Badanie wybranych przypadków uszkodzenia powierzchni ... · Uszkodzenia typu płaskie miejsca...

156

BADANIE WYBRANYCH PRZYPADKÓW USZKODZENIA POWIERZCHNI TOCZNEJ KÓŁ MONOBLOKOWYCH W ASPEKCIE ICH MIKROSTRUKTURY

ZDZISŁAW ŁAWRYNOWICZ, ANDRZEJ SKIBICKI

Streszczenie

Kontakt szyny i koła wprowadza pod powierzchni� bie�ni koła deformacj� ferrytu

i jednocze�nie wytwarza p�kni�cia w cementycie. W ferrycie zachodzi najwi�ksze od-

kształcenie z powodu jego ni�szej twardo�ci od pofragmentowanego cementytu.

W rezultacie, osnowa ferrytyczna umacnia si� gwałtownie zgniotem wskutek zwi�ksze-

nia g�sto�ci dyslokacji. Inicjacja p�kni�cia wyst�puje głównie wzdłu� bardzo

wydłu�onych ziarn ferrytu przedeutektoidalnego (poło�onych wzdłu� granic ziarn by-

łego austenitu). Badania mikrostruktury wskazuj�, �e strefy silnie zdeformowanego

ferrytu przedeutektoidalnego ułatwiaj� rozprzestrzenianie si� p�kni��. W pracy przed-

stawiono przypadki łuszczenia wyst�puj�cego na powierzchni tocznej koła

monoblokowego.

Słowa kluczowe: łuszczenie kół monoblokowych, mikrostruktura warstwy przypowierzchniowej

Wprowadzenie

Koła kolejowe nale�� do najbardziej obci��onych elementów poci�gów. Przenosz� one obci�-�enia osiowe do 25 ton oraz wi�ksze. Koła kieruj� poci�giem na szlaku, poprzez krzywizny torów

i rozjazdy podlegaj�c procesowi �cierania.

Ró�ne funkcjonalne elementy koła takie jak kołnierz, wieniec, tarcza lub piasta pokazane na

rysunku 1 spełniaj� inne zadania i dlatego posiadaj� ró�ne materiałowe własno�ci [21,22]. Te wła-

sno�ci okre�lone s� głównie poprzez skład chemiczny materiału koła, przeróbk� plastyczn� na

gor�co i przez proces obróbki cieplnej.

Rysunek 1. Przekrój i widok monoblokowego koła kolejowego

ródło: [21].

Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management

Nr 79, 2016

157

Koła wytwarzane s� zwykle ze stali niestopowych lub niskostopowych o wysokim stopniu czy-

sto�ci. Norma europejska PN-EN 13262+A2 definiuje cztery ró�ne gatunki stali, które zawieraj�w�giel do max. 0,6%, mangan do 0,8% i do 0,4 % Si. Stale drobnoziarniste z drobnopłytkow� mi-

krostruktur� perlityczno-ferrytyczn� daj� optymalny kompromis mi�dzy własno�ciami

mechanicznymi, odporno�ci� na �cieranie i termiczn� stabilno�ci� [3,6].

Współpracuj�ce powierzchnie koła i szyny mog� zosta� utwardzone przez wielokrotne kontakty

(stykanie si�) podczas eksploatacji. Prowadzi to do ró�nych rodzajów zu�ycia i uszkodzenia zesta-

wów kołowych, na przykład takich jak:

– wykruszenia zm�czeniowe na powierzchni tocznej („shelling”)

– p�kni�cia zm�czeniowe na powierzchni tocznej („spalling”)

– płaskie miejsca („wheel flat”).

Zu�ycie koła typu „shelling” charakteryzuje si� utrat� niewielkiego fragmentu powierzchni

tocznej koła wskutek działania napr��e� kontaktowych RCF (Rolling Contact Fatigue) – co zilu-

strowano na rys. 2.

Uszkodzenia typu „shelling” tworz� si� najcz��ciej w nast�pstwie płaskich miejsc lub p�kni��termicznych. Widoczne na rys. 2 p�kni�cia termiczne zaliczane s� do najbardziej niebezpiecznych

typów uszkodzenia gdy� rozwijaj� si� w gł�b wie�ca koła.

