Optimization of the heat treatment process to obtain the required distribution of mechanical properties in the rail head of pearlitic rails

• Autorzy: Kuziak Roman , Pidvysotsk’yy Valeriy , Radwański Krzysztof , Mazur Artur , Zygmunt Tomasz , Pietrzyk Maciej , Rauch Łukasz , Bachniak Daniel

Identyfikatory

DOI

10.32730/imz.2657-747.19.1.1

Warianty tytułu

PL

Optymalizacja procesu obróbki cieplnej w celu uzyskania pożądanego rozkładu właściwości mechanicznych w główce szyny ze stali perlitycznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents metallurgically based approach allowing the design of the parameters of the pearlitic rail head heat treatment to obtain the targeted mechanical properties. The described solutions enable predicting the progress of phase transformations, final microstructure and mechanical properties distribution in the pearlitic rail subject to heat treatment. It also allows the optimization of the cooling conditions to obtain a strictly defined distribution of mechanical properties in the rail head. The program is developed as a result of research activities performed in the HyPremRail R&D project. The core of the program consists of the phase transformations model which is implemented in the numerical code based on the FEM for heat transfer calculations. The model predicts the pearlite nodule and colony size as well as cementite interlamellar spacing. Using these parameters, strength properties distribution in the rail can be predicted, since the phase transformations model is combined with the Fourier heat transfer equation. To perform the numerical simulations, the boundary conditions for heat treatment should be defined. On the contrary, using inverse analysis, the program can provide the cooling conditions allowing obtaining defined mechanical properties distribution in rail head.

PL

Artykuł przedstawia matematyczny model oparty na wiedzy metaloznawczej, umożliwiający zaprojektowanie parametrów obróbki cieplnej główki szyny ze stali perlitycznej w celu uzyskania pożądanych właściwości mechanicznych. Dzięki implementacji modelu w programie komputerowym opartym na metodzie elementów skończonych możliwe jest śledzenie postępu przemian fazowych w trakcie obróbki cieplnej główki szyny o strukturze perlitycznej, a w efekcie końcowym również przewidywanie parametrów mikrostruktury finalnej oraz właściwości mechanicznych szyny. Drugą funkcją programu jest określenie warunków obróbki cieplnej powodujących uzyskanie założonego rozkładu właściwości mechanicznych w główce szyny obrabianej cieplnie. Prezentowane podejście oraz program komputerowy opracowano w ramach prac związanych z realizacją projektu badawczo-rozwojowego „HyPremRail”. Po zadaniu warunków chłodzenia program realizuje lokalnie obliczenia odległości między płytkami cementytu, wielkości ziarna i kolonii perlitu w oparciu o opracowany model przemian fazowych, posługując się rozwiązaniem MES równania Fouriera, a następnie przelicza wartości uzyskanej odległości międzypłytkowej na twardość, granicę plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie. Przeprowadzenie obliczeń wymaga zdefiniowania warunków początkowych i brzegowych procesu obróbki cieplnej. Z kolei zagadnienie optymalizacji parametrów procesu w celu uzyskania korzystnego rozkładu właściwości mechanicznych w obszarze główki rozwiązywane jest za pomocą metody obliczeń odwrotnych.

Słowa kluczowe

EN

pearlitic microstructure; phase transformations; mechanical properties; heat treatment of rails; numerical modelling

PL

mikrostruktura perlityczna; przemiany fazowe; właściwości mechaniczne; obróbka cieplna szyn; modelowanie numeryczne

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukaszewicz - Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica
• Czasopismo: Journal of Metallic Materials
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 71, no. 1
• Strony: 3--9
• Opis fizyczny: Bibliogr. 8 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kuziak Roman

• Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica

autor

Pidvysotsk’yy Valeriy

• Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica

autor

Radwański Krzysztof

• Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica

autor

Mazur Artur

• Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica

autor

Zygmunt Tomasz

• ArcelorMittal Poland

autor

Pietrzyk Maciej

• AGH - University of Science and Technology

autor

Rauch Łukasz

• AGH - University of Science and Technology

autor

Bachniak Daniel

• AGH - University of Science and Technology

Bibliografia

• [1] R. Kuziak, Y.W. Cheng, M. Głowacki, M. Pietrzyk. Modelling of the microstructure and mechanical properties of steels during thermomechanical processing. Boulder: NIST Technical Note 1393, 1997.
• [2] D. Szeliga, R. Kuziak, T. Zygmunt, J. Kusiak, M. Pietrzyk. Selection of parameters of the heat treatment thermal cycle for rails with respect to the wear resistance. Steel Research International, 2014, 85 (6), p. 1070-1082.
• [3] Instytut Metalurgii Żelaza. Method of rails and crossing sections hardening. Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej. Patent PL 190411 B1. 30.12.1999. (in Polish).
• [4] T. Zygmunt. The Influence of Cyclic Controlled Cooling on Mechanical Properties and Exploitation of Rails. PhD Thesis. Silesian Technical University, 2009. (in Polish).
• [5] R. Kuziak, T. Zygmunt. A new method of rail head hardening of standard-gauge rails for improved wear and damage resistance. Steel Research International, 2013, 84 (1), p. 13-19.
• [6] M. Pietrzyk, R. Kuziak. Modelling phase transformations in steel. In: J. Lin, D. Balint, M. Pietrzyk (ed.), Microstructure evolution in metal forming processes. Oxford: Woodhead Publishing, 2012, p. 145-179.
• [7] B. Garbarz, F.B. Pickering. Effect of pearlite morphology on impact toughness of eutectoid steel containing vanadium. Materials Science and Technology, 1988, 4, p. 328-334.
• [8] R. Kuziak, V. Pidvysots’kyy, M. Pernach, Ł. Rauch, T. Zygmunt, M. Pietrzyk. Selection of the best phase transformation model for optimization of manufacturing processes of pearlitic steel rails. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2019, 19 (2), p. 535-546.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).