгзкодорошых крестовин

Свешгаяьность 03.16.01 - Иэталлогодезсо я териячэская сбссботка кзталлсз

АВТОРЕФЕРАТ глссгртгдш па согсхаягэ учсгоЗ с?

!Ьскза

1£23

Работа Еьтолнэна бс Всероссийской ордена Трудового Красного Энакэна научно-всслодозательсксц внституте гглэзкодсрогного транспорта ШС СВНИИШ

НаучныЗ рукоеодегелъ: доктор тгхнзчзсккз наук, профессор

Еур Е. А.

О$ацвалькко оппояввты: доктор теяшчзсет: наук, профессор

Терентьез В. Ф. какмхат техкячс-сгоп: наук, старей каучнкЗ сотрудник Строк Я. П. Ведуц-з предприятие - Нозссногр^хяЗ стреяочнь£ зазод

Заакта диссертгщш состоятся <У 1233 г. в

сЮчас. на заседают спгцвализЕрозанного совета Д 114.01.04 пра Всэрсссайскоа ордена Трудового Красного Знаганз ЕаучЕО-гсслэдозательсяоа институте Еэлгзводорсаюго транспорта по адресу:_ 125551, Ксс:-за, 2-я Кипазксзая ул. 10.

Бал отзыв Еа автсре&рат з дзуг экзешляргг, сазгренннг печатьв, проели направлять б совет шстатута. •

С диссертацией кгено ознакомиться з бийязотекэ ВНИйаГ!

Автореферат разослан " г?" 1933 г.

Ученыа секретарь спецпглЕзгроваансго ссзега Л 114.01.04,

кгь-дкгт тахвачзсках паук /— Г. И. Пеньхова

-3...........1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность работа. Крестовины пэл^знодороЕных стрелочных переводов является ответственный и одкиц кз сашх уязви-иш элементов путл - вкаот в ужесточившихся условиях эксплуатация неудовлетворительную! надежность а стойкость а 5-10 раз ниае, чвы рельсы.

Ггсслсдсвання проводились э раьках целевой когалекснсй программы по проблеме 0В "Создание нодкх и совершенствование суцествусяюс конструкщй стрелочных переводов, технологии их изготовления н снстеш ведения стрелочного хсзяйстза" во исполнение Постановления Совета Нгнкстроз СССР II 208 от 16.03.82 г. , в соответствии с планами НИР по Министерству путей сообщения, координационным планом работ ка 1988-50 гт. по стрелочным переводам N Т-23305 от 15.09.03 г. и планаыи Государственной стандартизации на 1530-1£30 тт.

1.2. Пели я задачи"исследователя. Цельз застоящеЗ работы является повышение Еадегности я срока служен з эксплуатации згяезнодорогных крестовин с ялтея датажзэ а гысохогарганцевоЯ стали за счет совершенствования технических трэбованпЗ к ннгд п применения новыз технологий изготовления. 3 связи с зим бклн поставлены и резэны следукцге задачи.

1. Анализ выполнения действ-ув^го стандарта на крестовики заводаш-изготовителяня с оценкой достоверности и точности результатов приемочного контроля. Оценка качества металла непосредственно из крестозин производства различных заводоз КПС.

Определение перспектив созерзенствозаЕпя технических требовании к крестовннгл. Определение параметров и их уровней для ралгруппировки крестовнЕной продукции по качестзу.

2. Изучение литейной дефектности отливок крестовин и ее

контроля ка заводах МПС, определение степени опасности различных дефектов к обоснованности тре-ЗованаЗ Перечня допускае!лых дефектов изготовлена крестовин.

3. Изучение влияния гшыкческого состава и механических свойств высоконарганцезой стали на износостойкость и дефекто-стойкость крестовин в эксплуатации. Изучение влияния химического состава к коьялекса технологических факторов на механические свойства высоко8£арганцезой стали. Оптимизация хкьскческого состава стали для крестовин.

4. Исследование ци-'с^гческой долговечности, циклической и статической трециносгоЁкостн зысокоаарганцевой стали крестовин различного качества. Оценка сзязл отих свойств со стандартные С по ГОСТ 7370-76] кэхгническшга свойства^-: и структурой стали. Развитее методов расчетной оценки долговечности хвостовиков крестовин.

Б. Оценка перспективности новых технологий прп производство крестовин - уарочаекйй псззрхнсстной пластической дефоркзаизй, выплавки стали с использование!! в шкпе кэтгляазованння окаты-сой, суспанзпснЕОл залнгкп с введением дисперсны:: кнскулятороз.

1.3. Научная новизна. -Научная новизна исследований заключается в следующей: '

- выполнено комплексное исследование циклической долгогечаости, циклпче:ксй к статической трециЕостойкссти, получены корректные базовые и граничные оценки определяемых при этих испытаниях • свойстз высоксыарганцевой стали ¡:з крестозпн текущего производства;

- исследовано влияние условий нагругекпя на поведение высоко-г.арх гнцэвой стала при усталости: сбнаругэно для этой'стала отсутствие влияния предыстории нагругения С тренировки), относе-

тельно слабое влияние акакетрии цикла, растягивавших статических перегрузок, отсутствие отличий з кинетике и картине разрушения при цдклирозакки растяжением „ сгатаен, обнаружена слабость эффекта закрытия трепины, слабость эффекта короткой трещгаы;

обнаружен ряд особенностей, отличапцдк поведение ВМ-стали при усталости: сильный Сна 2-3 порядка больше, чем для других материалов) разброс точек на низкоамплитудной участке кинетической диаграммы усталостного разрушения СКДУ?), укорочение пли отсутствие этого участка, слабо зырагаккьЯ переход от второго к третьему участку К5У?, сасетки траяскрпсталлнтксго роста усталостной трезины С?УТЗ во зсэх зона;: усталостных :гзло1газ образцов и крестовин С кроне долома), ориентирован:-:::- здоль единственной з каадсц зерне плоскости скольгеная ила параллельных плоскостей единственной пачка сколъгекпя, распологзнзэ этих плоскостей исклпчзтельно 3 плоскости Двнярптоз еизепх порядков;

