Аннотация результатов, полученных в 2015 году
В соответствии утвержденным Планом работы на первый год выполнения проекта РНФ сделано следующее: 1. Методами оптической и просвечивающей электронной микроскопии и механическими испытаниями определены характеристики зеренной, субзеренной структуры и механических свойств стали с перлитной структурой после интенсивной пластической деформации (образцы головки рельсов после 500 и 1000 млн. брутто тонн – далее образцы 1 и 2, соответственно). 2. Выполнен рентгенофазовый анализ образцов 1 и 2 с определением параметра решетки, уровня микронапряжений и размера областей когерентного рассеяния по различным направлениям перпендикулярно оси катания и по выкружке. 3. Методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии проведены послойные исследования структуры, фазового состава, состояния дислокационной субструктуры в головке изношенных рельсов после 500 и 1000 млн. брутто тонн. 4. Выявлены особенности поверхности разрушения образцов 1 и 2. 5. Проведена оценка остаточных напряжений в рельсах с использованием электромагнитно-акустического способа ввода-приема поперечных, поверхностных и продольных волн. 6. Разработана математическая модель образования наноструктур основанной на синтезе метода фазового поля и фильтрационной модели пластичности. 7. Определены значения параметров фильтрационной модели через микропараметры: средняя плотность дислокаций, параметр кривизны-кручения решетки. Установлено, что микроструктура рельсов выбранных проб представлена сорбитом закалки с обрывками ферритной сетки. По мере удаления от поверхности дисперсность перлита незначительно уменьшается, также снижается доля ферритной составляющей. Величина действительного зерна металла рельсовой стали оценивается преимущественно 9-10 номером. Установлено, что твердость рельсов на расстоянии 2 мм от поверхности составляет 35 HRC, а на расстоянии 10 мм – 37 HRC. Механические свойства существенно изменяются в зависимости от пропущенного тоннажа – предел прочности уменьшается с 1270 до 1250 МПа, предел выносливости – с 860 до 850 МПа при пропущенном тоннаже 500 и 1000 млн. брутто тонн, соответственно. Установлено, что при пропущенном тоннаже 500 млн. брутто тонн микротвердость уменьшается от 5,2 до 4,9 ГПа на расстоянии от 0 до 10 мм от поверхности, а при пропущенном тоннаже 1000 млн. брутто тонн – от 8,2 до 6,5 ГПа, соответственно. Увеличение пропущенного тоннажа рельсов в 2 раза приводит к существенному (в ~1,5 раза) увеличению микротвердости поверхностного слоя толщиной до 10 мм. Установлена корреляция изменения значений микротвердости и нанотвердости в зависимости от расстояния от поверхности и пропущенного тоннажа, однако интервал изменения нанотвердости составляет от 7,7 до 5,6 ГПа при пропущенном тоннаже 500 млн. брутто тонн и от 9,7 до 7,8 ГПа при пропущенном тоннаже 1000 млн. брутто тонн. Исследование изменения модуля Юнга в зависимости от тоннажа и расстояния до поверхности не показали существенного изменения – значения модуля Юнга изменяются от 181 до 187 ГПа. Установлено, что после 500 млн. т брутто пропущенного тоннажа на расстоянии 10 мм от поверхности выкружки наблюдается структура, представленная зернами перлита пластинчатой морфологии зернами (областями) феррито-карбидной смеси и зернами структурно свободного феррита. Основным типом структуры исследуемой стали являются зерна перлита. Подобная, по морфологическому признаку, структура наблюдается в рельсах и после 1000 млн. т брутто пропущенного тоннажа. Отличие заключается лишь в более развитой дислокационной субструктуре зерен структурно-свободного феррита в стали после 1000 млн. т брутто пропущенного тоннажа. Показано, что наиболее существенные преобразования структуры рельсов при эксплуатации на железной дороге происходят в поверхностном слое. Основным типом структуры поверхностного слоя является фрагментированная субструктура с размерами фрагментов (субзерен) 250-300 нм для рельсов после пропущенного тоннажа 500 млн. т брутто и еще более мелкая, наноразмерного уровня, 100-150 нм – для рельсов после 1000 млн. т