Streszczenie
Kontakt szyny i koła wprowadza pod powierzchniĊ bieĪni koła deformacjĊ ferrytu i jednoczeĞnie wytwarza pĊkniĊcia w cementycie. W ferrycie zachodzi najwiĊksze od-kształcenie z powodu jego niĪszej twardoĞci od pofragmentowanego cementytu. W rezultacie, osnowa ferrytyczna umacnia siĊ gwałtownie zgniotem wskutek zwiĊksze-nia gĊstoĞci dyslokacji. Inicjacja pĊkniĊcia wystĊpuje głównie wzdłuĪ bardzo wydłuĪonych ziarn ferrytu przedeutektoidalnego (połoĪonych wzdłuĪ granic ziarn by-łego austenitu). Badania mikrostruktury wskazują, Īe strefy silnie zdeformowanego ferrytu przedeutektoidalnego ułatwiają rozprzestrzenianie siĊ pĊkniĊü. W pracy przed-stawiono przypadki łuszczenia wystĊpującego na powierzchni tocznej koła monoblokowego.
Słowa kluczowe: łuszczenie kół monoblokowych, mikrostruktura warstwy przypowierzchniowej
Wprowadzenie
Koła kolejowe nale do najbardziej obcionych elementów pocigów. Przenosz one obci-enia osiowe do 25 ton oraz wiksze. Koła kieruj pocigiem na szlaku, poprzez krzywizny torów i rozjazdy podlegajc procesowi cierania.
Róne funkcjonalne elementy koła takie jak kołnierz, wieniec, tarcza lub piasta pokazane na rysunku 1 spełniaj inne zadania i dlatego posiadaj róne materiałowe własnoci [21,22]. Te wła-snoci okrelone s głównie poprzez skład chemiczny materiału koła, przeróbk plastyczn na gorco i przez proces obróbki cieplnej.
Rysunek 1. Przekrój i widok monoblokowego koła kolejowego ródło: [21].
Koła wytwarzane s zwykle ze stali niestopowych lub niskostopowych o wysokim stopniu czy-stoci. Norma europejska PN-EN 13262+A2 definiuje cztery róne gatunki stali, które zawieraj wgiel do max. 0,6%, mangan do 0,8% i do 0,4 % Si. Stale drobnoziarniste z drobnopłytkow mi-krostruktur perlityczno-ferrytyczn daj optymalny kompromis midzy własnociami mechanicznymi, odpornoci na cieranie i termiczn stabilnoci [3,6].
Współpracujce powierzchnie koła i szyny mog zosta utwardzone przez wielokrotne kontakty (stykanie si) podczas eksploatacji. Prowadzi to do rónych rodzajów zuycia i uszkodzenia zesta-wów kołowych, na przykład takich jak:
– wykruszenia zmczeniowe na powierzchni tocznej („shelling”) – pknicia zmczeniowe na powierzchni tocznej („spalling”) – płaskie miejsca („wheel flat”).
Zuycie koła typu „shelling” charakteryzuje si utrat niewielkiego fragmentu powierzchni tocznej koła wskutek działania napre kontaktowych RCF (Rolling Contact Fatigue) – co zilu-strowano na rys. 2.
Uszkodzenia typu „shelling” tworz si najczciej w nastpstwie płaskich miejsc lub pkni termicznych. Widoczne na rys. 2 pknicia termiczne zaliczane s do najbardziej niebezpiecznych typów uszkodzenia gdy rozwijaj si w głb wieca koła.
Na powierzchni zahartowanego martenzytu pknicia termiczne łcz si ze sob – co moe powodowa lokalne ubytki materiału o głbokoci ok. 1 mm. Pknicia tego typu łatwo propaguj do wntrza wieca koła. Zmczenie powierzchni tocznej w tych miejscach zwiksza si, prowadzc do cienkiego i płytkiego łuszczenia materiału, które tworzy si na obwodzie koła, osigajc szero-ko do kilku mm [2,7,8].
Rysunek 2. Uszkodzenia na powierzchni tocznej typu "shelling” ródło: [21].