- исследовано влияние па цпккическуп долговечность, азгсязчэскуо н статпчггкуз тре^нностс&сость зисокктрганцевой стал:! ее структурных параметров Спорнстеста, ^акрсструхтуры, загрязненности Ееизтзлличэскгкз вклзчзпзгпя); предложена §знсмзногягичес!сая модель усталостного разрушения ото* ста", объяснявшая особенности ее поведения при разлнчзнх усзозкяз усталостного нагруг.е™:я;

- получена з гаде регрессионного уразЕакпя холпчэстзенная зазя-сипостъ эксплуатационной износостойкости крестовик от комплекса хштесксго состава п ьэхазнчэскпх сзойстз Е-гсококзргаЕцезоа стали с учетом совместного злпянзя я оценена значимость влияния каждого из

- получена количественная оценка влияния ксгхплекса хнгячестсого

состава к ко;,^локса технологических факторов производства на механические свойства вксокоыарггкцевой стали для крестовин, определен оптимальный химический состав этой стали применительно к крестовинам, обеспечивавший стабильное получение повышенного комплекса механических свойств.

- оценены параметры конструктивной прочности зксокомарганцевоЯ стали крестовин, изготовленных по ковш технологиям: с упрочнением поверхностной пластической деформацией, вкплазки с использованием в шихте металлизозанныи окатькей, суспензионной заливки, и показана перспективность этих технологий.

1.4. Практическая ценность и реализация результатов работы.

- обоснованы и внедрены повышение ниених пределов требований к механически« свойства».-: стаял для кресгозин к измглекаэ прэдеяоз допусков требований к ез химическому составу С ГОСТ 7370-83);

- разработана и частично внедрена разгруппировка крестовинной продукции по ее качеству для рационального применения в эксплуатации СГОСТ 7370-83);

- получена оценка степени опасности для эксплуатации дефектов изготовления крестовик; обоснованы к внедрены изменении требований к допускаемой литейной дефектности изготовления крестовин

СД 104-44-01-30 "Перечень допускаем; дефектов"), внедрены на Днепропетровском стрелочной заводе рекомендации по предотвращении дефектов механической обработки хвостовикоз крестовин, что резко снизило число отказов в эксплуатации по трещина« крестовик этого завода;

- разработан и внедрен на заводах МПС "Атлас заводских дефектов литый деталей крестовин из внсскокарганцезон стали" РТМ 32 ЦТЕР-10-39, облегчивший и улучапвш® прпешеу продукции на заводах МПС.

- разработаны и утаерадавы Госстандартом "Рекомендации. Высоко-.

ьсарганцезые стали. Классификация дефектов литых деталей" Р 54-311-90;

- разработана иетодика расчета допускаешх напряжений з крестовинах с учетом свойств высокоыарганцезой стали; результаты расчетоз были использованы при проектировании крестовин новой конструкции.

Экономический аффект от внедрения результатов работы состазляет более 1,4 ылн.руб. в год Св ценах 1983 г.).

1.5. На зааиту зыносятся:

1. Методические подходы к оценке циклической и статической треаиностойкоста, а такээ хладноломкости высскоиарганцевоЯ стали крестовин.

2. Полученные комплексные оценки конструктивной прочности высокоыарганцезой стали крестовин различного качества и обкару-генные их зависимости от, пористости, макроструктуры к наханичес-ских свойств стали. -

3. Полученные даяние по кинетике усталостного разрушения Еысокоиарганцевой стали и предложенная феноменологическая модель, объяснявшая их.

4. Установленные зависимости: износостойкости крестовин от механических свойств стали, механических свойстз стали от ее химического состава а предлозенные варианта их оптимизации; полученные оценки степени влияния на механические свойства коьш-лекса химического состава и комплекса технологических факторов производства высокомарганцевой стали для крестовин.

5. Рекомендации по созерЕзнстзованип•технических требований к крестовинаи из внсокоцарганневоЗ стали, зопедшие в ГОСТ 737085, Перечень допусхаеиа дефектов в крестовинах Л 104-44-01-30, А-хлас заводских дефектов крестовин РТМ 32 Ц7ВР-10-39.

-s-

1.6. Апробация работы. Основные результаты работы дологены п обсуадекы на 8-й, 9-й и 10-й научно-технических конференциях цолодых специалистов и аспирантов железнодорожного транспорта

СМосква,1978,1980 и 1982 гг.), научно-техническом семинаре "Повышение служебных свойств высоколегированных литых сталей и чугукоз"(Москза,МДНТП,1587 г. 3, научно-технической конференции "Повышение качества отливок за счет современны:-: ыатодоз выплавки, легирования и термической обработки металлов"(Брянск,193Э г.3, научно-технической конференции "Проблеьи производства и применения сталей и чугуноз для техники в северном исполнении" (Свердловск,1939 г.), на совещаниях подкомиссии по стрелочным перевода.« Комиссии по путезо.ъу хозяйству Научно-технического совета Министерства путей сообщения СССР (Новосибирск,1SS3, Ленинград,1S37, Днепропетровск,1933, Новосибирск,1S91 ггЗ.

1.7. Публикации. По теке диссертации опуйликогано 9 печатных работ. , .

i.S. О'бъен работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, списка использованных источников 183 наименований, с приложений. CoflepsiT ¿'/^страниц машинописного текста, рисунков,.З^Ртаблиц.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ^ РАБОТЫ. ' / ,• :

В глава 1 проанализировано состояние зопроса по данным спуб.чикс заинкх работ, отечественны:: и иностранных стандартов." ■ Откачено противоречие оценок влияния параметров качества изготовления на эксплуатационные характеристики крестовик, обнаружено большое различие в результата::, полученных для высоког^арган-,. цевой стали (БМ-сталп) разныьа авторам, сильное расхождение мнений о влиянии химического состава и технологии на механические свойстза этой стал:-:, недостаточная изученность сопротивления

-9-

этой стали усталости и трэаиностойкоста.

На основании сделанных с учетом практических потребностей отрасли анализа и обобщений сформулированы цель и задачи работы.

В главе 2 излогены методические зопросы.