брутто. Частицами второй фазы являются карбиды железа; в отдельных случаях выявляются рефлексы оксидов железа. На расстоянии 2 мм от поверхности катания структура стали после эксплуатации (независимо от тоннажа) по морфологическому признаку близка к структуре объема материала: выявляются зерна пластинчатого перлита, зерна феррито-карбидной смеси и зерна структурно свободного феррита. Эксплуатация рельсов после пропущенного тоннажа 500 млн. т брутто привела к эволюции состояния выявленных структурных составляющих рельсов: в 1,5-2 раза повысилась скалярная плотность дислокаций, расположенных в объеме ферритной составляющей материала; зафиксированы фрагментация и разрушение цементита пластинчатой морфологии; наблюдалось формирование наноразмерных частиц карбидной фазы. Наноразмерные частицы выявлялись во всех структурных составляющих рельсов: в зернах перлита, и в зернах феррито-карбидной смеси, и в зернах структурно свободного феррита, что указывает на протекание при эксплуатации рельсов многоступенчатого процесса. После пропущенного тоннажа 1000 млн. т брутто обнаружены зерна перлита с частичным или полным растворением пластин цементита. Установлено, что наиболее существенные преобразования структуры материала выявляются на поверхности рельсов. Эксплуатация рельсов приводит к фрагментации структуры стали, т.е. делению зерен на области с малоугловой разориентацией. Размеры фрагментов зависят как от степени эксплуатации рельсов, так и от расстояния анализируемого слоя от поверхности выкружки. Средние размеры фрагментов более, чем в 8 раз снижаются при увеличении пропущенного тоннажа от 500 млн. т до 1000 млн. т брутто. Одновременно с этим увеличивается степень разориентации фрагментов. Эксплуатация рельсов сопровождается преобразованием дислокационной субструктуры. Установлено, что более, чем в 6 раз возрастает величина кривизны-кручения кристаллической решетки стали. Выявляется преобразование карбидной подсистема стали. Формирование структуры с наноразмерными частицами в поверхностном слое рельсов после пропущенного тоннажа 1000 млн. т груза было выявлено практически повсеместно. Установлено, что на изломах стали, разрушенной при ударном нагружении, выявляется поверхностный слой толщиной 200-300 мкм, который разбивается на два подслоя: подслой, примыкающий к поверхности катания (поверхностный подслой), имеющий толщину до 20 мкм, и переходный подслой. Поверхностный подслой характеризуется наличием большого количества микротрещин, микропор и выбоин. Размеры микропор изменяются в пределах 1-2 мкм. Выполнен анализ структуры слоев стали. Показано, что поверхность ударного излома образцов стали характеризуется высоким уровнем дефектности. В зернах структурно свободного феррита наблюдается дислокационная субструктура в виде хаотически распределенных дислокаций; в зернах перлита – сетчатая дислокационная субструктура. Максимального значения скалярная плотность дислокаций достигает вблизи глобулярных частиц карбидной фазы и составляет ~8х10Е10 см-2. Установлены различия в состоянии стали вдоль центральной оси и на выкружке. А именно, в объеме материала на центральной оси (по отношению к объему материала по выкружке) относительное содержание цементита выше, параметр решетки альфа-Fe меньше, микронапряжения ниже, размеры областей когерентного рассеяния больше, чем у объема стали, расположенном на выкружке. Выполнены теоретические исследования образования наноструктур при интенсивной пластической деформации рельсовой стали. Установлено, что на начальном этапе наноразмерные структуры образуются вследствие неустойчивости Кельвина-Гельмгольца раздела слоев. На это указывает наличие максимума инкремента неустойчивости в нанодиапазоне. Предложенная модель позволяет параметризировать значение волнового числа и длины волны, при котором наступает неустойчивость. В формулу для критического волнового числа входит параметр равный произведению кинематической вязкости и относительной скорости движения слоев. Показано, что при значениях кинематической вязкости порядка 0,0000001 м2/с максимум инкремента в нанодиапазоне