Zuycie koła typu „spalling” przejawia si w postaci niewielkiego ubytku powierzchni tocznej koła, rys. 3. Podczas polizgu koła po szynie, energia tarcia moe doprowadzi do gwałtownego wzrostu temperatury powierzchni tocznej, powyej Ac1. Nastpnie podczas ochłodzenia z austenitu tworzy si martenzyt, który jest faz tward i kruch, łatwo oddzielajc si od materiału wieca koła podczas kontaktu z szyn, inicjujc pknicia powierzchniowe i doprowadzajc do uszkodze
Uszkodzenia typu „spalling” s bardzo podobne do uszkodze typu „shelling”, tak e istnieje trudno w rozrónieniu tych uszkodze poprzez ogldziny wzrokowe.
Rysunek 3. Uszkodzenia na powierzchni tocznej typu "spalling" ródło: [21].
Czsto wystpujcym rodzajem uszkodzenia bieni koła s płaskie miejsca i narosty, rys. 4. Pod pojciem płaskiego miejsca rozumie si płaski obszar na powierzchni tocznej koła, spowodo-wany jego polizgiem po szynie. Uszkodzenia typu płaskie miejsca prowadz w konsekwencji do powstania uszkodze typu "spalling" oraz mog przyczynia si do rozwoju uszkodze łoysk i szyn. Narosty powstaj w czasie niewłaciwej eksploatacji i mog pokrywa w rónym stopniu powierzchni bieni koła. Wywieraj bardzo niekorzystny wpływ na komfort jazdy (wibracje i ha-łas) [13,14,20,23].
a) b)
Rysunek 4. Przykłady uszkodzeĔ powierzchni tocznej koła typu: a) narost, b) płaskie powierzchnie ródło: [13,14].
Wady widoczne na obwodzie koła i powierzchni tocznej s sklasyfikowane i znane s przy-czyny powstawania tych wad. Znacznie mniejsza jest wiedza o zmianach mikrostruktury w warstwie powierzchniowej wieca koła w bezporednim ssiedztwie tych wad.
Std, celem podjtej pracy jest wykonanie bada mikrostruktury materiału tu poniej bieni koła i próba okrelenia rodzaju składnika fazowego lub strukturalnego, który inicjuje proces powsta-wania pknicia i ustalenie w której fazie zachodzi zjawisko propagacji powstałego pknicia.
1. Materiał i metodyka bada
Do bada wybrano fragment koła monoblokowego wykonanego ze stali gatunku ER8 według normy PN-EN 13262+A2. Wycofane z eksploatacji koło było po przebiegu około 250000 km, co oznacza dla standardowego koła około 8×107 cykli obcienia [2]. Próbki pobrano z wieca wyco-fanego z eksploatacji koła tu pod powierzchni toczn. Skład chemiczny stali dla gatunku ER8 stosownie do europejskiej normy EN13262 oraz okrelony dowiadczalnie na spektrometrze przed-stawiono w tabeli 1. Gatunek ten jest przeznaczony do zestawów kołowych pocigów pasaerskich i ma drobnoziarnist ferrytyczno-perlityczn mikrostruktur z zawartoci od 5 do 10% obj. ferrytu. Tabela 1. Skład chemiczny stali okreĞlony na spektrometrze oraz stosownie do europejskiej normy
EN13262 dla gatunku stali ER8, w % masy
C Mn Si P S Cr Ni Cu Mo V EN 13262+A2 0,56 0,80 0,40 0,020 0,015 0,30 0,30 0,30 0,08 0,06 Skład okrelony dowiadczalnie 0,53 0,72 0,41 0,007 0,001 0,15 0,11 0,20 0,025 0,005
Mikrostruktur badano na zgładach metalograficznych przy pomocy metod mikroskopii op-tycznej za pomoc metalograficznego mikroskopu wietlnego Nikon MA 100 i skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) z wykorzystaniem mikroskopu JSM JEOL 5600. Zgłady metalo-graficzne szlifowano na mokro papierem SiC i polerowano past diamentow oraz trawiono nitalem (2% roztwór HNO3 w etanolu).
Badania mikrotwardoci sposobem Vickersa zostało wykonane metod Hannemana. Aby zba-da twardo obszarów o wielkoci zaledwie kilkudziesiciu mikrometrów, zastosowano obcienie 100 g (HV0,1). Pomiary wykonywano na głbokoci od 0,1 do 30 mm poniej bieni koła.