Na powierzchni zahartowanego martenzytu p�kni�cia termiczne ł�cz� si� ze sob� – co mo�e

powodowa� lokalne ubytki materiału o gł�boko�ci ok. 1 mm. P�kni�cia tego typu łatwo propaguj�do wn�trza wie�ca koła. Zm�czenie powierzchni tocznej w tych miejscach zwi�ksza si�, prowadz�c

do cienkiego i płytkiego łuszczenia materiału, które tworzy si� na obwodzie koła, osi�gaj�c szero-

ko�� do kilku mm [2,7,8].

Rysunek 2. Uszkodzenia na powierzchni tocznej typu "shelling”

ródło: [21].

Zu�ycie koła typu „spalling” przejawia si� w postaci niewielkiego ubytku powierzchni tocznej

koła, rys. 3. Podczas po�lizgu koła po szynie, energia tarcia mo�e doprowadzi� do gwałtownego

wzrostu temperatury powierzchni tocznej, powy�ej Ac1. Nast�pnie podczas ochłodzenia z austenitu

tworzy si� martenzyt, który jest faz� tward� i kruch�, łatwo oddzielaj�c� si� od materiału wie�ca

koła podczas kontaktu z szyn�, inicjuj�c p�kni�cia powierzchniowe i doprowadzaj�c do uszkodze�typu „spalling”[1,16,17,21].

Zdzisław Ławrynowicz, Andrzej Skibicki

Badanie wybranych przypadków uszkodzenia powierzchni tocznej kół monoblokowych

w aspekcie ich mikrostruktury

158

Uszkodzenia typu „spalling” s� bardzo podobne do uszkodze� typu „shelling”, tak �e istnieje

trudno�� w rozró�nieniu tych uszkodze� poprzez ogl�dziny wzrokowe.

Rysunek 3. Uszkodzenia na powierzchni tocznej typu "spalling"

ródło: [21].

Cz�sto wyst�puj�cym rodzajem uszkodzenia bie�ni koła s� płaskie miejsca i narosty, rys. 4.

Pod poj�ciem płaskiego miejsca rozumie si� płaski obszar na powierzchni tocznej koła, spowodo-

wany jego po�lizgiem po szynie. Uszkodzenia typu płaskie miejsca prowadz� w konsekwencji do

powstania uszkodze� typu "spalling" oraz mog� przyczynia� si� do rozwoju uszkodze� ło�ysk

i szyn. Narosty powstaj� w czasie niewła�ciwej eksploatacji i mog� pokrywa� w ró�nym stopniu

powierzchni� bie�ni koła. Wywieraj� bardzo niekorzystny wpływ na komfort jazdy (wibracje i ha-

łas) [13,14,20,23].

a) b)

Rysunek 4. Przykłady uszkodze� powierzchni tocznej koła typu: a) narost, b) płaskie powierzchnie

ródło: [13,14].


Nr 79, 2016

159

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 wie�ca koła w bezpo�rednim s�siedztwie tych wad.

St�d, celem podj�tej pracy jest wykonanie bada� mikrostruktury materiału tu� poni�ej bie�ni

koła i próba okre�lenia rodzaju składnika fazowego lub strukturalnego, który inicjuje proces powsta-

wania p�kni�cia i ustalenie w której fazie zachodzi zjawisko propagacji powstałego p�kni�cia.

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 obci��enia [2]. Próbki pobrano z wie�ca wyco-

fanego z eksploatacji koła tu� pod powierzchni� toczn�. Skład chemiczny stali dla gatunku ER8

stosownie do europejskiej normy EN13262 oraz okre�lony do�wiadczalnie na spektrometrze przed-

stawiono w tabeli 1. Gatunek ten jest przeznaczony do zestawów kołowych poci�gów pasa�erskich

i ma drobnoziarnist� ferrytyczno-perlityczn� mikrostruktur� z zawarto�ci� od 5 do 10% obj. ferrytu.