наблюдается при относительных скоростях движения слоев порядка 100 м/с. Для изучения дальнейшего развития образования наноструктур предложена двумерная фильтрационная модель пластического течения материалов. В ее основу положено представление о том, что деформируемый материал представляет собой двухфазную гетерогенную среду. Первая фаза является возбужденной, она отвечает за структурные превращения, а вторая компонента не возбужденная, она не связана со структурными превращениями. Взаимодействие этих компонент порождает волну пластичности. Для каждой из фаз записывается набор законов сохранения импульса и массы, а также уравнение состояния. Проведен поиск решения в виде бегущей волны. В результате расчетов получено решение в виде «ударного перехода» и найдена предельная скорость его распространения. Для бегущих волн получено дисперсионное уравнение. Оценено значение коэффициента сопротивления движению первой фазы со стороны второй. Найдена критическая длина волны, при которой наступает неустойчивость, которая составила порядка 1,41 мкм. Проведена оценка анизотропии свойств рельса по изменению скорости ультразвуковых волн в различных сечениях рельса. Применена методика измерения остаточных напряжений в рельсе на основе явления акустоупругости, заключающаяся в возбуждении и приеме двух сдвиговых волн с различной поляризацией, возбуждаемых электромагнитно-акустическим преобразователем. Электромагнитно-акустический преобразователь позволяет отстроиться от качества акустического контакта, тем самым повысить достоверность контроля. Проведено численное моделирование сжимающих напряжений рельсов, которые он испытывает в процессе эксплуатации. Проведена экспериментальная оценка механических напряжений на машине для сжатия, появляющихся в процессе расширения рельса при высоких температурах. Некоторое расхождение расчетных и экспериментальных зависимостей может быть объяснено неоднородностью по сечению рельса напряжений, встречающихся на пути ультразвуковых лучей. Проведены исследования по оценке температурных напряжений на участке бесстыкового рельсового пути. Остаточные напряжения определялись при разных температурах окружающей среды и соответственно рельса: 4°С, 24°С и 32°С. Получено, что с увеличением температуры происходит уменьшение значение напряжений, так как рельс расширяется и испытывает сжимающие нагрузки.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Показано, что упрочнение поверхностного слоя рельсов в процессе эксплуатации на железной дороге, является многофакторным и обусловлено совокупным действием ряда физических механизмов. Эксплуатация рельсов сопровождается формированием в поверхностном слое фрагментированной субструктуры. Упрочнение материала малоугловыми границами, разделяющими фрагменты, оценено, используя выражение, связывающее напряжение трения кристаллической решетки материала и средний размер фрагментов. В исследуемой рельсовой стали, как в исходном состоянии, так и после эксплуатации, выявляется дислокационная субструктура с относительно высокой скалярной плотностью дислокаций. Напряжение, необходимое для поддержания пластической деформации связано со скалярной плотностью дислокаций и напряжением течения недислокационного происхождения. Эксплуатация рельсов сопровождается формированием в стали внутренних полей напряжений. Процедура оценки величины внутренних полей напряжений сводится к определению градиента кривизны-кручения кристаллической решетки. Величина избыточной плотности дислокаций связана с градиентом кривизны-кручения кристаллической решетки через вектор Бюргерса дислокаций. Общий предел текучести стали в первом приближении, основанном на принципе аддитивности, который предполагает независимое действие каждого из механизмов упрочнения материала, можно представить в виде линейной суммы вкладов отдельных механизмов упрочнения: вклада, обусловленного трением решетки матрицы, вклада, обусловленного внутрифазными границами, вклада, обусловленного дислокационной субструктурой, вклада, обусловленного присутствием частиц карбидных фаз и вклада, обусловленного