2. Wyniki bada i dyskusja
Badania metalograficzne przygotowanych próbek wykazały, e mikrostruktura we wszystkich przypadkach złoona jest z perlitu i ferrytu. Tylko najwysze warstwy, tu poniej bieni koła zo-stały zdeformowane przez kontakt koło/szyna, (rys. 5). Typowy widok takiej mikrostruktury przedstawiono na rys. 5a (poniej 30 mm od powierzchni tocznej koła), a na rys. 5b (tu pod bie-nikiem). Mikrofotografia na rys. 5a pokazuje typow struktur ferrytyczno-perlityczn, o wielkoci ziarna austenitu około 20µm (ASTM nr 8) i zawartoci 9% przedeutektoidalnego ferrytu. Siatka przedeutektoidalnego ferrytu nie jest cigła, ale tworzy niecigłe wydzielenia wokół ziarn perlitu.
Przedeutektoidalny ferryt podczas eksploatacji umacnia si znacznie intensywniej ni perlit. Szcze-góły mikrostruktury wieca w odległoci 30 mm od bieni przedstawiono na rys. 6. Widoczna jest mikrostruktura niezdeformowanych ziarn ferrytu i płytkowego perlitu.
a) b) Rysunek 5. Mikrostruktura wieĔca koła monoblokowego
a) w odległoĞci 30 mm od bieĪni koła, b) tuĪ pod powierzchnią toczną koła ródło: opracowanie własne.
Rysunek 6. Mikrostruktura wieĔca koła poniĪej 30 mm od bieĪni koła, (SEM) ródło: opracowanie własne.
Mikrofotografie koła po eksploatacji wskazuj na siln plastyczn deformacj materiału poniej powierzchni bieni koła (rys. 7). Rys. 7 pokazuje, e odkształcenie obejmuje zazwyczaj obszar do 60µm poniej bieni koła. Zwykle zaobserwowano tendencj do inicjowania pknicia w obszarze ferrytu przedeutektoidalnego. Pknicie propaguje zgodnie z kierunkiem wydłuenia najbardziej cienkich i najsilniej odkształconych ziarn ferrytu (rys. 7 strzałki).
Rysunek 7. Inicjacja i rozwój pĊkniĊcia wzdłuĪ granicy silnie odkształconego i spłaszczonego przedeutektoidalnego ferrytu (strzałki) na granicach ziarn byłego austenitu, (SEM) ródło: opracowanie własne.
Charakterystyczne przypadki łuszczenia wystpujcego na powierzchni tocznej koła przedsta-wiono na rys. 8. Kontakt szyny i koła wprowadza pod powierzchni bieni deformacj do fazy ferrytu i jednoczenie wytwarza w cementycie pknicia. W ferrycie zachodzi najwiksze odkształ-cenie z powodu jego niszej twardoci od pofragmentowanego cementytu. W rezultacie, osnowa ferrytyczna umacnia si gwałtownie zgniotem wskutek zwikszenia gstoci dyslokacji. Inicjacja pknicia wystpuje głównie wzdłu bardzo wydłuonych ziarn ferrytu przedeutektoidalnego (po-łoonych wzdłu granic ziarn byłego austenitu). Badania mikrostruktury wskazuj, e strefy silnie zdeformowanego ferrytu przedeutektoidalnego ułatwiaj rozprzestrzenianie si pkni.
Dobrze wiadomo, e utwardzanie przez zgniot zachodzi w wyniku wzrostu gstoci dyslokacji i skrócenia drogi ich swobodnego przemieszczania si. W zwizku z tym stopie utwardzenia jest funkcj gstoci dyslokacji. Wskutek kontaktu na styku koło-szyna wprowadzane s naprenia do ferrytu i jednoczenie wytwarzane s pknicia w cementycie tu pod powierzchni bieni. Powta-rzajcy si cykl toczenia koła i jego kontaktu z szyn powoduje koncentracj odkształcenia w ferrycie, którego twardo jest nisza od twardoci cementytu [4,5,9].
W rezultacie tego procesu ziarna ferrytu ulegaj bardzo silnemu umocnieniu w wyniki wzrostu gstoci dyslokacji i przyjmuj kształt wydłuonych pasm. W trakcie polizgu koła podczas jego
eksploatacji, koła i szyny s naraone na zupełnie róne cykle cieplne. Powierzchnia styku na szynie jest stale zmieniana i dlatego dowiadcza bardzo krótkiego cyklu grzewczego, który trwa zazwyczaj kilka milisekund. Na kole, powierzchnia styku jest zasadniczo taka sama w trakcie całego polizgu, co oznacza, e ciepło ma czas na wnikanie w koło, tym samym powodujc wzrost temperatury, równie na znacznej głbokoci pod powierzchni bieni. Podwyszenie temperatury w warstwach powierzchniowych koła powoduje zmikczenie materiału, co w połczeniu z du sił nacisku po-woduje due odkształcenie powierzchni [10–12].