Tabela 1. Skład chemiczny stali okre�lony 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

okre�lony

do�wiadczalnie

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 mikrotwardo�ci sposobem Vickersa zostało wykonane metod� Hannemana. Aby zba-

da� twardo�� obszarów o wielko�ci zaledwie kilkudziesi�ciu mikrometrów, zastosowano obci��enie

100 g (HV0,1). Pomiary wykonywano na gł�boko�ci od 0,1 do 30 mm poni�ej bie�ni koła.

2. Wyniki bada� i dyskusja

Badania metalograficzne przygotowanych próbek wykazały, �e mikrostruktura we wszystkich

przypadkach zło�ona jest z perlitu i ferrytu. Tylko najwy�sze warstwy, tu� poni�ej bie�ni koła zo-

stały zdeformowane przez kontakt koło/szyna, (rys. 5). Typowy widok takiej mikrostruktury

przedstawiono na rys. 5a (poni�ej 30 mm od powierzchni tocznej koła), a na rys. 5b (tu� pod bie�-nikiem). Mikrofotografia na rys. 5a pokazuje typow� struktur� ferrytyczno-perlityczn�, o wielko�ci

ziarna austenitu około 20µm (ASTM nr 8) i zawarto�ci� 9% przedeutektoidalnego ferrytu. Siatka

przedeutektoidalnego ferrytu nie jest ci�gła, ale tworzy nieci�głe wydzielenia wokół ziarn perlitu.




160

Przedeutektoidalny ferryt podczas eksploatacji umacnia si� znacznie intensywniej ni� perlit. Szcze-

góły mikrostruktury wie�ca w odległo�ci 30 mm od bie�ni przedstawiono na rys. 6. Widoczna jest

mikrostruktura niezdeformowanych ziarn ferrytu i płytkowego perlitu.

a) b)

Rysunek 5. Mikrostruktura wie�ca koła monoblokowego

a) w odległo�ci 30 mm od bie�ni koła, b) tu� pod powierzchni� toczn� koła

ródło: opracowanie własne.

Rysunek 6. Mikrostruktura wie�ca koła poni�ej 30 mm od bie�ni koła, (SEM)



Nr 79, 2016

161

Mikrofotografie koła po eksploatacji wskazuj� na siln� plastyczn� deformacj� materiału poni�ej

powierzchni bie�ni koła (rys. 7). Rys. 7 pokazuje, �e odkształcenie obejmuje zazwyczaj obszar do

60µm poni�ej bie�ni koła. Zwykle zaobserwowano tendencj� do inicjowania p�kni�cia w obszarze

ferrytu przedeutektoidalnego. P�kni�cie propaguje zgodnie z kierunkiem wydłu�enia najbardziej

cienkich i najsilniej odkształconych ziarn ferrytu (rys. 7 strzałki).

Rysunek 7. Inicjacja i rozwój p�kni�cia wzdłu� granicy silnie odkształconego i spłaszczonego

przedeutektoidalnego ferrytu (strzałki) na granicach ziarn byłego austenitu, (SEM)


Charakterystyczne przypadki łuszczenia wyst�puj�cego na powierzchni tocznej koła przedsta-

wiono na rys. 8. Kontakt szyny i koła wprowadza pod powierzchni� bie�ni deformacj� do fazy

ferrytu i jednocze�nie wytwarza w cementycie p�kni�cia. W ferrycie zachodzi najwi�ksze odkształ-

cenie z powodu jego ni�szej twardo�ci od pofragmentowanego cementytu. W rezultacie, osnowa

ferrytyczna umacnia si� gwałtownie zgniotem wskutek zwi�kszenia g�sto�ci dyslokacji. Inicjacja

p�kni�cia wyst�puje głównie wzdłu� bardzo wydłu�onych ziarn ferrytu przedeutektoidalnego (po-

ło�onych wzdłu� granic ziarn byłego austenitu). Badania mikrostruktury wskazuj�, �e strefy silnie

zdeformowanego ferrytu przedeutektoidalnego ułatwiaj� rozprzestrzenianie si� p�kni��. Dobrze wiadomo, �e utwardzanie przez zgniot zachodzi w wyniku wzrostu g�sto�ci dyslokacji

i skrócenia drogi ich swobodnego przemieszczania si�. W zwi�zku z tym stopie� utwardzenia jest

funkcj� g�sto�ci dyslokacji. Wskutek kontaktu na styku koło-szyna wprowadzane s� napr��enia do

ferrytu i jednocze�nie wytwarzane s� p�kni�cia w cementycie tu� pod powierzchni� bie�ni. Powta-

rzaj�cy si� cykl toczenia koła i jego kontaktu z szyn� powoduje koncentracj� odkształcenia

w ferrycie, którego twardo�� jest ni�sza od twardo�ci cementytu [4,5,9].