дальнодействующими внутренними полями напряжений. Показано, что параметры дефектной субструктуры металла рельсов зависят и от расстояния до рабочей поверхности рельс, и от величины грузопроката. Проведены оценки величин вкладов структурных элементов в предел текучести металла рельсов. Предел текучести металла «рабочей» выкружки рельс при наработке 500 млн. тонн брутто изменяется в пределах от 771 МПа в слое, расположенном на глубине ≈10 мм до 880 МПа в поверхностном слое. Увеличение наработки до 1000 млн. тонн брутто приводит к существенному росту величины микротвердости металла поверхности «рабочей» выкружки рельс. Теоретические оценки предела текучести стали свидетельствуют о том, что предел текучести металла поверхностности «рабочей» выкружки рельс существенно (более чем в 4,7 раз) выше предела текучести объема материала. Выделены наиболее значимые физические механизмы, обеспечивающие высокие прочностные свойства рельсовой стали. Из анализа дефектной субструктуры металла, расположенного на различных расстояниях от поверхности катания рельсов, подвергнутых эксплуатации следует, что параметры дефектной субструктуры металла существенным образом зависят от расстояния до рабочей поверхности рельсов и от пропущенного тоннажа. При увеличении расстояния от поверхности катания средние размеры фрагментов увеличиваются, величина скалярной и избыточной плотности дислокаций и амплитуда кривизны-кручения кристаллической решетки α-фазы снижаются, независимо от величины пропущенного тоннажа. При этом величина пропущенного тоннажа сказывается на интенсивности изменения рассмотренных параметров стали. Выделены наиболее значимые физические механизмы, обеспечивающие высокие прочностные свойства рельсовой стали. В объеме стали, расположенном на глубине 10 мм, и в объеме, прилегающем к поверхности катания, основным механизмом упрочнения является субструктурный, обусловленный формированием субграниц. Отметим, что в объеме материала, прилегающего к поверхности катания, роль субструктурного упрочнения существенным образом усиливается. Предел текучести рельсов в области поверхности катания при наработке 500 млн. тонн брутто и 1000 млн. тонн брутто изменяется подобным образом, а именно, достигает максимальных значений на поверхности катания и быстро снижается при увеличении расстояния от поверхности катания вдоль осевой линии. При этом предел текучести металла рельс при наработке 500 млн. тонн брутто выше предела текучести металла рельс, формирующегося при наработке 1000 млн. тонн брутто. Увеличение наработки до 1000 млн. тонн брутто приводит к разупрочнению поверхностного слоя металла поверхности катания рельс. Теоретические оценки предела текучести стали свидетельствуют о том, что предел текучести металла поверхности катания при наработке 1000 млн. тонн брутто в 1,6 раз выше предела текучести объема материала, т.е. эксплуатация рельс приводит к упрочнению металла поверхности катания. Выявлены изгибные контуры экстинкции, указывающие на кривизну-кручение кристаллической решетки материала, обусловленную внутренними полями напряжений. Из анализа характерных изображений изгибных экстинкционных контуров в структуре поверхностного слоя металла рельсов после наработки 500 млн. тонн брутто установлено, что источниками внутренних дальнодействующих полей напряжений в исследуемом материале являются границы раздела зерен и субзерен; границы раздела частиц цементита и феррита. Выполнив сравнительный анализ поперечных размеров контуров, можно отметить, что наиболее высокий уровень кривизны-кручения кристаллической решетки стали выявляется вблизи частиц карбидной фазы, размеры которых (7,5-10) нм. Кривизна-кручение кристаллической решетки вблизи частиц карбидной фазы, размеры которых (15-20) нм, в 4-5 раз меньше. Структурно-фазовое состояние участка рельсов, расположенного на расстоянии 10 мм от поверхности катания, по морфологическому признаку подобно исходному структурно-фазовому состоянию. А именно, выявляются зерна пластинчатого перлита, зерна феррито-карбидной смеси и зерна структурно-свободного феррита. Отличие от структуры