Rysunek 8. Typowe przypadki łuszczenia wystĊpujące na powierzchni tocznej koła. SEM ródło: opracowanie własne.
Typowa procedura wytwarzania koła obejmuje chłodzenie wod wieca w celu utwardzenia powierzchni bieni, otrzymujc drobno płytkow struktur perlityczn. Pomiary mikrotwardoci wykonane na wiecu koła pokazane na rys. 9. wskazuj na niewielki wzrost twardoci na po-wierzchni koła, który mona przypisa zgniotowi. W badanym kole monoblokowym na głbokoci
poniej 1 mm od powierzchni bieni twardo jest zbliona do wartoci po wytworzeniu koła (ty-powa twardo 270–330 HV0,1 kilka milimetrów poniej powierzchni bieni), co wskazuje, e umocnienie w rezultacie odkształcenia plastycznego jest małe (rys. 9).
Rysunek 9. Rozkład twardoĞci w warstwie przypowierzchniowej wieĔca koła monoblokowego ródło: opracowanie własne.
Przedstawione zmiany cieplne powoduj w warstwie przypowierzchniowej chwilowe obnienie granicy plastycznoci, a due naciski w strefie kontaktu koło-szyna powoduj miejscowe odkształ-cenia plastyczne (płynicie) materiału. Po ostygniciu koła, w warstwie powierzchniowej powstaj due rozcigajce naprenia własne [15,23]. Na powierzchni tocznej w cienkiej warstewce, wsku-tek intensywnego nagrzania do temperatury powyej AC1, zachodz przemiany strukturalne, a przy szybkim ozibianiu powstaje kruchy martenzyt, w wyniku czego powstaj naprenia rozcigajce prowadzce do siatki drobnych pkni powierzchniowych (rzdu 0,1–0,8 mm) oraz wykrusze, tworzc chropowat powierzchni tzw. abi skór [18–20].
W przypadku gdy chwilowy wzrost temperatury jest znacznie mniejszy od AC1, to procesy zmikczajce wystpujce w kole uwzgldniaj jednoczesne odkształcenie i wpływ ciepła na mate-riał koła w najbardziej zewntrznej warstwie. S to procesy zdrowienia lub rekrystalizacji, fragmentacji i sferoidyzacji płytek cementytu, które mog doprowadzi do zmniejszenia twardoci bieni koła [4,5,12]. Zasadniczo, procesy te mog wpływa na twardo oraz mikrostruktur mate-riału tu poniej bieni koła.
3. Wnioski
1. Podczas kontaktu szyny i koła najsilniejsze odkształcenie zachodzi w ferrycie z powodu jego niszej twardoci od pofragmentowanego cementytu.
2. Inicjacja i rozwój pknicia wystpuje głównie wzdłu bardzo wydłuonych i silnie odkształco-nych ziarn ferrytu przedeutektoidalnego. Badania mikrostruktury wskazuj, e strefy silnie zdeformowanego ferrytu przedeutektoidalnego ułatwiaj rozprzestrzenianie si pkni.
; >; ?;; ?>; <;; <>; A;; A>; ;? ? ?; ?;; & "# > ( ? @ A * "# 5 ! >
Bibliografia
[1] Ahlström J., Karlsson B.: Microstructural evaluation and interpretation of the mechanically and thermally affected zone under railway wheel flats. Wear 232 (1999), 1–14.
[2] Ahlström J., Karlsson B.: Modelling of heat conduction and phase transformations during sliding of railway wheels. Wear 253 (2002), 291–300.
[3] Alwahdi F.A.M., Kapoor A., Franklin F.J.: Subsurface microstructural analysis and mechan-ical properties of pearlitic rail steels in service. Wear 302 (2013), 1453–1460.
[4] Cvetkovski K., Ahlström J.: Characterisation of plastic deformation and thermal softening of the surface layer of railway passenger wheel treads. Wear 300 (2013), 200–204.
