DOI: 10.52150/2522-9117-2025-39-11

О. І. Бабаченко¹, чл.-кор. НАН України, д.т.н., ORCID 0000-0003-4710-0343
Р. В. Подольський^1,2, докт. філ., ORCID 0000-0002-0288-0641
Г. А. Кононенко^1,3,*, д.т.н., ст. дослідник, ORCID 0000-0001-7446-4105
О. А. Сафронова¹, н.с., аспірант, ORCID 0000-0002-4032-4275
О. Л. Сафронов¹, м.н.с., ORCID 0009-0007-1308-5380
Ж. А. Дементьєва¹, н.с., ORCID 0009-0002-3194-9975

¹Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України
²Інститут прикладних систем управління НАН України
³НТУ “Дніпровська політехніка”
^*Автор для листування: perlit@ua.fm

ПОРІВНЯЛЬНИЙ АНАЛІЗ ЗМІНИ МІКРОТВЕРДОСТІ ЛИТИХ І КАТАНИХ ЗАЛІЗНИЧНИХ КОЛІС РІЗНИХ КЛАСІВ ПІСЛЯ ЕКСТРЕНОГО ГАЛЬМУВАННЯ

Результати отримані в рамках Українсько-німецького проекту “Вплив структурної та хімічної неоднорідності на зносостійкість та поширення втомних тріщин в місці контакту колесо-рейка” (номер держреєстрації 0124U003037) за договором М14-2025/КС.0227.25 від 30.04.2024.

Анотація. Актуальність. Розвиток залізничного транспорту в Україні набуває особливого стратегічного значення в умовах воєнного стану та у період післявоєнного відновлення. Одним із ключових чинників надійності та безпеки рухомого складу є стан поверхні кочення залізничних коліс, яка під час експлуатації зазнає дії складних термомеханічних навантажень. Виникнення дефектів теплового походження, таких як білий шар травлення (WEL), повзуни, термотріщини та інших істотно знижує ресурс колеса та спричиняє додаткові витрати на обслуговування і ремонт. Мета. Дослідження в лабораторних умовах впливу хімічного складу сталі та способу виробництва залізничного колеса на формування WEL і BEL в умовах екстремального гальмування. Методика. Як матеріали для дослідження обрано зразки з ободів залізничних коліс різного способу виготовлення (суцільнокатані та литі), класів С і В та марки 2 з різним вмістом вуглецю (0,61–0,76 %) і твердістю (293–333 НВ). Експерименти виконувалися на спеціальному випробувальному стенді, що моделював умови екстреного гальмування юзом при швидкості руху 100 км/год. Визначення механічних властивостей здійснювали на випробувальних машинах Instron та ПСВ-30; твердість оцінювали за Брінеллем і за мікротвердістю. Металографічні дослідження проводили з використанням оптичних мікроскопів “Carl Zeiss” після травлення зразків ніталем. Результати. Встановлено, що у всіх зразках після випробувань формується зона WEL з мартенситною структурою та підвищеною твердістю (до 8000 Н/мм²). Для литих коліс характерна більша товщина WEL (4–4,3 мм), ніж для суцільнокатаних (2–3 мм), що зумовлено більш вираженою хімічною неоднорідністю та дендритною ліквацією. Виявлено наявність перехідної зони BEL з твердістю 3000–7200 Н/мм², яка являє собою високодисперсний перліт з підвищеною витравлюваністю. Зі збільшенням вмісту вуглецю товщина WEL зростає: для сталі з 0,76 % С – близько 3 мм, тоді як для сталі з 0,61 % С – близько 2 мм. Висновки. Підтверджено, що хімічний склад і спосіб виготовлення колеса є визначальними факторами чутливості сталі до утворення WEL та BEL. Литі колеса демонструють більшу схильність до розвитку термічних дефектів, тоді як суцільнокатані є більш стійкими завдяки одноріднішій структурі. Отримані результати можуть бути використані для оптимізації хімічного складу та технології виготовлення залізничних коліс з підвищеною стійкістю до деформаційно-теплового навантаження.

Ключові слова: хімічний склад, експлуатаційні дефекти, мікротвердість, залізничний транспорт, мікроструктура, теплове навантаження.

Посилання для цитування: Порівняльний аналіз зміни мікротвердості литих і катаних залізничних коліс різних класів після екстреного гальмування / О. І. Бабаченко, Р. В. Подольський, Г. А. Кононенко, О. А. Сафронова, О. Л. Сафронов, Ж. А. Дементьєва // Фундаментальні та прикладні проблеми чорної металургії. 2025.Вип. 39. С. 195-209. https://doi.org/10.52150/2522-9117-2025-39-11

Перелік посилань

Vo K.D., Tieu A.K., Zhu H.T., Kosasih P. B. A tool to estimate the wheel/rail contact and temperature rising under dry, wet, oil conditions. Conference: The 14th International Conference on Railway Engineering Design and Optimisation. 2014. Vol. 135. P. 191 – 201. https://doi.org/10.2495/CR140151
Ertz M., Knothe K. A comparison of analytical and numerical methods for the calculation of temperatures in wheel/rail contact. Wear. 2002. Vol. 253. P.498–508. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(02)00120-5.
Naeimi M., Li S., Li Z., Wu J., Petrov R.H., Sietsma J., Dollevoet R. Thermomechanical analysis of the wheel-rail contact using a coupled modelling procedure. Tribology International. 2018. Vol. 117. P. 250–260. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2017.09.010.
Wu J. Microstructure evolution in pearlitic rail steel due to rail/wheel interaction. Dissertation (TUDelft), Delft University of Technology. 2018. 143 p. https://doi.org/10.4233/uuid:c536ca47-8981-4a9e-916f396bcbca4bc5
Kumar A., Saxena A.K., Kirchlechner C., Herbig M., Brinkmann S., Petrov R.H., Sietsma J. In situ study on fracture behaviour of white etching layers formed on rails. Acta Materialia. 2019. Vol.180. P. 60–72. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.08.060.
Li S., Petrov R., Wu J., Li Z., Dollevoet R., Sietsma J. “Brown etching layer”: A possible new insight into the crack initiation of rolling contact fatigue in rail steels? Engineering Failure Analysis. 2016. Vol.66. P. 8–18. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2016.03.019.
Messaadi M., Steenbergen M. Stratified surface layers on rails. Wear. 2018. Vol. 414-415. P. 151–162. https://doi.org/10.1016/j.wear.2018.07.019.
Ларин Т.В., Девяткин В.П. О механизме износа железнодорожных колес. Трение и износ в машинах. 1956. №11. С. 33-35.
Контактно-усталостное повреждение колес грузовых вагонов. Труды ВНИИЖТ. Под ред. д.т.н., проф. С.М. Захарова. М.: Интекст. 2004. 160с.
Дружинін М.О., Сухомлин В.І., Нестеренко А.М., Книш А.В. Особливості структури білих шарів на поверхні катання залізничних коліс. Металознавство та обробка металів. 2008. №2. С.3-7.
Чичин А.В. Тенденции развития колес нового поколения. Вагоны и вагонное хозяйство. 2007. № 3. С. 22-24.
Асташкевич Б.М., Иванов С.Г., Воронин И.Н. и др. Исследование эксплуатационных дефектов фрикционного сопряжения тормозной колодки с колесом вагона. Вестник ВНИИЖТ. 2004. № 4. С. 31-38.

Рукопис надійшов до редакції 04.08.2025
Рекомендовано до друку 21.10.2025
Опубліковано онлайн 01.12.2025