материала исходного состояния заключается в несколько более высоком уровне скалярной плотности дислокаций во всех указанных составляющих структуры стали. Эксплуатация рельсов сопровождается формированием внутренних дальнодействующих полей напряжений. Независимо от расстояния до поверхности рельс основным источником кривизны-кручения кристаллической решетки являются межфазные границы – границы раздела цементита и феррита. По мере приближения к поверхности увеличивается количество изгибных экстинкционных контуров на единицу площади поверхности материала и уменьшаются поперечные размеры контуров. После эксплуатации при наработке 1000 млн. тонн брутто преобразование структуры поверхностного слоя стали развивается подобно преобразованиям, имеющим место при наработке 500 млн. тонн брутто. Однако выявлены и значимые отличия структурно-фазового состояния материала. Прежде всего, существенным образом отличается дефектная субструктура зерен феррита. Если при наработке 500 млн. тонн брутто в объеме зерен феррита формируется полосовая субструктура, то после наработки 1000 млн. тонн брутто в зернах феррита выявляется преимущественно субзеренная структура, что, очевидно, указывает на протекание начальной стадии динамической рекристаллизации материала. Особенностью материала слоя, расположенного на расстоянии 2 мм от поверхности катания является большое количество изгибных экстинкционных контуров, что свидетельствует о наличие внутренних дальнодействующих полей напряжений в данном слое стали. Структура слоя рельсовой стали, расположенного на расстоянии 10 мм от поверхности катания после наработки 1000 млн. тонн брутто по морфологическому признаку подобна структуре стали перед эксплуатацией. Основным морфологическим типом являются зерна пластинчатого перлита, в малом количестве присутствуют зерна структурно свободного феррита и зерна феррито-карбидной смеси. Длительная эксплуатация рельс сопровождается увеличением степени деформационного преобразования материала, что привело к формированию существенно неоднородной структуры. Данный факт указывает на протекание в стали при эксплуатации процесса динамической рекристаллизации. Из результатов моделирования в программе ANSYS теплового фронта и напряженного состояния получено: температура внутренней части головки охлаждается медленнее, даже после окончания охлаждения спреями температура внутренней части головки будет выше, чем на поверхности. Раскаленная внутренняя часть будет нагревать поверхность, что в результате приведет к самоотпуску поверхности катания рельса и образованию структур троостита вблизи поверхности катания. Сжимающие напряжения на поверхности головки, достигающие 20 МПа, которые при удалении от поверхности катания переходят в растягивающие. В шейке наблюдаются сжимающие напряжения 10МПа. Наибольшие растягивающие напряжения наблюдаются в подошве 25МПа. Экспериментальные исследования напряженного состояния отдельных элементов рельсов, показали, что рельсы, бывшие в эксплуатации, обладают наибольшими сжимающими остаточными напряжениями при измерении по всему сечению рельса со стороны головки или подошвы. В шейке наблюдается высокий уровень растягивающих напряжений, что объясняется технологией термической обработки, при которой она не подвергается закалке. По длине рельса в головке, шейке и подошве отмечается увеличение сжимающих напряжений с ростом эксплуатации. Установлено, что метод, на основе поиска центра масс, имеет минимальную случайную погрешность среди всех рассмотренных методов, то есть является наиболее устойчивым к нестационарным шумам и помехам. Уровень структурных шумов в головке эксплуатировавшихся рельсов превышает уровень шумов в новых рельсах. Это объясняется наличием структурных изменений в головке рельсов вследствие наклепа и контактно-усталостных микроповреждений при их длительной эксплуатации. Полученные экспериментальные результаты измерений акустических структурных шумов удовлетворительно коррелируют с износом и твердостью на поверхности катания и в сечении рельсов. Получено, что скорости поверхностных волн в новых рельсах