Stale bainityczne do zastosowań w infrastrukturze kolejowej

Autor: dr inż. Aleksandra Królicka
Data publikacji: 17.07.2024 r. Numer wydania: Stal 7-8/2024

badania materiałów infrastruktura kolejowa kolej spawalnictwo spawanie stale bainityczne struktura stali szyny kolejowe zgrzewanie iskrowe

Warunki przeprowadzenia badania struktury

Proces spawania przeprowadzono w warunkach przemysłowych z pomocą przedsiębiorstwa Leonhard Weiss LWZ w Żórawinie. Parametry procesu zostały przedstawione w poprzedniej pracy [21]. Pierwszym etapem ewaluacji połączenia spawanego była ocena rozkładu twardości (rys. 2).

STAL_7-8_24_Aleksandra_Krolicka_STALE_BAINITYCZNE_W_INFRASTRUKTURZE_KOLEJOWEJ_RYS_2 — Rys. 2. Widok makroskopowy połączenia zgrzewanego szyny bainitycznej wraz z rozkładem twardości oraz wskazaniem obszarów dalszej analizy strukturalnej. FZ – obszar zgrzeiny, HTHAZ 1 i 2 – wysokotemperaturowe podstrefy wpływu ciepła, LTHAZ 3 i 4 – niskotemperaturowe podstrefy wpływu ciepła, BM – materiał rodzimy. Na podstawie [21]; rys: autorka

Twardość materiału rodzimego (BM) wynosiła około 380 HV10. W podstrefie HTHAZ 1 stwierdzono wzrost twardości (do 399 HV10) w stosunku do materiału rodzimego. Zaobserwowano również niewielki spadek twardości w zgrzeinie (315-325 HV10) w stosunku do materiału rodzimego. Najniższą twardość (w zakresie 270-300 HV10) zidentyfikowano na granicy obszarów HTHAZ 2 i LTHAZ 3 (269-302 HV10). W obszarze LTHAZ 4 twardość stopniowo powracała do wartości twardości materiału rodzimego. Spawalnicze naprężenia własne odgrywają istotną rolę w kontekście oczekiwanych właściwości mechanicznych, a także trwałości elementów konstrukcyjnych poddanych procesom łączenia. Powszechnie wiadomo, że ściskające naprężenia własne zwiększają, a rozciągające naprężenia własne zmniejszają wytrzymałość zmęczeniową. Badana stal charakteryzowała się typowym dla połączeń spawanych/zgrzewanych rozkładem naprężeń własnych (rys. 3).

STAL_7-8_24_Aleksandra_Krolicka_STALE_BAINITYCZNE_W_INFRASTRUKTURZE_KOLEJOWEJ_RYS_3 — Rys. 3. Widok makroskopowy połączenia zgrzewanego szyny bainitycznej wraz z rozkładem naprężeń własnych. FZ – obszar zgrzeiny, HHAZ – wysokotemperaturowa podstrefa wpływu ciepła, LHAZ – niskotemperaturowa podstrefa wpływu ciepła, BM – materiał rodzimy. Na podstawie [22]; rys: autorka

Analiza zmian struktury

Maksymalne zmierzone za pomocą metody rentgenowskiej naprężenia rozciągające wynosiły około 340 MPa i występowały w podstrefie HHAZ. Wartość tych naprężeń nie przekroczyła natomiast połowy granicy plastyczności materiału rodzimego (780 MPa). W strefie LHAZ zidentyfikowano naprężenia ściskające (ok. -90 MPa), które były wyższe niż w materiale rodzimym (ok. -20 MPa). Niewielkie naprężenia ściskające w materiale rodzimym są związane z przemianą bainityczną zachodzącą podczas procesu wytwarzania (ciągłego chłodzenia po walcowaniu na gorąco).

Analiza zmian strukturalnych została przeprowadzona z wykorzystaniem metod mikroskopii elektronowej (rys. 4) w wybranych podstrefach: zgrzeina, HTHAZ 1, LTHAZ 3, a także materiał rodzimy. Szczegółowy opis zmian strukturalnych przedstawiono w pracach [21, 22]. Struktury porównywano do materiału rodzimego (rys. 4j-l). Podstawową różnicą w obszarze zgrzeiny (rys. 4a-c) był niższy stopień rozdrobnienia składników struktury, scharakteryzowany poprzez większą grubość listew ferrytu bainitycznego, jak również większą ilość austenitu blokowego. Struktura w obszarze HTHAZ 2 składała się również z ferrytu bainitycznego, przedeutektoidalnego ferrytu i składnika M/A. Blokowy austenit szczątkowy uległ rozdrobnieniu (rys. 4d-f) w odniesieniu do obszaru zgrzeiny. W regionie LTHAZ 3 ujawniono zdegradowaną strukturę bainityczną w postaci wydzieleń węglikowych umiejscowionych wewnątrz, a także na granicach listew ferrytu bainitycznego. W tej podstrefie temperatura nie przekraczała Ac1, ale ze względu na występujący rozpad austenitu szczątkowego była ona stosunkowo wysoka (prawdopodobnie powyżej 500°C) – rys. 4g-i.

STAL_7-8_24_Aleksandra_Krolicka_STALE_BAINITYCZNE_W_INFRASTRUKTURZE_KOLEJOWEJ_RYS_4 — Rys. 4. Badania struktury z wykorzystaniem metody EBSD. Mapa rozkładu faz (a, d, g, j) odpowiednio w strefie zgrzeiny, HTHAZ2, LTHAZ 3 i materiału rodzimego. Mapa odwrotnych figur biegunowych (b, e, h, k), orientacje austenitu szczątkowego w obszarze zgrzeiny (c, f, i, l). Na podstawie [21]; rys: autorka

Wyniki badań struktury stali

Na podstawie badań strukturalnych krytyczną podstrefą połączenia zgrzewanego była podstrefa LTHAZ, w której wystąpiła degradacja struktury bainitycznej. W celu identyfikacji mechanizmów rozpadu i ich produktów wykonano obserwacje z wykorzystaniem konwencjonalnej oraz wysokorozdzielczej metody TEM. Zaobserwowano obecność wydzieleń cementytu, które zwykle występowały na granicach listew ferrytu bainitycznego. Wskazuje to, że warstwowy austenit szczątkowy uległ rozpadowi jako pierwszy. W analizowanej strefie LTHAZ zidentyfikowano również inne produkty rozpadu. Wewnątrz listew ferrytu bainitycznego zaobserwowano wydzielenia węglików o zróżnicowanym kształcie, a także wymiarach (rys. 5a). Niektóre ze zmierzonych wydzieleń węglikowych przekraczały 300 nm.