Исследование воздействия на ЗМ-сталъ различных способов ее обработки позволило разработать технологии, гарантируваую изготовление качественных образцов из требуемых зон крупногабаритных (4025-6000x600x200 мм) массивных (0,6-1,5 тЗ крестовин из труднообрабатываемой, склонной к сильному упрочнении, фазозым превраце-ниям и трегц-шообразованип ВМ-стали.

Химический состав ВМ-стали определяли кетодакз химического (по ГОСТ 7370-763 и иикрсрентгеноспектрального (установка CAMSBAX SX-50) анализов. Оценка механических сзойстз по ГОСТ 7370-75 проводилась испытанием образцов дкгкйтром 6 ни о пятикратной расчетной длиной на маанзах PS-и UTS (статическое растяжение) и образцов тип- 1 по ГОСТ 9454-78.на маятниковом кспрэ Ш-30 (ударный изгиб). В связи с большим, рассеянием результатов испытаний провели оценку влияния различных факторов испытаний, количества и качества образцов. Оценены влияние касзтабнсго фактора при разрывных и работы .зарождения и развития трецаны при ударЕых испытаниях (при +20°С и -60°С) для EM-стали крестовин.

Определение твердости прюзодилз на твердомерах: Брзнелля иариком диаметром 10 12?., Р=30 кН; Роквеяла ло зкале "С" и Виккерса при нагрузке па пирамиду-100 Н.

Саиротнвление стали контактной усталости оценивала на машине ЛГИ конструкции ЕННИПП Снагругение по схеме "сар-плос-хость") по методике Бычкозой-Дусевича на двух уровнях нагругеиия а- г.аз = к 2230 Ша с построением доверительных интервалов ыатемат: ческого огшдзння на каддом уровне и кривой ограниченной

контактной выносливости по двум точкам математических опаданий.

Определение 'сопротивления смятие выполнено ка копре повторного удара ДСВО-150 по методике Дусевича Спри энергии удара 6 Дг, на базе 10® циклов).

Оценка циклической долговечности стала выполнялась испытаниями по схеме консольного изгиба с "вращением на ыааанах МИП-8М и УКИ-10. Образцы имели в рабочей части длину 20 мм к диаметр 8 у:.:, база испытаний составляла при сравнении различных крестовин 15 10е циклов, при изучении влияния тренировки образцов 25-50 10° циклов и при проверке наличия физического предела усталости у БМ-стали 10° циклов. Наклокнуа ветвь кривой Велера аппроксимировали линейным регрессионным уравнением.

Для оценки циклической треяикостойкости ВМ-сталк использовали машину конструкции ФМИ АН УССР с гэсткнм кагругением призматического образца С 180x18x12 шг) по схеме плоского консольного изгиба. Погрешность оааэроз К • составляла менее 5%, а скорости РУТ - менее'7%. Для объяснения обнаруженного при испытаниях по стандартизованной методике сильного разброса точек в низкоамплитудной области КДУР проведены испытания по видоизмененной .методике с повторны:.: спуском а подъемом по КДУР, оценено влияние игааюгда факторов. Исследовано влияние аспектов короткой тредкЕьг. и згкрггтаг трещин. Установлено, что первый не имеет особенностей в БМ- стали по сравнения с другими сталями, а второй влияет слабо (10*1}. На основании выполненных методических проработок доказана корректность стандартизованной методики испытаний -а для ВК-ста-. ли. Обнаругенный сильный разброс замеров объяснен структурными ссооенностяма испытанных образцов. Для исследований циклической трещшостоЗкоста БМ-стали признаны эффективными испытаний при' постоянном размахе козффкциакта интенсивности Егпряаэнгй'СКйЮ.

Определение статической тревдшостойкости проводили методом Р.-кр-вах в модификации Гриффиса-Бигли-Лэндеса и методом акустической зкиоски (АЭ) на малине УМЭ-10ТМ при плоском трехточечном изгибе призматического образца размерами 90x18x12 мм с надрезом и усталостной трециной, около которой помецали низкочастотный датчик сигналоз A3, работавший с комплексом аппаратуры АФ-15, предварительно настроенной с учетом вида акустограмм разрушения ВМ-стали. Расчеты проводились по методике Каназавы, оценки JIC методами R-кризых и АЭ пересчитывались в К1С. Точность метода R-кривых повышалась за счет определения момента страгивания и начала субкритического роста трепаны методом АЭ. Для низкотемпературных испытаний С-о0°С) применяли спиртсбензиковухз смесь, охлаждаемую гидкиы азотом.

Металлографические исследования проводили с помоцьв оптических металлографических нихроскопоз МИМ-8М, ММР-4 а Neophol-21 при увеличениях 50, 100 -и 300. Микроструктуру стали на шлифах • выявляли травлением в 4Я-нон растворе НКОз в С„Н 0Н.(с много- , кратной переполировкойЭ, травлением в ккпяцем растворе цепочного пикрата натрия (цветное тразлениэЗ, дендрит выявляли травлением в юшядек растворе соляной ниш. крепкой азотной кислотой. Макроструктуру выявляли .травлением тенплетоз крестовин в кипяцем растворе HCl в воде (1:13, для экспрессной оценки макроструктуры заготовки и образцы травили крепкой азотной кислотой. Размер зерна аустеяита определяли при помоги полуавтоматического анализатора изображений ШР-АШЗ.

Для исследования наличия сегрегаций фосфора применяли Оеэ-электронную спектроскопив при энертал электронного зонда 2-3 кэВ с ионным стравливание:;.

Фрахтографичзскке исследования кзяоькз крестовин и образцов проводили на макроуровне визуально, для кикрофрактографии применяли стереоьшкроскспы Ь2С-9 (увеличение 3,6-1053, МБС-10 С при съемках увэлкчокпе 4 к 7), растровые электронные ?,акрос:-;слы ЛЛ-зОА (при увеличения:: 100-2000) :: САКЕВАХ 2Х-50 С при увели-чзкпях 100-23000).

Пригонялось кате^атяческос обэспечанке, реализованное для ЭВМ ЕС б. виде отдельны:: врагргык и пакета для статистических расчетов и оптимизации, составленных с учетом конкретных задач.

