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Main Title: Beanspruchungsbedingte Gefügeänderungen von ferritisch-perlitischen Stählen am Beispiel des Rad-Schiene-Kontaktes
Translated Title: Analyses of the wheel-rail contact surface as an example of wear and stress induced microstructural changes of ferritic-perlitic steels
Author(s): Wild, Eric
Advisor(s): Reimers, Walter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Im Rahmen dieser Arbeit wurden jeweils repräsentativ für unterschiedliche Beanspruchungshorizonte Eisenbahnradlaufflächen eines U-Bahn-Rades, eines S-Bahn-Rades und eines ICE-Rades aus dem Betrieb im Hinblick auf die Erfassung der beanspruchungsbedingten Werkstoffveränderungen untersucht. Den Untersuchungen der Werkstoffveränderungen auf den Laufflächen wurden die Ergebnisse experimenteller in-situ p-T-Phasenanalysen eines Schienenstahls unter Verwendung von Röntgen-Synchrotronstrahlung (ESRF Grenoble) vorangestellt, die im Bereich der Ferrit-Austenitphasenumwandlungen durchgeführt wurden. Dies erlaubte, das Auflösungsverhalten der Karbide Fe3C und FeC zu untersuchen. Desweiteren wurden Rollversuche ohne und mit Schlupf (10%) mit den Werkstoffpartnern Rad- und Schienenstahl durchgeführt und die resultierenden mikrostrukturellen Änderungen analysiert. Als Untersuchungsmethoden wurden Licht- und Rasterelektronenmikroskopie, Härtemessungen und Röntgenbeugung unter Verwendung von Laborröntgen- und Synchrotronröntgenstrahlung zur Phasen-, Textur- und Eigenspannungsanalysen eingesetzt. Anhand der Modellrollversuche konnte gezeigt werden, dass die Beanspruchungen in den oberflächennahen Kontaktzonen so hoch sind, dass das Gefüge rekristallisiert. In dem im Vergleich zum Radstahl weniger festen Schienenstahl geht die Rekristallisation mit einer erneuten plastischen Deformation einher. Die Laufflächen der Eisenbahnräder sind lokal unterschiedlichen Beanspruchungshorizonten ausgesetzt. Dies äußert sich in den Zonen, die hoher Beanspruchung ausgesetzt sind und gleichzeitig geringen Werkstoffabtrag erfahren, besonders deutlich in der Bildung von Martensiten, die sich hinsichtlich ihrer kristallographischen Parameter und ihrer Morphologie unterscheiden. So wurde Reibmartensit mit geschichteter Struktur im Bereich der Hohlkehle (ICE-Rad) und tetragonal verzerrter Martensit in der Mitte der Lauffläche (S-Bahn-Rad) nachgewiesen. Die Tetragonalität dieses fleckenhaft ausgebildeten Martensits nimmt mit zunehmenden Abstand von der Oberfläche aufgrund der thermisch aktivierten Diffusion des Kohlenstoff bis hin zum entspannten kubischen Martensit ab.
In the thesis the results of microstructural investigations of the contact surfaces of differently used train wheels are presented. Since train wheels exhibit different loading profiles the wheels of a subway train, a suburban train and a high speed train were analysed. Before the analyses of the actual wheel-rail surfaces high energy synchrotron in-situ p-T-phase analyses (ESRF Grenoble) of a rail steel were conducted in the range of the ferrite-austenite phase transformation. Thereby the dissolution behavior of the carbides Fe3C and FeC was investigated. Furthermore rolling tests of the rail and wheels steels with slip (10%) and without slip were performed. The samples were then analysed for their microstructural changes. The examination methods were optical and scanning electron microscopy, microhardness measurements and X-ray diffraction with laboratory and synchrotron radiation for phase, texture and residual stress analyses. The rolling tests revealed that the loading conditions in the near-surface contact zones lead to a recrystallization of the microstructure. In case of the comparatively soft rail steel the recrystallized zone is subjected to new plastic deformations. The loading conditions of the running surfaces of the train wheels are locally different. This results in zones which are under high thermal and mechanical loading with a low degree of material degradation. This becomes obvious through the formation of various martensites which are different regarding their crystallographic parameters and their morphologies. Thus friction martensite with a stacked structure was detected in grooves of the high speed train wheel whereas tetragonal distorted martensite was found in the middle of the running surface of the suburban train. The tetragonal lattice of this dispersed appearing martensite changes with increasing distance to the contact surface until it reveals a relaxed cubic microstructure. This change is caused by the thermally activated diffusion of carbon.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-18769
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2169
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1872
Exam Date: 17-Dec-2007
Issue Date: 26-May-2008
Date Available: 26-May-2008
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): Ferritisch-perlitische Stähle
Gefügeänderungen
Kontaktfläche
Rad-Schiene-Kontakt
Ferritic-perlitic
Microstructural changes
Steel
Wheel-rail contact surface
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