на 8-14 м/с выше, чем в рельсах с наработкой. Исключение составляет рельс №5, у которого отсутствует идентификация по году изготовления и эксплуатационной наработке. Волны Рэлея, являются чувствительными к дефектам поверхности, подтверждают наличие наклепа и накопленной дефектности в поверхности катания головки рельсов, находящихся в эксплуатации в течение длительного времени. Выполнен анализ неустойчивости сдвиговых течений с позиций вязкой, вязко-пластичной и вязкоупругой моделей в нано и микроразмерном диапазоне длин волн. Получена зависимость декремента от волнового числа (длины волны), которая имеет два максимума. Первый максимум приходится на длину волны 318 нм, а второй на 2,7 мкм в вязком случае. Найден диапазон скоростей (от 0 до 50 м/с) и кинематических вязкостей (меньше 0.00001 м2/с), при которых наблюдаются два максимума. Впервые получены приближенные аналитические зависимости критических длин волн от параметров задачи. Этот результат позволяет параметризировать экспериментальные данные. Расчеты по этим формулам показали хорошее согласие с результатами численного анализа и размерами зерен, определенными из эксперимента. В вязкоупругом случае значение критических длин волн отличается от вязкого случая незначительно. Анализ зависимости декремента от волнового числа (длины волны) в вязкопластическом случае в приближении пористой среды также показал наличие двух максимумов. Первый максимум приходится на длину волны 275 нм, а второй на длину волны 1,891 мкм. Определен диапазон параметра, характеризующего сопротивление движению мобильной среды со стороны упругого скелета, при котором сдвиг критических волновых чисел существенен. Его значения составили больше 10Е7 м2/с.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Проведен анализ неоднородности интенсивной пластической деформации поверхностных слоев по центральной оси и по выкружке. Установлены нарушения сплошности, располагающиеся со стороны рабочей выкружки. По месту интенсивной пластической деформации с поверхности обнаружены белые участки наклепанного металла толщиной до 30 мкм. Проанализировано изменение фазового состава при удалении от поверхности. Выполнен анализ физической природы прочности металла рельсов, основанный на численной оценке механизмов упрочнения, выполненной по результатам выявленных методами оптической, сканирующей и просвечивающей электронной дифракционной микроскопии параметров структуры, фазового состава и дефектной субструктуры рельсов после длительной эксплуатации. Показано, что эксплуатация рельсов сопровождается существенным изменением прочностных свойств. Эксплуатация рельсов приводит к фрагментации структуры поверхностного слоя стали, т.е. к формированию в объеме зерен областей с малоугловой разориентацией. Несомненно, присутствующие в объеме зерен малоугловые границы будут оказывать сопротивление движению дислокаций, т.е. будут упрочнять сталь. Выполненный количественный анализ параметров структуры показывает, что размеры фрагментов зависят как от пропущенного тоннажа, так и от расстояния анализируемого слоя от поверхности рельсов и места анализа структуры («рабочая» выкружка или поверхность катания). К примеру, средние размеры фрагментов более чем в 8 раз уменьшаются при увеличении пропущенного тоннажа от 500 млн. тонн до 1000 млн. тонн брутто, достигая наноразмерного (100-150 нм) уровня. Одновременно с уменьшением средних размеров возрастает величина азимутальной составляющей полного угла разориентации фрагментов, определяемая по относительной величине азимутального уширения рефлексов α-фазы. Фрагментация структуры стали свидетельствует о том, что эксплуатация рельсов сопровождается преобразованием дислокационной субструктуры. Выполненные исследования позволили выявить в анализируемом материале ряд дислокационных субструктур. Показано незначительное увеличение скалярной плотности дислокаций при двукратном увеличении пропущенного тоннажа рельсовой стали. Такая же тенденция проявляется и при анализе дислокационной субструктуры в зависимости от расстояния до рабочей поверхности рельса. Эксплуатация