В главе 3 взлвтака результаты исследования причин отказов крестовик в различных усяо&азх эксплуатации. Обследование большого числа крс-стовгн и подробнее исслэдоэанкэ продставктеггьНЕг выборок крестовин, с откгзгга кггдого вида позволило оакяэчзть, что в тягглык усяозпзх сксплуатсдкп раннсз отказы по износу Спстзрэ геоызтр;:;: поны ЕэрекатезаанйЯ за счет ехгпи;, истиранил :: контактной усгалсстаЗ гыззак*: еодосхаясгм:: конструкт:::, технолог;::". обработки п сиор:;:: крестов::::. Для тяхзлы:: условий качгст-сесрагезтсл уетазозленаоэ ране о друг:::.::: дзтс?г12: пологи-теяьпеэ влияние ызлкссгрннстсЛ кгпреструктуры ка етассостойкссть и сопротивление ысптсктксй усталости крзгтозкн. Отызчаыг не;;о-пустдаость карбэдоз з стад* с необходимость сЕЛогетго контроля шнроструэтурз кргстовдп при щпэюа продукте: ей заводах ДТС. ..

Подробное асслздозаздэ отказов по трецзнак хвостовой част:-: 157 крестовин позволило классифицировать эти отказы на три группы т:о обгаосга дефектов з фокуса разрусэния. Наиболее часто С 64% случаев) источниках: трацаз был:: ыгкродессктн-кснцонтргторы капрякзши! КЗ-за пэдостаткоз фрезеровки хгостозякоа - огусэнца и ссгрь'г кроыкк, утокенпг подошвы против трэЗувюа чертзгауя ргг->;с-ров Кс второй гругаэ С18й случаев) отнесены отказы с

-i3-

эародквакя - литезнкми дебетами: уганиаамя, пригаром, засоракя

з газовыми раковинами. Качественно оценена степень опасности вида, расположения и размера различных дефектов з фокусе разрушения. К третьей группе CIS'; случаев) отнесены отказы без макроскопических дефектов з местах зарождения трешдн. Исследование этих случаев показало, что пси тяжелых условиях эксплуатации усталостная прочность хвостовиков становится недостаточной.

Далее проведена оценка качества изготовления крестовин по данный приэцочкого контроля продукции на заводах МПС. По представительным зкборкац С5,3 тес. прскналенннх naasox) получены статистики и частотные кривые распределений параметров химического состава и механических свойств ВМ-сталз длл крестовин каждого из зазодоз, в табл.1 и Е приведены результаты оценок для типовых технологических процессов. 'Обнаружено бельсое различие з уровне механических, свойств стал:! трех•ойзодоз. Проанализировано соблюдение требований ГОШ' 7370-78 к —.'—ста...: для крестовин. Получено, что лкаь НСЗ надежно.гарантлровал качество стаял С ТГ-толерантные границы в табл.1 з 2); другпэ завода 2-21С имела проняемы с выполнением стандарта: бользая доля нх плавок находилась на грани требований стандарта по фосфору, о- , 6, у/ л KCU. Стабильность качества стала заводов МТС оставляла желать лучшего. Бала также определена корректность оценок згеодака качества стала.

Для объективной сценки качества изготовления крестовин различных заводов !£ПС были исследованы непосредственно крестовины С120 ст.3 стандартного производства. Разрезка, изготовление, испытание и исследование образцов позволили получить базевмз, граничные оценки и распределения параметров гакро- и микроструктуры, механических свойств и конструктивной прочности стали в

-i4-

Таблица 1.

Химический состав высокомарганцевой стали для железко-дородных крестовин производства заводоз МПС.

Завод число плавок Параметр Химический состав, %

С Мп Si Р S

дез seo X 1,19 12,77 0,33 0,081 0,013

сг 0,08 0,72 0,11 0,010 0,002

ТГ 1,001,38 11,0214,52 0,290,81 0,105 0,017

JÜ3.Í3 1640 X 1,16 13,26 0,59 0,0,4 0,010

сг 0,03 0,86 0,17 0,017 0,002

ТГ 0,381,34 11,1913,33 0,190,09 0,115 0,013

НСЭ 1511 X 1,21 13,73 0,63 0,061 0,010

с . 0,06 0,73 0,13 0,010' •0,001

'ТГ ■ 1,061,33 11,99- '• •" 13,45 0,320,94 0,С89 0,014

ГОСТ 7370-76 1,00-1.30+в'' 13,50-15,50+I 0,200,90 0,090 0,025 •

ответственных зона:: крастозиа производства КСЗ, /ДСЗ-и;ЛЛМЗ.

Для испытаний на растяжение при соыоада корреляционного и' . регрессионного анализов были определены взаимосвязи механических свойств со структурными факторами ВМ-стали из крестовин. ,

Исследовали вопрос о влиянии на износостойкость крестовин химического состава и механических свойств ЗМ-стали. Полученное на данных по 205 крестовинам в рамках квадратичной модели адекватнее 'регрессионное уравнение 'значиыах- связей:

Та = 3.572 + 0,0318 S^.- 1,97 KCU; ' '' СП,

Таблица 2

Механические свойства зксокоиарганцезой г тали для геяеэно---дорозных крестовин производства заводов МПС.

Завод число плавок Параметр Механические свойства

V КПа и О , 2 МПа <5, V. Я кси, МДзУм* МПа

дез 060 X 725,3 434,9 22,0 22,8 2,23 888,1

а 58,7 34,9 6,4 3,0 0,34 114,0

ТГ 533,2 350,4 6,33 10,59 1,414 _

лжз 1640 х 755,0 427,7 27,7 28,0 1,94 953,9

• сг 69,7 22,2 7,6 4,1 0,31 135,8

ТГ 587,3 374,4 9,50 18,25 1,197 :

КСЗ 1311 X 842,1 449,7 32,4 • 29,1 2,60 1113,4

сг • 62,6 27,4 7,5- 4,0 0,41 138,9

ТГ 691,6 334,1 14,46 19,43 ;1,615 —'

ГОСТ 7370-70 650,0 230,0 14,0 .14,0 1,60 ' -

где То [¡хлн.т.брутто], Э^МЫ, КСУ [НДдоказало значимость злияния комплекса шхгЕЗчесюяс свойств. Исследованы корреляционные зазиснкости уезду цехакичесшшз свойствам ВН-стали. Это позволяет прогнозировать износостойкость крестовин по результата:; прненочнкх. испытаний.

