Investigation of crack propagation in the surface white layer of rail steel

Abstract

Введение. Статья посвящена оценке растрескивания белых слоев, формирующихся на поверхности рельса в процессе эксплуатации. Трещины в белом слое рельсовой стали обнаруживаются уже после 1 тыс. циклов испытаний. Это объясняется растягивающими и сдвиговыми напряжениями на поверхности пятна контакта колеса и рельса. В работе представлены результаты исследований морфологических характеристик белого слоя на поверхности рельса. Материалы и методы. Объект исследования (поверхность рельса после эксплуатации) рассматривался под микроскопом. Затем была разработана двумерная модель конечных элементов плоской деформации, чтобы моделировать динамические характеристики растрескивания белого слоя. Предложены математические модели, описывающие распространение трещины. Для этого применили критерий механики упругого пластического разрушения, метод J-интеграла. В программе SYSWELD выполнено численное моделирование образования белого слоя и распределения остаточных напряжений. Результаты исследования. Представлены оптические снимки микроструктуры поперечного сечения белого слоя на поверхности рельса после эксплуатации. На задней кромке белого слоя исследованных образцов зафиксированы два разных типа трещин. В программе SYSWELD визуализированы фрагменты моделирования механизма образования белого слоя с распределением остаточных напряжения, сжатия и растяжения. Результаты расчетов показывают, что значения J-интеграла для всех трех трещин немного уменьшаются, если длина трещины достигает 10-50 мкм. Обсуждение и заключения. Полученные результаты применимы для оценки износостойкости рельсовых сталей и прогнозирования направления роста трещины. Сравнения J-интегральных максимумов показали, что при одинаковых условиях нагрузки трещина №1, скорее всего, будет расти быстрее, чем трещины № 2 и 3. С увеличением длины трещины максимумы J-интеграла всех трех трещин уменьшались.