рельсов приводит к существенному росту в поверхностном слое металла рельсов количества источников внутренних дальнодействующих полей напряжений и величины кривизны-кручения кристаллической решетки стали. Последнее свидетельствует об увеличении внутренних полей напряжений в поверхностном слое стали при эксплуатации и, следовательно, окажет влияние на прочностные характеристики материала. Результаты электронно-микроскопических исследований фазового состава и дефектной субструктуры металла рельсовой стали свидетельствуют о многофакторном упрочнении поверхностного слоя материала, имеющем место в процессе эксплуатации на железной дороге. Выполнен анализ физической природы формирования и эволюции наноструктурно-фазовых состояний при интенсивной пластической деформации в процессе длительной эксплуатации. Определив методами просвечивающей дифракционной электронной микроскопии средний размер фрагментов, азимутальную составляющую полного угла разориентации фрагментов, скалярную и избыточную плотности дислокаций, пластическую и упругую составляющие градиента кривизны-кручения кристаллической решетки, то есть, количественные характеристики структуры стали, был выполнен анализ физических механизмов, ответственных за эволюцию твердости стали в процессе эксплуатации рельсов, а также выявлены физические механизмы формирования градиента твердости рельсовой стали. Установлено, что что параметры дефектной субструктуры металла рельсов зависят и от расстояния до рабочей поверхности рельсов, и от величины пропущенного тоннажа. Проведен количественный анализ дефектной субструктуры металла, расположенного на различных расстояниях (вдоль осевой линии) от поверхности катания рельсов, подвергнутых эксплуатации. Показано, что что параметры дефектной субструктуры металла существенным образом зависят от расстояния до рабочей поверхности рельсов и от пропущенного тоннажа. Результаты количественного анализа структуры стали использованы при оценке величин вкладов структурных элементов в предел текучести металла рельсов. Опираясь на результаты, полученные в 2015 – 2017 годах и проведенный сравнительный анализ экспериментальных и теоретических оценок можно резюмировать следующее. Выполнен сравнительный послойный количественный анализ дефектной субструктуры и фазового состава рельсов после длительного срока эксплуатации (пропущенный тоннаж 500 млн. тонн брутто и 1000 млн. тонн брутто). Рассмотрены механизмы упрочнения рельсов на пределе текучести. Проведены теоретические оценки предела текучести металла рельсов. Выявлен многофакторный характер упрочнения стали, что обусловлено, во-первых, субструктурным упрочнением, вызванным формированием субграниц фрагментов, границы которых стабилизированы частицами карбидной фазы; во-вторых, упрочнением частицами карбидной фазы, расположенными в объеме фрагментов и на элементах дислокационной субструктуры (дисперсионное упрочнение); в-третьих, упрочнением, обусловленным осаждением на дислокациях атомов углерода; в-четвертых, упрочнением, вносимым внутренними полями напряжений, вызванными несовместностью деформации кристаллических решеток структурных составляющих α-фазы и частиц карбидной фазы. Выполнен анализ механизмов упрочнения «рабочей» выкружки и поверхности катания рельсов. Для области материала, формирующего «рабочую» выкружку, установлено, что эксплуатация рельсов при тоннаже 500 млн. тонн брутто сопровождается разупрочнением поверхностного слоя толщиной не менее 2 мм; увеличение пропущенного тоннажа рельсов до 1000 млн. тонн приводит к существенному увеличению твердости поверхностного слоя. Показано, что увеличение твердости поверхностного слоя рельсовой стали, подвергнутой длительной (1000 млн. т) эксплуатации, носит многофакторный характер и обусловлено, во-первых, субструктурным упрочнением, вызванным формированием наноразмерных фрагментов, границы которых стабилизированы частицами карбидной фазы; во-вторых, упрочнением частицами карбидной фазы, расположенными в объеме фрагментов и на дислокациях (дисперсионное упрочнение); в-третьих, упрочнением, вносимым внутренними