Исследованы взаимосвязи ш:ду кехаяичесхиия свойствам: стали для крестовин и ксьллексом ее химического состава {С,Кп,21, Р,5,УлуСУ и получены регрессионные уравнения:

с = 853 + 35,4СМп-13,733 - 990СС-1,213г - 201С£1-0,633г -

О

- 5,6СНп-13,733г , МПа; С23 а = 453 + 34.9СС-1.213 + 24.lCSi-0.63D -

о,г

- 257CC-l.2DCSi-0.63) - 17768СР-0.051)3 , Ша; СЗЭ (5 = 33.3 + 2,7СМп-13,73) - 0,34СКп-13,73)г - 5,0:81-0,63) -

- 21,4С51-0,63)г - 4.9СМп-13,73Ч51-0.'62) , •/.; С43 у = 23,6 г 1,16СМп-13,733 - 5.88СС-1,213(Кп-13,73) -

- ОсбЗЭСБ-О,010)й - 11,1С51-0.63)£ -

- 1,5гСБ1-0,63) - 2,6СМп-13,73)С51-0,еЗ) , У.; С53 КСЬ' = 2,62 - 0,435(81-0,63) - 0.663СС-1.21) , МДглг; С6)

Бк = 214,1 + 63,5 Кп - 59,0 81 , МПа ; С7)

Влияние остальных регрессороз, не вошедших з уравнения, - незначимо. Рассматривая в качестве целевой аунции уравнение С1) и с учетом корреляционных взаимосвязей ызэду механические- свойствами, анализируя равнения С23-С73. .совместно к учитывая их структуру Сраспэксгэнпз регрессороз по убызакив склн влияния)-, удалось выполнить опт;аязацпэ химического состава стали для крестовин. При оптимальном составе С-1.21Й; Кп-17,0%; 51-0,62;;; Р-0,051%; 5-0,0105-; Бл-стапь будет иметь Св среднем) свойства:.'сг -913 НПа. сг.,-453 ¡Ша, 6-35,3%, КШ-2,62 НДх/мг, Б,.-1234 Ша.

Учитывая кивку» стабильность и.больопе дисперсны'параметров стали заводов ШС, был выполнен анализ и отсев 'грубы:-:1 выбросов по г.ритерга Романовского. Б результате обнаружено, что естествен-еыз дисперсии механических свойств при гестяом совладения техно-. -логической дисциплины в среднем в три раза меньше наблюдаемых при действув^еЗ дисциплине. Нигнзе пределы распределений в атом случае возрастают до: с,-750 МПй, сто ,-400 НПа, С--22П. •-22?:, КС1Ы,8 2,-315 МПа, >: эти значения определяв?

предел требований к механическим свойствам стаял, который мохе?

быть залоген в стандарт на продукции при лучаей действующей технологии СКСЗ). Анализ выбросов показал невозмознссть значимо увеличить механические свойства стали за счет сужения интервалов по химическому состазу. Оптимизация в случае вйстксй технологической дисциплины дала регрессионные уравнения, -анализ который показал, что при выдергивания з этом случае химического состава С-1,20>г, Мп-17-18%, 31-0,4%, Р-0,058%, 3-0,010% возмогло одновременно получить возрастание кигнкх пределов и средник значений механическая свойств стали для крестозин..

Сравнением механических свойств стали трех заводов при одинаковы:-: химических состава:: С осреднением в узких интервала:-: разбиения) было получено, что сталь КСЗ была объективно лучазй по механический свойствам. ■ Сопоставлением Ш-13 и ,КСЗ в цело:: при помсци регрессионных уравнений С 2)-(7) обнаружили, что причиной точу было превосходство технологии КСЗ, так как полученная количественная сценка влияния" на механические свойства совокупности химического состава и совокупности технологических с жто-ров показала, что влияние обеих групп факторов значите, по превалирует влияние технологических сакторсз.

Глава 4 посвящена исследовании циклической долговечности, циклической н 'с\атнчгсхой третностсйхости ВМ-стали. .Повышения стойкости крестозин претив отказов по трзчпнам.хвостовой части • зазысгно добиться путем.повахенил характеристик,'стали, путем использования упрочяяицк технологических .приемов, например, ИДЯ, и яутс-м изменения конструкции. Лгбой из.зтяй' путей -требует оценки .сопротивления усталости и трегнностсйкссти 'стал:, а расчета.: новых,конструкций крестовик известила методами лахакихн разрувекия, крсиэ того, препятствовал?, необходимость учета сий-Гдйнчоски сильного упрочнения," характерного• дпя.-ЗМ-стала. •

-18' ^Шл^'Страйтанг-эитодЕкаг маюянены- испытания образцов .п.. получены базовые и граничные оценки параметров циклической долговечности, циклической и статической треэдностойкости БМ-сталн из крестовин: ~ = 150-170 МПа, a_t С120-235 МПа); К, h= = К,0""спра R=-0,15), = 10 МПа м1/г, К^Сб,8-12,0 МПа ¡х,/г);

_пах »Л ь п_

К1С = 145 МПа и1 , К1СС83-220 МПа м"г3, КГ°° = 100 МПа ¡С£° (80-143 МПа м!/3).

