Isothermes und thermisch-mechanisches Ermüdungsverhalten hochbeanspruchter UIC-Radstähle
Final Report Abstract
Eisenbahnräder erfahren im Betrieb große mechanische und thermische Beanspruchungen, die die Lebensdauer der eingesetzten Radwerkstoffe ganz wesentlich beeinflussen. Um eine zuverlässige Auslegung dieser sicherheitsrelevanten Komponenten gewährleisten zu können, sind umfassende Kenntnisse zum Ermüdungsverhalten der eingesetzten Werkstoffe unter besonderer Berücksichtigung des Temperatureinflusses unabdingbar. Im Rahmen des industriellen Fertigungsprozesses treten wärmebehandlungs- und geometriebedingt Mikrostrukturgradienten im Laufkranz von Vollrädern und Radreifen auf, die zu lokal unterschiedlichen Ferritanteilen und Zementitlamellenabständen führen. Die ortsabhängige Mikrostruktur beeinflusst das quasistatische und zyklische Verformungsverhalten in erheblichem Maße. In dem DFG-Projekt wurde das Wechselverformungsverhalten unterschiedlicher Eisenbahnradstähle im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 550°C in ein- und mehrstufigen Ermüdungsversuchen untersucht. Den Ermüdungsproben wurden in out-of-phase TMF Versuchen und in Versuchen mit überlagerter mechanischer und betriebsnaher thermischer Beanspruchung charakteristische Betriebsbedingungen aufgeprägt. Zur Charakterisierung und Bewertung des zyklischen Verformungsverhaltens kamen unterschiedliche Messtechniken zum Einsatz. Neben mechanischen Spannung-Dehnung-Hysteresismessungen fanden thermische und elektrische Messverfahren Anwendung, die nicht an eine definierte Messlänge gebunden sind und die die integrale Erfassung der fortschreitenden Ermüdungsschädigung gestatten. Die angewandten Messverfahren eignen sich gleichermaßen gut zur mikrostrukturbasierten Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens. Verformungsinduzierte Veränderungen der Mikrostruktur wurden in raster- und transmissionselektronenmikroskopischen Untersuchungen unter Anwendung energiedispersiver Röntgenanalytik und Auswertung der Elektronenrückstreubeugung charakterisiert. In Laststeigerungsversuchen wurde die Dauerfestigkeit unter Kombination der angewandten Messverfahren zuverlässig abgeschätzt. Insbesondere die Mittelspannung und die plastische Mitteldehnung bieten aufgrund ihrer charakteristischen Verläufe ein besonders hohes Potenzial zur zuverlässigen Abschätzung der Dauerfestigkeit, sofern ein Beanspruchungsverhältnis ≠ -1 gewählt wird. Die Dauerfestigkeit wird stark von der lokalen Mikrostruktur und der gewählten Versuchstemperatur beeinflusst. Temperatursteigerungsversuche wurden durchgeführt, um den Einfluss der Temperatur auf das Wechselverformungsverhalten zu untersuchen und die Temperatur abzuschätzen, bei der dynamische Reckalterungsvorgänge maximal wirksam sind. Berechnete und experimentelle Daten zeigen dabei eine sehr gute Übereinstimmung. Einstufige Ermüdungsuntersuchungen belegen den großen Einfluss der lokalen Mikrostruktur. Proben aus der Verschleißgrenze der Eisenbahnräder weisen allgemein größere Veränderungen der betrachteten ermüdungsrelevanten Werkstoffkenngrößen und kürzere Lebensdauern auf. Die Erhöhung der Versuchstemperatur führt prinzipiell zu größeren Veränderungen dieser Kenngrößen und zu einer verkürzten Lebensdauer, wobei die Auswirkungen dynamischer Reckalterungsvorgänge zusätzlich beachtet werden müssen. In TMF Versuchen wurde gezeigt, dass der Radreifenstahl B6S im Vergleich zum Vollradstahl R7 aufgrund seiner Mikrostruktur bei Totaldehnungsbeanspruchung höhere Spannungsamplituden entwickelt und eine geringere Ermüdungsfestigkeit aufweist. Der Vergleich der Ermüdungsfestigkeit unter TMF Beanspruchung mit isotherm bei der Obertemperatur des TMF Zyklus΄ ermittelten Ermüdungsdaten zeigt, dass isotherme Daten nicht immer zu konservativen Lebensdauerabschätzungen führen. Sie können daher nicht für die Auslegung sicherheitsrelevanter Bauteile, die im Betrieb thermo-mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, verwendet werden. Versuche mit konstanten mechanischen Beanspruchungen und Überlagerung eines betriebsnahen, von einem Systempartner der DB AG zur Verfügung gestellten Temperaturprofils liefern im Vergleich zu isotherm ermittelten Ermüdungsdaten ebenfalls nicht konservative Lebensdauerergebnisse. Rasterelektronenmikroskopische Bruchflächenuntersuchungen belegen, dass Ermüdungsrisse vornehmlich an der Probenoberfläche initiiert werden. In seltenen Fällen konnte Rissinitiierung an aluminium- und calciumreichen nicht-metallischen Einschlüssen mit einer Größe von 33 - 50 µm beobachtet werden. Verformungsinduzierte Veränderungen der Mikrostruktur wurden in Abhängigkeit der mechanischen und thermischen Beanspruchungsbedingungen transmissionselektronenmikroskopisch untersucht. Bei hinreichend hohen konstanten mechanischen Beanspruchungen wurde vornehmlich Versetzungszellbildung beobachtet. Dynamische Reckalterungseffekte führten bei 350°C zur Bildung von Versetzungswänden als energetisch stabiler Versetzungsanordnung. Nach TMF Beanspruchung wurde die Ausbildung von Versetzungszellstrukturen beobachtet, wobei die Versetzungsanordnung nicht von der Obertemperatur innerhalb eines TMF Zyklus‘ bestimmt wird. TEM Untersuchungen in unterschiedlichen Ermüdungsstadien zeigen, dass mit fortschreitender Ermüdung aus Versetzungswänden und -knäueln Versetzungszellen entstehen. Die in diesem Bericht vorgestellten Ergebnisse wurden ausschließlich in Ermüdungsversuchen unter Zug-Druck-Beanspruchung erarbeitet und können daher nicht unmittelbar zur Bewertung des Ermüdungsverhaltens unter Rollkontaktermüdung herangezogen werden. Weiterführende Arbeiten könnten sich, u.a. mit Schädigungsmechanismen unter Rollkontaktermüdung und deren Relation zu Schädigungsmechanismen unter Zug-Druck Ermüdungsbeanspruchung beschäftigen.
Publications
- Einfluss betriebsrelevanter Temperaturen auf das Ermüdungsverhalten aktueller Eisenbahnradstähle. Proc. Conf. Werkstoffprüfung 2008, DVM, Berlin, (2008), 121-128
C.J. Peters, F. Walther, D. Eifler
- Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens hochbeanspruchter Eisenbahnvollräder für den Hochgeschwindigkeitspersonenverkehr bei betriebsrelevanten Temperaturen. Materialwiss. Werkstofftech., 40 (10) (2009), 750-755
C.J. Peters, E. Kerscher
- Fatigue behaviour of railway wheel steels under mechanical-thermal service conditions. Proc. Conf. ICF 12 - Proceedings of the 12th International Conference on Fracture, Ottawa, Canada, July 12th - 17th 2009
C.J. Peters, D. Eifler
- Influence of Service Temperatures on the Fatigue Behaviour of Railway Wheel and Tyre Steels. MP Materials Testing, 51 (11-12) (2009), 748-754
C.J. Peters, D. Eifler
