Дьячковский Иван Иванович - ведущий инженер отдела 50 Цифрового конструкторского бюро Энергетики, механики и машиностроения.
Якутск, ул. Октябрьская, 1, 677980
Ivan I. Dyachkovsky - Leading Engineer, Department No. 50 Digital Design Bureau of Power Engineering, Mechanics, Mechanical Engineering and Control Processes, Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the RAS – Division of FRC YaSC SB RAS.
1, Oktyabrskaya St., Yakutsk, 677980
Лепов Валерий Валерьевич - доктор технических наук, главный научный сотрудник Отдела 30 Моделирования разрушения и безопасности сложных систем.
Якутск, ул. Октябрьская, 1, 677980
Valeriy V. Lepov - Dr. Sc. (Eng.), Chief Researcher, Department No. 30 Modeling of Fracture and Complex Systems Safety, Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the RAS – Division of FRC YaSC SB RAS.
1, Oktyabrskaya St., Yakutsk, 677980
Ачикасова Валентина Семеновна - научный сотрудник Отдела 30 Моделирования разрушения и безопасности сложных систем.
Якутск, ул. Октябрьская, 1, 677980
Valentina S. Achikasova - Researcher, Department No. 30 Modeling of Fracture and Complex Systems Safety, Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the RAS – Division of FRC YaSC SB RAS.
1, Oktyabrskaya St., Yakutsk, 677980
Григорьев Альберт Викторович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Отдела 30 Моделирования разрушения и безопасности сложных систем.
Якутск, ул. Октябрьская, 1, 677980
Albert V. Grigoriev - Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher, Department No. 30 Modeling of Fracture and Complex Systems Safety, Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the RAS – Division of FRC YaSC SB RAS.
1, Oktyabrskaya St., Yakutsk, 677980
Эксплуатация железной дороги в субарктической климатической зоне Центральной Якутии способствует ускоренной выработке ресурса и разрушению рельса и бандажа локомотивного колеса. Представлен анализ деградации микроструктуры испытанных на ударную вязкость образцов, изготовленных из участка рельса на различном удалении от поверхности катания. Рельс находился в активной эксплуатации на железнодорожном участке Томмот–Якутск в зимний период времени. Морфологический анализ поверхностей изломов образцов из рельсовой стали с помощью сканирующей туннельной микроскопии выявил неоднородность микроструктуры, которая обусловливает изменение механических свойств, ускоренное возникновение пор и трещин и накопление повреждений при эксплуатации. Получены данные по морфологии, структуре и элементному составу материала в зонах утяжки вблизи поверхностей разрушения, выявлены микромеханизмы разрушения, разработан алгоритм оценки ресурса на основе теории накопления структурных повреждений, выявлены особенности вязко-хрупкого разрушения, включая закономерности роста пор и трещин, неоднородность накопления повреждений и ускоренную деградацию механических свойств. Цель работы состояла в выявлении зависимости структурных изменений рельсовой стали при эксплуатации в условиях Севера от динамики характеристик стали путем выявления аналитической связи между поврежденностью материала и критерием разрушения Гриффитса. Для выявления неоднородности зерен в металле применена оптическая и сканирующая туннельная микроскопия, выполнен анализ теоретических моделей накопления повреждений и показано, что нелинейная модель Леметра–Шабоша учитывает зависимость скорости деградации материала от состояния структуры. Определена связь между параметром поврежденности, критерием Гриффитса и пределом перколяции среды. Полученные фундаментальные результаты имеют прикладное значение для оценки технического состояния и ресурса металлоконструкций, создания цифровых двойников сложных технических систем, эксплуатирующихся в экстремальных климатических условиях.
Railroad operation in the subarctic climate of Central Yakutia contributes to accelerated service life exhaustion and fracture of rails and locomotive wheels. This paper presents an analysis of microstructural degradation in Charpy impact test specimens made from a rail section at various distances from the rolling surface. The rail was in active service on the Tommot-Yakutsk railway section during the winter season. Morphological analysis of fracture surfaces of rail steel specimens using scanning tunneling microscopy revealed microstructural heterogeneity, which causes changes in mechanical properties, accelerated pore and crack formation, and damage accumulation during operation. Data on the morphology, structure, and elemental composition of the material in stress zones near fracture surfaces were obtained. The aim of this work was to identify the relationship between the nature of structural changes in rail steel during operation in northern conditions and the patterns of change in steel characteristics by establishing an analytical relationship between material damage and the Griffiths destruction criterion. Fracture micromechanisms were identified. A service life assessment algorithm based on the theory of structural damage accumulation was developed. The characteristics of ductile-brittle fracture were identified, including patterns of pore and crack growth, heterogeneity of damage accumulation, and accelerated degradation of mechanical properties. Optical and scanning tunneling microscopy were used to identify grain heterogeneity in the metal. An analysis of theoretical damage accumulation models was performed, and it was demonstrated that the nonlinear Lemaitre-Chabosche model accounts for changes in the material degradation rate depending on the structural state. The relationship between the damage parameter, the Griffiths criterion, and the percolation limit of the medium was determined. These fundamental results have practical applications in assessing the technical condition and service life of metal structures and in creating digital twins of complex technical systems operating in extreme climatic conditions.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.