[5] Cvetkovski K., Ahlström J., Karlsson B.: Thermal softening of fine pearlitic steel and its effect on the fatigue behaviour. Procedia Engineering. 2 (2010), 541–545.
[6] Donzella G. at all: Progressive damage assessment in the near-surface layer of railway wheel– rail couple under cyclic contact. Wear 271 (2011), 408–416.
[7] Ekberg A., Kabo E., Fatigue of railway wheels and rails under rolling contact and thermal loading—an overview. Wear 258 (2005), 1288–1300.
[8] Fuoco R., Ferreira M.M., Azevedo C.R.F.: Failure analysis of a cast steel railway wheel. En-gineering Failure Analysis 11 (2004), 817–828.
[9] Garnham J. E., Davis C. L.: The role of deformed rail microstructure on rolling contact fatigue initiation. Wear 265 (2008), 1363–1372.
[10] Ławrynowicz Z.: The 14th International Symposium on Advanced Materials, ISAM-2015, October 12–16, 2015, Islamabad, Pakistan, Microstructure and Softening of the Rim of the Railway Wheel. Technical Programme, 15–27.
[11] Ławrynowicz Z.: Obróbka cieplna monoblokowych kół kolejowych: Logistyka 4/2015. Płyta CD 2-cz 3, 1983–1990.
[12] Ławrynowicz Z.: Plastic Deformation and Softening of the Surface Layer of Railway Wheel. Advances in Materials Science vol. 4, nr 46, (2015), 5–13.
[13] Miodrag A. at all: Analysis of the spreader track wheels premature damages. Engineering Failure Analysis 20 (2012), 118–136.
[14] Parida N., Das S.K., Tarafder S.: Failure analysis of railroad wheels. Engineering Failure Analysis. 16 (2009), 1454–1460.
[15] Peng D., Jones R., Constable T.: A study into crack growth in a railway wheel under thermal stop brake loading spectrum. Engineering Failure Analysis 25 (2012), 280–290.
[16] Robles Hernándeza F.C. at all: Properties and microstructure of high performance wheels. Wear 271 (2011), 374–381.
[17] Poschmann I., Tschapowetz E. & Rinnhofer H.: Heat Treatment for Railway Wheels, Tyres and Rings; Heat Treatment Process and Facility for Railway Wheels, 7, Advanced Forging Technologies. 2005.
[18] Shen Xiao-hui at all: Austenite Grain Size Evolution in Railway Wheel During Multi-Stage Forging Processes. Journal of Iron and Steel Research, INTERNATIONAL. 20(3) (2013), 57–65.
[19] Tschapowetz E., Wimmer H.: Hochtemperaturwolle und moderne Brennertechnik in der Wärmebehandlung, Nr. 10 (2005), 125.
[20] Wang L., Pyzalla A., Stadlbauer W., Werner E.A.: Microstructure features on rolling sur-faces of railway rails subjected to heavy loadings. Materials and Engineering A359 (2003), 31–/43.
[21] Wheel Defect Manual, ESR 0330, Engineering Standard, Rolling Stock, version 1.2, May 2013.
[22] www.southdevonrailway.org/Railway-Wheels.html, informator kolejowy, 02’2010.
[23] Zerbst U., Madler K., Hintze H.: Fracture mechanics in railway applications––an overview. Engineering Fracture Mechanics 72 (2005), 163–194.
INVESTIGATION OF SOME CASES OF THE SURFACE ROLLING DAMAGE OF MONOBLOC WHEELS IN TERMS OF THEIR MICROSTRUCTURE
Summary
Rail and the wheel contact introduces under the surface of the tread wheel defor-mation of the ferrite phase and simultaneously generates cracks in the cementite. In the ferrite phase, there is the greatest deformation due to the lower hardness than cementite fragmented. As a result, the ferritic matrix is strengthened sharply by in-creasing the dislocation density. Crack initiation occurs mainly along very elongated grains of proeutectoid ferrite (along the grain boundaries of the former austenite). Microstructure indicates that the highly deformed areas of proeutectoid ferrite facili-tate the propagation of cracks. The paper presents the cases of peeling occurring on the tread monobloc.
Keywords: flaking of monobloc wheels, the microstructure of the surface layer
Zdzisław Ławrynowicz Andrzej Skibicki
Zakład Inynierii Materiałowej Instytut Technik Wytwarzania Wydział Inynierii Mechanicznej
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy e-mail: lawry@utp.edu.pl