Исследование влияния треккрозкк, асимметрии цикла, растяги-засаих перегрузок и цитирования сжатием показало полное несовпадение полученных результатов с априорным прогнозом, зшолнен-"iM аналогично конструкционным низколегированным сталям, исходя из свойств стали, определенных при испытаниях на статическое растяжение и ударный изгиб. Язлякдаяся отличительной чертой ВМ-сталн способность к очень сильному упрочнении, известная для статических разрыва и сжатия, ударного изгиба, ударного и ударно-абразивного износа, в случае мзогоцикловой усталости, как выяснено,; не реализуется. С другой стороны,по сравнению с конструкционными низколегированными и аустекнтпыми нержазеЕзнмз сталями БМ-сталь проявила своеобразно поведения при усталости: • наличие физического предела усталости, исклвчвтельно сильный Ска 2-3 порядка больше, чем у других материалов) разброс точек s низкоамплитудной части КДУР, ее укорочение п даже полное вырождение Спри попытках получать скорость РУГ'менее 10~ан/цккл трецияа останавливалась) слабо выраженный переход от II к III участку КДУР, сасетки транскристаллзтпого РУТ во всех зонах усталостных изломов образцов и крестовин Скроме долома), ориентированные . вдоль.единственной з каждом зерне плоскости или параллельных плоскостей единственной пачки скольгения, расположение этих плоскостей исключительно в плоскостях дендритоз иизеих порядков.

Указанные особенности поведения БМ-стали при усталости стало возможным объяснить, проведя комплекс исследований по оценке влияния на циклическуи долговечность, циклическую и статическую трещиностсйкссть этой стали ее структурных параметр-оз С пористости, макроструктуры, загрязненности неметаллическими включениями), выполнив подробное фрактографическое исследование в сочетании с изучением динамики РУТ по боковым сторонам образцоз. Были классифицированы фрактограмзлы по критерии ДЪ развитости рельефа, опведелены граничные значения Дп, имездае ¿изичэскнй смысл, выделены и построены в ранговые ряды по убывания влияния различные • факторы, влияощие на направление и скорость РУТ, объяснена связь ориентировок фасеток с дендритными система»«: зерен.

В результате обобщения всех полученных материалов была предложена феноменологическая модель усталостного разрушения ВМ-ста-лиобъяснявшая обнаруженные особенности поведения зтой стали з различных условиях усталостного нагругения. Глазными особенностями этой модели являатся определявшее влияние структурных факторов С ориентировок дендритных систем, размероз зерен н кпкролпк-зации), сильная локализозанкость процесса упрочнения и усталостного разрушения этой стали с подавлением всех систем скольжения,

)

кроме единственной з каждом.зерне, и сильная локальная, искривленность фронта усталостной трещины,.сСуслозлязгэдая кроме К. ; . . большус роль {С,, и К.11 на втором и третьем участках КДУР. ■.

Для прогнозирования, а , -К^. К1С по результатам приемочных испытаний продукции выполнены' корреляционный анализ л. построение, диаграмм конструктивной прочности - зависимостей этих величин' от 'а., а ■ , 6, ш и КСи ВМ-сгалн. .*' "-• ; - '

з с ,г т ■ , -

■ ' - с

В конце главы рассмотрены результаты предложенного расчета' допускаемых напряжений-для-крестовин.?с.5 сущестаушей кснструк-.

ции-выполненного,-на. -базе- стандартной методики,. модифицированной применительно к крестовинам, и при помощи полученных оценок свойств" БМ-стала кз"крестовик и взаимосвязей этих свойств.. В ватном для.практики случае наивероятной асимметрии Н=-0,15 и существующего качества отливки и сзойстз стали допускаемые напряжения составляет [спах д] - 143 ЫПа.

Глава 5 посвящена исследование заводских дефектов крестовик. Было изучено состояние учета и анализа брака на заводах ШС, определены наиболее частые виды брака, выполнена корректировка терминов заводских дефектов, применяемых на различных заводах ШС, с учетом стандартных. Для облегчения и позыиекия корректности контроля в помощь заводам разработан и внедрен "Атлас заводских дефектов крестовин" РТМ 32 ЦТВР-10-89, содержащий термины, адекватно описывающие дефекты, описания особенностей их расположения на крестовинах, вероятные причины возникновения, фотографии и схемы, пояснящие природу образования дефектов.

Рассмотрены результаты оценки степени опасности различных дефектов изготовления крестовин для эксплуатации, обоснована возможность корректировки требований Перечня допускаемых дефектов в зоне перекатывания и необходимость ужесточения требований к дефектности в зоне хвостовика крестовик. Здесь ~е доказана регрессионным анализом значимость влияния макроструктуры отливки наряду с ее дефектностьа на циклическую долговечность хвостови-коз крестовин.

В главе 5 изложены оценки возможностей совершенствования технических требований стандарта на крестовины. Рассмотрены результата исследования хладноломкости стали крестовин и результаты расчетов по предлохенной методике прогнозирования хладноломкости крестовин (по результатам испытаний на КС1! и К&Г" метал-

-2i-

яг проб). Для обеспечения безопасности перевозе:: обоснован, исходя из требован::" эксплуатация к хладостоЛксстл крестов::::, уровень ударной вязкссти, который дояээн требовать стандарт.

В связи с ухудЕснкем качества сырья оценена конструктивная прочность стали с подкгезным (до ОД050 содержанием боейора. обнаружено, что при средней уровне остглькьп механически:-: свойств сталь так:::: пргстсвин имеет повылэнкуп кладнелемкооть :: пеппжен-нсэ значение c_t. Полигоны такгз сценки всзмслисстей корректировок допусков стандарта по есдорыаныэ з стал:: углерода, марганца, кремния.

Покапана цоя-зсоэбр-ггпоста уин'Тднспци:: проб, взедзиид кохтрс-ле ма:-:роструктуры г KCU"30.

На основании полученных результатов рассмотрены варианты ужесточения требований стандарта к ^зиаыпчсск::?.: свойствам" стали г приведены результата внедрения еддого па вариантов в ГССТ 7370-80.

С уметем получении:: в работ:- результатов определены кзитз-и пи уззднп для рассортировки крестовин.

