Методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии и рентгеноструктурного анализа проведен сравнительный количественный анализ изменения фазового состава, дефектной субструктуры и перераспределения атомов углерода рельсов доэвтектоидной стали после длительной эксплуатации и деформации сжатием. Исследования рельсов проводились на разном расстоянии от поверхности катания в головке по разным направлениям, а сжатие осуществлялось до степеней 15, 30, 50 %. Показано, что длительная эксплуатация рельсов и деформация сжатием сопровождаются фрагментацией, причем, при выбранных режимах этот процесс идет интенсивнее при сжатии, чем при длительном нагружении. При анализе процесса фрагментации цементитных пластин привлечены представления об одновременном протекании механизмов разрушения движущимися дислокациями и растворения. Из зависимостей изменения объемных долей углерода в цементите и на дефектах кристаллической решетки от выбранных условий нагружения сделано заключение о преимущественной роли деформации сжатием по сравнению с процессом длительной эксплуатации. Выявлены физические причины немонотонного изменения скалярной и избыточной плотности дислокаций от степени деформации при сжатии и расстояния от поверхности головки по центральной оси и радиусу скругления выкружки и более высокие значения скалярной плотности дислокаций по сравнению с избыточной плотностью.

Методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии выполнен анализ структуры, фазового состава, дислокационной субструктуры в головке длинномерных дифференцированно закаленных рельсов специального назначения из стали Э90ХАФ после пропущенного тоннажа 187 млн. тонн брутто. Исследования проведены вдоль центральной оси и радиуса скругления выкружки на поверхности и на расстоянии 10 мм от нее. Установлено, что структура стали представлена зернами пластического перлита и феррито-карбидной смеси с частицами карбида пластической и глобулярной морфологии. Выявлена фрагментация пластин цементита (размеры фрагментов 10-12 нм) и феррита (размеры фрагментов 250-500 нм). Отмечено формирование изгибных контуров экстинкции, свидетельствующих об упруго-напряженном состоянии головки рельсов в результате длительной эксплуатации. Выявлены источники кривизны-кручения кристаллической решетки- внутрифазные (границы раздела зерен перлита) и межфазные (границы раздела пластин феррита и цементита перлитных колоний) границы. Формирующаяся структура на поверхности катания отличается от структуры поверхности выкружки. В последней не выявляется субзеренной структуры. Проведено сравнение деформационного преобразования поверхностных слоев с ранее опубликованными результатами для рельсов общего назначения из доэвтектоидной стали. Рассмотрены механизмы разрушения пластин цементита и повторного выделения частиц наноразмерной карбидной фазы округлой формы (третичный цементит). Проведено сравнение скалярной плотности дислокационной субструктуры поверхности катания по центральной оси и радиусу скругления выкружки.

Для двух рельсовых сталей с содержанием углерода (масс. %) 0,73 % и 0,91 %, из которых изготавливаются рельсы категории ДТ 350 общего назначения и ДТ 400 ИК – повышенной износостойкости и контактной выносливости ГОСТ Р51685-2013 и ТУ 24.10.75111-208-05757676 2017 РЖД выполнен анализ механических, трибологических свойств, дислокационной субструктуры и фазового состава. Показано, что при одноосном сжатии условный предел текучести составляет ~ 1100 МПа, прочности (2160-2220) МПа для заэвтектоидной стали и ~ 1000 МПа и (1750-1830) МПа для доэвтектоидной стали, соответственно. Установлено, что рельсы специального назначения категории ДТ 400 ИК обладают более высокими значениями микротвердости (в 1,2 раза), износостойкости (в 3,7 раза), коэффициента трения (в 1,5 раза), скалярной плотности дислокаций (в 1,3 раза). Обсуждены физические причины наблюдаемых различных количественных параметров для двух сталей. Структура рельсов ДТ 350 представлена пластинчатым перлитом (0,75 объемной доля), зернами феррито-карбидной смеси (0,23 объемной доли) и структурно-свободного феррита. Структура рельсов категории ДТ 400 ИК состоит из перлита (0,98) и карбидной фазы (0,02); основной фазой является твердый раствор на основе α-Fe и карбид железа Fe2C. Выявленное увеличение параметра кристаллической решетки α-Fe 0,28736 нм, превышающее табличное значение, может быть обусловлено наличием в кристаллической решетке до 0,0167 вес. % С.