полями напряжений, формирующимися вследствие несовместности деформации соседних зерен, элементов субструктуры α-фазы и расположенных в них частицами карбидной фазы. Для области материала, формирующего поверхность катания, установлено, что эксплуатация рельсов при пропущенном тоннаже 500 млн. тонн брутто сопровождается упрочнением поверхностного слоя. Наиболее значимыми физическими механизмами, обеспечивающими высокие прочностные свойства рельсовой стали является субструктурный, обусловленный формированием субграниц, и дислокационный. В объеме металла, прилегающего к поверхности катания, роль субструктурного упрочнения существенным образом усиливается. Увеличение пропущенного тоннажа до 1000 млн. тонн брутто приводит к разупрочнению поверхностного слоя металла поверхности катания рельсов. Теоретические оценки предела текучести стали свидетельствуют об обратном эффекте, т.е. повышении предела текучести металла поверхностного слоя поверхности катания рельсов. Разработаны научно-практические рекомендации по ЭМА технологиям для оценки остаточного ресурса рельсов, накопления повреждений, напряженно-деформированного состояния, структуроскопии на основе использования ультразвуковых методов оценки. Для этих целей были проведены фундаментальные исследования по моделированию остаточных напряжений в рельсах типа Р65 от температуры эксплуатации рельсов и нагрузок, возникающих после термической обработки рельсов. По результатам моделирования было получено, что в результате колебаний температур от 0 до 60 градусов напряжения меняются в диапазоне от 0 до -25 МПа. Допустимое расхождение паза, по которому оценивают остаточные напряжения после термической обработки рельса приводит к появлению в головке напряжений -54 МПа, в шейке +86 МПа, а в подошве -62 МПа. Проведены экспериментальные исследования, устанавливающие связь между смоделированными напряжениями, с напряжениями, измеренными при помощи ЭМА технологий. По результатам экспериментов получена сходимость результатов моделирования и экспериментов в 5 МПа. Установлено, что при оценке остаточных напряжений с использованием ЭМА технологий необходимо учитывать структурное состояние рельса и степень наработки рельса, которая приводит к изменению структуры, увеличению наклепа и дефектности рельса. Для оценки структурного состояния, наклепа и дефектности рельса следует учитывать скорости релеевской и головной волн, по которым установлен корреляционная связь, связанная с уменьшением скоростей этих волн в зависимости от твердости и структурного состояния. Кроме того, установлено, что скорость головной волны наиболее чувствительная к изменению структуры металла вблизи сварного соединения рельсов. Методом линейного анализа сдвиговой неустойчивости установлен механизм образования двухмодовой неустойчивости Кельвина-Гельмгольца. Появление первого максимума зависимости обусловлено вязкостью, а второго ‒ движением слоев относительно друг друга. Получено упрощенное дисперсионное уравнение для коротковолновых возмущений на границе двух вязких жидкостей, причем вязкость учитывается только на границе раздела. Показано совпадение зависимостей декремента возмущений от длины волны для полного и упрощенного дисперсионных уравнений при коротких волнах. Учет сопротивления движению жидкости со стороны подложки приводит к увеличению значений критических волновых чисел. Моделирование неустойчивости Кельвина-Гельмгольца в нелинейном случае для параметров, соответствующих одно – и двухмодовой неустойчивостям, показали принципиальное отличие: для одномодового режима размеры частиц лежат в узком диапазоне параметров от ~ 90 нм до ~ 242 нм. Помимо распада вихря, в одномодовом режиме наблюдается процесс объединения малых частиц в большие. Для двухмодового режима максимальный и минимальный размер капель различаются в 10 раз. Причем вначале формируются крупные частицы размерами порядка ~1,53 мкм, а затем мелкие, размер которых составляет ~ 150 нм. Полученные результаты позволят не только объяснить, но и прогнозировать условия образования наноструктур и подобрать технологические параметры.