По .заводской д-збвктнсст::: первая группа - нрзетсдины без дефектов или с ssrcr-scdc дефектов литья и мзкгнпчеоксп ссргботхп

I

з пг-рзходнзп scho и в пт-остс-спсо гд^йптой мзнеэ 3 :.дт, деГ:а::т~ eccts в друг:::: еопаи — допускаемая Пзрзчнеы Д 101-44-01-90; вторая группа - деезктдеоть, допускаемая Пезсчи&ы Д 104-44-01--S0; третья группадсбэктыость, незиачптеледз зы;:сд~;а.~ за рамки требований Персия Д 104-44-01-^0. ' -

По химическому еготаву: дерзал группа - крсстсдыгл: с дпке:-чйскнм составе?.* стали КО ГОСТ 737C-S3 :: ..солгут,;:;! в до-

пуск ГОСТ 7370-55 по есдеремниэ марганца; г.тсроз трунил - нрес-товгп!;: о сссталсп стали, по :-гс7Л ссгого

-22- элемента,: попадавшим -в допуск ГОСТ ,7370-83 С кроме верхнего допуска по марганцу).

По механическим' свойствам стали," как указано в таблице 3:

Таблица 3.

Разгруппировка крестовин по механическим свойствам стали.

Груша Механические сзойстза стали, не менее

о О ,2 6, У. кси, КС1Гв0

МПа МПа У. % МДх/м* МДх/м2

• 1 850 420 30 28 2,40 0,80

г 700 350 16 16 1,80 0,50

3 600 360 14 14 1,50 0,25

По макроструктуре в зависимости от размера зоны транскристаллизации Т Сили крупно- Таблица 4. зернистой равноосной макро- Разгруппировка крестовин структуры) по отношению к дна- по макроструктуре

метру пробы-прилива Спо сечэ- Группа т, В,

нкп) или к диаметру питателя % дБ/см

пробы-прилнза (по излому) или 1 0-25 <1,0

в зависимости от затухания 2 26-30 1,01-1,50

ультразвукового'сигнала В на 3 90-100 1^51-2,80

частоте 0,2 МГц, как указано в таблице 4. Кроме указанных критериев ьри разгруппировке целесообразно учитывать такге точность исполнения размеров крс-стсвин.

Результатом оценки качества крестовин при приемке становится наихудшая кз оценок по отдельным видам критериев.

В конце главы приведены прогнозные оценки износостойкости крестовин для варианта разгрушшрсвки, введенного затем в ГОСТ 7370-85, а такге гистограммы распределений механических свойств, стали и попадание в группы ГОСТ 7370-83 стали заводов МПС произ-

-23-

водстза 1988-91 гг., показавшие повышение качества стали для крестовин з результате внедрения ГОСТ 7370-86.

Глаза 7 содержит оценки конструктивной прочности, полученные для металла крестовин, изготовленных по новым технологиям. Использование поверхностной пластической дефрмации, судя по задержке РУТ, резкому повышенна сг_[ на 45% (до 240-250 против 170 МПа) и повышении расчетных допускаемых напряжений со 145 до 221 МПа, следует считать весьма, перспективным технологическим приемом для яредотзрасения трецин хзостовикоз крестовин.

Более чистая по примесям сталь, выплавленная с-использованием з шихте кеталлизсзанных окатышей, имеет преимущество по сравнении со стандартной того г.е завода по а _ на 20%, по К1Ь на 33% даге при низких значениях стандартных механических свойств, что позволяет считать зту технологии перспективной.

Применение суспензионной заливки с введением дисперсных • икокуяяторсз следует считать' весьма перспективны}.!, так как зто позволило получить в опытных крестовинах мелкозериистуэ ¡.азко-кернуа макроструктуру з зоне перекатывания.и з хзсстовнке с прицельны-,: дополнительны;.: легированием их марганцем Сдсстигнуто повышение содержания марганца с 12,5 дс 13> 5-14,0%) при 'общий

I ■

экономии.марганца и высоких механических свойствам в ответст- . венных зояах .крестовин" ■■ '' ' '.'" , -

В настоящее врешг изгстовлея». опытная партия крестовнн из •' стали, выплавленной с использованием-в. пзотэ'каталлггсванкых окатьшэй, -и.2 опытно-промызяеннах'партии крзстозин,суспензионной заявки,' которые прешли полигонные и "сейчас проходят г.ксплуата-' " ционныэ^ испытания на. ЗападкоЧйгйярской. х. д. '•'

-2к-

---ЗАКЛЮЧЕНИЕ-

1. Выполнено комплексное исследование циклической долговечности, циклической к статической трещиностойкости ВМ-стали, получены базозые и граничные оценки свойств стали крестовин текущего производства. Влияние на циклического трещиностойкость ВМ-стали эффекта закрытия трещин мало (менее Ю'О, эффект короткой трещины в этой стали не имеет особенностей по сравнению с другими сталями, влияние асимметрии цикла невелико (менее 20Я), аффект тормогенкя РУТ статической растягивающей перегрузкой относительно слаб, а'поведение этой стали при циклическом сгатии особенностей не имеет. Являвщаяся отличительной чертой ВМ-стали способность к очень сильному упрочнении, известная для статического растяжения, статического сжатия, ударного изгиба и ударного износа, при многоцикловой усталости не реализуется.

• Обнаружен ряд особенностей,- отличающих позедекие ВМ-стали при усталости; сильный (на 2-3 порядка больше, чем для других материалов) разброс точек на низкоамплитудном участке КДУР, укорочение- или отсутствие этого участка, слабо выраженный переход от второго к третьему участку КДУР, фасетки травехрнсталлкткого РУТ во всех зонах усталостных изломов образцов п крестовин (кроме долома), ориентированные вдоль единственной з каждом зерне плоскости скольгения пли параллельных плоскостей единственной пачки скольггния, располагавшихся исключительно в плоскостях дендритов низших порядков.

2. Изучено влияние структурных параметров (пористости, макроструктуры, загрязненности неметаллическими вклвчениями) на циклическую долговечность, циклическую и статическую трещино-стойкость ВЬК-тали. Предлогека феноменологическая модель усталостного разрушения этой стали, объясняющая его особенности.

-253. Предложено дополнить понятие конструктивной прочности стал:! для крестовин, зведя в него параметры циклической долговечности, циклической и статической тре-диностойкости и хладо-стойкости стал:!. Получены диаграммы конструктивной прочности, позволявшее прогнозировать с 1, К^ ь и Кт с стал:: крестсзин по результата;.! из: приемки С испытания на статическое растяжение и ударный изгиб). Предложена методика прогнозирования хладостой-кости крестовин.