Для двух рельсов с содержанием углерода 0,74 % масс и 0,91 % масс категорий ДТ350 общего назначения и ДТ40ИК повышенной износостойкости и контактной выносливости после пропущенного тоннажа 1770 млн. тонн (для ДТ350) и 187 млн. тонн ДТ400ИК (1) и 234 млн. тонн ДТ400ИК (2) определен уровень микроскопических внутренних дальнодействующих полей напряжений sд на поверхности катания и рабочей выкружке. Для этого методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии проанализированы изгибные экстинкционные контуры, параметры которых использованы при вычислении sд. Наличие изгибных контуров экстинкции свидетельствует об изгибе-кручении решетки, характеристикой которого является избыточная плотность дислокаций. Проведено сравнение с другими способами измерения внутренних полей напряжений на мезо- и макро- уровнях (оптические и магнитные методы, рентгеноструктурный анализ), которые являются интегральными. Показано, что параметры изгибных контуров экстинкции являются наиболее информативными и позволяют регулировать локальность измерения sд. Отмечены источники внутренних полей напряжений в рельсовых сталях. Выявлено увеличение уровня sд в рельсах ДТ400ИК по сравнению с рельсами категории ДТ350. Рост пропущенного тоннажа для рельсов категории ДТ400ИК приводит к росту , при этом значения внутренних напряжений на поверхности выкружки превышают соответствующие значения на поверхности катания. Обсуждены физические причины наблюдаемых изменений.

Методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии исследованы структурно-фазовое состояние, дефектная субструктура и поверхность разрушения наплавок из низкоуглеродистой стали с разным содержанием легирующих элементов на сталь 09Г2С. Выполнен количественный анализ параметров структуры, фазового состава и дислокационной субструктуры наплавок. Показано, что линейная плотность частиц второй фазы (карбиды, оксиды, сульфиты и т.д.) размерами 0,25-25 мкм в два раза выше в более легированной наплавке. При исследовании поверхности изломов выявлены ямки вязкого излома двух размерных уровней – 5,5 и 1,3 мкм. На дне ямок отрыва большого размера располагаются частицы второй фазы. Установлено, что в более легированной наплавке области хрупкого излома более дисперсны. В обоих типах наплавок присутствуют зерна верхнего и нижнего бейнита. Выявлен остаточный аустенит в виде тонких прослоек вдоль пластин бейнита и в виде глобул. Оценены вклады скалярной и избыточной плотности дислокаций в упрочнении металла наплавок. Отмечено, что в более легированной наплавке скалярная и избыточная плотность дислокаций выше. Показано, что внутренние поля напряжений максимальной величины формируются в близи включений второй фазы.

Studies of welding and surfacing fluxes containing ladle slag of electric-steel production of rail steel of JSC “EVRAZ ZSMK” were carried out. Welding under the flux was performed on the samples of sheet steel 09G2S by Sv-08GА wire using the weldingtractor ASAW1250 at exhaust modes. Chemical compositions of welding fluxes and slag crusts were determined. Also chemical composition of the studied welded samples was determined according to GOST 10543 – 98 by x-ray fluorescence method on XRF-1800 spectrometer and by atomic emission method on DFS-71 spectrometer. Metallographic studies were carried out with the use of an optical microscope OLYMPUS GX-51. The content of total oxygen and surface oxygen was studied using the LECO TC–600 analyzer. The possibility of using technogenic waste products of metallurgical production is shown for the production of welding fluxes. The following components were used for production of welding flux: ladle slag of electric steelmaking of rail steel from “EVRAZ ZSMK” JSC; BSK barium-strontium modifier produced under the terms of 1717-001-75073896 – 2005 by “NPK Metallotekhnoprom”; slag of silicomanganese production from “West Siberian steel plant”; electrostatic dust of aluminum production from “RUSAL” (carbonfluor-containing supplement). The studies have shown the suitability of the use of ladle electric steel slag for welding and surfacing of alloyed metal. The introduction of various flux additives reduces the concentration of total oxygen in the weld metal, which in turn increases the toughness. From the point of oxygen concentration in weld metal and impact toughness, it is better to use silica-manganese slag and carbon-fluoride additive as flux additives.

