Optimization of the Heat Treatment Process to Obtain the Required Distribution of Mechanical Properties in the Rail Head of Pearlitic Rails

Abstract

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.Keywords: pearlitic microstructure, phase transformations, mechanical properties, heat treatment of rails, numerical modelling 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: mikrostruktura perlityczna, przemiany fazowe, właściwości mechaniczne, obróbka ciepln...

Structure and Properties of the S49 Rail after a Long Term Outdoor Exposure

“…by means of isothermal annealing parameters [3]. Increasing the wear resistance can also be realized by improving the cleanliness of steel and increasing the carbon content [4] as well as head hardening the rails [4][5][6].…”