4. Получена в виде регрессионного уравнения зависимость эксплуатационной износостойкости СТв) крестсзин от комплекса химического состава и механически:: свойстз БМ-стали, доказано значимое влияние комплекса механических свойств. Получена количественная оценка влияния на механические свойства стали для крестовин комплекса химического состава п комплекса технологических факторов ее производства, показавшая, что влияние обоих комплексов значимо, при этом""превалирует влияние технологических факторов. -

5. Получены регрессионные уравнения механически:: свойств-ЕМ-сталп от хсшкахса ее химического состава, проведена оптимизация и' определена, химические состава, .'поЕзоляясхё. получать

1

позьиенные кзханпчэехпе свойства стали для крестовин при дейст- _ зуюцей.а более жесткой технологическсЗ дисциплине.

5. Предложена методика расчета допускаемых'напряжений с учетом свойств стали крестовин, результаты расчетов использован« 'при разработке новой конструкции крестовин =33 1/11-• ••

7. Выполнена'комплексная•оценка'качестза хогстсзяозля а .конструктивной прочности крестовин текут, го производства■заводов

соблюден:« действоза-дсго стандарта, пселе-дсвала стабильность качества стали этих заводов. Сказано превосходство про-

дукцки-та-а-установлена., основная-причина этого - более передовая технология. Внедрение опыта Новосибирского стрелочного завода "улучшило качество" "стали Люблинского л«тейно-механического и Днепропетровского стрелочного заводоз.

Разработаны и внедрены з ГОСТ 7370-85 повышение низшего уровня требований к механическим свойствам, корректировка допусков по химическому составу ВМ-стали. Определены параметры и их уровни и частично внедрена в ГОСТ 7370-85 разгруппировка крестовин по.качестзу их изготовления для рационального использования в эксплуатации.

8. Исследованы дефекты, возникающие при изготовлении, и их опасность для эксплуатации крестовин. Разработан и внедрен "Атлас заводских дефектов крестовин" РТМ 32 ЦТВР-10-89, облегчающий определение вида дефектов, разработаны и утверждены Госстандартом "Рекомендации. Высокомарганцевые стали. Классификация дефектов литых деталей" Р 54-311-90. Обоснована и проведена корректировка требований "Перечня допускаемых дефектов"

Д 104-44-01-90. ...

9. Получены оценки конструктивной прочности ВМ-стали, позволявшее считать перспективными вр» производстве крестовин стрелочных переводов новые технологии: упрочнение поверхностной пластической деформацией хвостозиков, вихлавку стали для крестовин с использованием в пихте металлизсванных окатышей, отливку крестовин суспензионным способом с введением дисперсных инокуля-тороз. Изготовлены и исшггызавтся опытные крестовика.

Экономический эффект от внедрения результатов работы состарил более 1,4 шщ. рублей в год (в ценах 1985 года).

Основные результаты диссертации опубликован:: в следущих работах:

-271. Коган А. Г. Анализ технических требований к гэлезнодорогным крестовинам из высоксмарганцезой стали отечественных и зарубег-ных стандартов и пути совершенствования этих требований.//Рукопись, депонир. з ЦНШ ТЭИ МПС 30.12. S5 N 3402.

2. Коган А. Г. 0 всзмогности оптимизации химического состава стали 110Г13Л для отливок -едезнодорсгных крестовин. /Повышение ' слугэбных свойств высоколегированных литы:-: сталей з чугунсв.. //II: МДНТП, 1987, С. 7-15.

3. Коган А. Г. , Клеыева И. И. , Шур Е. А. Влияние поверхностной пластической деформации на сопротивление усталости зыссксмарган-цезой стал:-: 110Г13Л. /Повышение служебная свойств выесколегнрезан-ных литых сталей к чугуноз//И. :Щ5Ш1,1£37, С. 15-21. . .

4. Коган А.Г., Бейзерсз М.С. , Кац Р.3. Статистический анализ качества стал:: крестовин стрелочных переводов. //Вестник ЗНИЙЖГ, 1933,N 5, С. 49-52.

5. Хрестозянн гэлознодорозанэ газоз Р73, F23 и ?50.' Технические условия. ГОСТ 7370-23. /Барабошин В. Ф., Баулин В. И., Черзпз.оз

3. Д., Кац Р. 3., Шур Е. А:, Путря Н. Н., Хпегеза И. П., Коган А. Г., Лейцпнгер A.A., Петрова H.A., Наркезич В. В.- /Л'.. :Изд-во стандартов ,1SS7, Юс..

о. Шур Е. А., Клецева И. II, Коган А. Г., Бычкова Н. Я. Способ ; упрочнения а §орннроззния необходимой геометрии рабочей поверх.— ности изделий из ■ высохсомарганцезой стали.//Вестник иааинсстрсо-.'. hhs,19S9, Н 5,: С. 48-50.- '''•у-'1 г':! : ' .

7. Дгкилекхо ,3. И., Коган А. Г.-, 2ур Е. А. - Определение, допускаемых пашгявенкй з. литых крестсзинах из высокомарганцезой'стали. //Вестник БКЙйлГД£89,' N 5, С.44-48. ' ''

8. Коган А.Г.,■ Клецева Ц:И.,,.:Шур S.A. Хояструктгвна'г прочность •• .и1то2 выссксмарганцевой. стали, • изготовле-пной с ;и:слользозан:;ем

в шихте металлизозакшх окатышей. "/Повшешге качества отливок за счет современных методов выплазки, легирования и термической обработки металла.//Брянск: ИНГИ, 1990, С.49-51. 9. Высокомарганцевьге стали. Классификация дефектов литых деталей. Рекомендации Р 54-311-99-. /Коган А. Г. , Клецева И. И, Кац Р.З. и др. //М.: ВНЙШМАШ, 1990, 72 с.

✓

Подписано к печати // .08.93 г. • Формат бумаги 60x90 1/16. Объе- п. л. Заказ 65 . ТираЕ 100 зет. Типография ВНИйКГ. 3-я Капаинская ул. д. 10.