It has been shown that the addition of the carbon-fluorine containing additive to the composition of the cored wire instead of the amorphous graphite for surfacing the mill rolls provides the improvement in the surfaced layer structure. The influence of the improvement in the carbon equivalent of the cored 35V9Kh3SF wire on the increase in hardness indicators of the surfaced layer has been established. The dependences obtained under the laboratory conditions have provided the basis for the new technology for the repair of the mill rolls, used under the OOO ElSib conditions.

Welded joint zones are weak sections of the railway track for all traffic cases (in the case of high-speed traffic and heavy traffic). In the paper advantages and disadvantages of the basic ways of rails welding, which are widely used today, are considered: electrocontact and aluminothermic. Carefully selected mode of differentially thermally strengthened rails string will allow the process of correction after heat treatment to be minimized and internal residual compressive stresses to be kept. Particular attention should be paid to the method of rails welding, in which after rails welding during their cooling it is offered to perform quasi-isothermal exposure in the temperature range of fine structure formation by passing pulses of alternating electric current through the welded joint maintaining this temperature until the end of the transformation. The use of quasi-isothermal exposure at a temperature of 600-650 degrees C makes it possible to obtain a finely dispersed structure of the welded seam of rails without additional heat treatment.

Practical interest, with the goal of resource conservation, is the technology of arc welding with powder wire in which the fillers are used, the tungsten oxide is WO 3 , and the material (ferrosilicon) with a reducing agent is silicon. In the work, a thermodynamic estimate of the probability of nine standard reactions under tabular thermodynamic data of reagents was carried out in the temperature range from 1500 to 3500 K. Among the reactions, the reaction of direct reduction of WO 3 oxide by silicon and the reaction of a tungsten-silicon compound with the formation of tungsten silicides are considered. As possible products of the reactions were considered W, WSi 2 , W 5 Si 3 . The reduction reaction of the oxide was recorded on 1 mole of O 2 , and the reaction of the compounds of tungsten with silicon – on 1 mole of W. The probability of reactions was estimated by their standard Gibbs energy. As standard for reagent substances in the range 1500 – 3500 K, the following states were selected: W (solid) , WO 3 (solid, liquid) with a phase transition at 1745 K, WSi 2(s., l.) with a phase transition at 2433 K, W 5 Si 3(s., l.) with a phase transition at 2623 K, Si (s., l.) with a phase transition at 1690 K, SiO (l.) , SiO 2(s., l.) with a phase transition at 1996 K. In order to assess the degree of effect on the thermodynamic properties of the possible evaporation reactions in the tungsten oxide WO3 arc, the thermodynamic characteristics of one of the reactions were calculated in which the WO 3(l.) state was selected as the standard state in the same temperature range. Thermodynamic analysis shows that at the reduction of WO 3 the formation of silicides WSi 2 and W 5 Si 3 is most likely, then tungsten. The thermodynamic probability of formation of these silicides due to the reactions of the tungsten-silicon compound in standard states turns out to be substantially lower. The reducing ability of silicon in reactions with the formation of SiO 2 decreases with increasing temperature, while in the reactions with formation of SiO, on the contrary, it increases. Consequently, in the system under consideration at high melt temperatures (more than 2500 K), a change in the composition of the gas phase due to the formation of SiO is more likely. At temperatures below 1750 K, the slag phase can become more acidic due to the resulting silicon oxide SiO 2 . The evaporation of WO 3 in the arc increases the thermodynamic probability of the reduction reactions occurrence, but more at a low temperature.

The choice of thermal regime is based on the exclusion of formation of quenching structures (martensite and bainite), causing additional stresses and cracks which lead to the destruction of rails. After welded joint upset and cooling at the time of reaching the required temperature it is proposed to perform quasi-isothermal exposure by passing pulses of alternating current through the welded joint. The method for calculating the quasi-isothermal exposure is described that depends on the strength of the welding current and different rails section. It is suggested that after welding the rails during quenching, a quasi-isothermal holding is carried out in the temperature range of the formation of the fine-dispersed structure by passing pulses of alternating electric current through the welded joint maintaining this temperature until the end of the transformation. It is shown that the use of quasi-isothermal exposure at a chosen temperature of 600 – 650 °C makes it possible to obtain a finely dispersed structure of the welded seam of rails of mine haulage tracks without additional heat treatment.