W rezultacie tego procesu ziarna ferrytu ulegaj� bardzo silnemu umocnieniu w wyniki wzrostu

g�sto�ci dyslokacji i przyjmuj� kształt wydłu�onych pasm. W trakcie po�lizgu koła podczas jego




162

eksploatacji, koła i szyny s� nara�one na zupełnie ró�ne cykle cieplne. Powierzchnia styku na szynie

jest stale zmieniana i dlatego do�wiadcza bardzo krótkiego cyklu grzewczego, który trwa zazwyczaj

kilka milisekund. Na kole, powierzchnia styku jest zasadniczo taka sama w trakcie całego po�lizgu,

co oznacza, �e ciepło ma czas na wnikanie w koło, tym samym powoduj�c wzrost temperatury,

równie� na znacznej gł�boko�ci pod powierzchni� bie�ni. Podwy�szenie temperatury w warstwach

powierzchniowych koła powoduje zmi�kczenie materiału, co w poł�czeniu z du�� sił� nacisku po-

woduje du�e odkształcenie powierzchni [10–12].

Rysunek 8. Typowe przypadki łuszczenia wyst�puj�ce na powierzchni tocznej koła. SEM


Typowa procedura wytwarzania koła obejmuje chłodzenie wod� wie�ca w celu utwardzenia

powierzchni bie�ni, otrzymuj�c drobno płytkow� struktur� perlityczn�. Pomiary mikrotwardo�ci

wykonane na wie�cu koła pokazane na rys. 9. wskazuj� na niewielki wzrost twardo�ci na po-

wierzchni koła, który mo�na przypisa� zgniotowi. W badanym kole monoblokowym na gł�boko�ci


Nr 79, 2016

163

poni�ej 1 mm od powierzchni bie�ni twardo�� jest zbli�ona do warto�ci po wytworzeniu koła (ty-

powa twardo�� 270–330 HV0,1 kilka milimetrów poni�ej powierzchni bie�ni), co wskazuje, �e

umocnienie w rezultacie odkształcenia plastycznego jest małe (rys. 9).

Rysunek 9. Rozkład twardo�ci w warstwie przypowierzchniowej wie�ca koła monoblokowego


Przedstawione zmiany cieplne powoduj� w warstwie przypowierzchniowej chwilowe obni�enie

granicy plastyczno�ci, a du�e naciski w strefie kontaktu koło-szyna powoduj� miejscowe odkształ-

cenia plastyczne (płyni�cie) materiału. Po ostygni�ciu koła, w warstwie powierzchniowej powstaj�du�e rozci�gaj�ce napr��enia własne [15,23]. Na powierzchni tocznej w cienkiej warstewce, wsku-

tek intensywnego nagrzania do temperatury powy�ej AC1, zachodz� przemiany strukturalne, a przy

szybkim ozi�bianiu powstaje kruchy martenzyt, w wyniku czego powstaj� napr��enia rozci�gaj�ce

prowadz�ce do siatki drobnych p�kni�� powierzchniowych (rz�du 0,1–0,8 mm) oraz wykrusze�, tworz�c chropowat� powierzchni� tzw. �abi� skór� [18–20].

W przypadku gdy chwilowy wzrost temperatury jest znacznie mniejszy od AC1, to procesy

zmi�kczaj�ce wyst�puj�ce w kole uwzgl�dniaj� jednoczesne odkształcenie i wpływ ciepła na mate-

riał koła w najbardziej zewn�trznej warstwie. S� to procesy zdrowienia lub rekrystalizacji,

fragmentacji i sferoidyzacji płytek cementytu, które mog� doprowadzi� do zmniejszenia twardo�ci

bie�ni koła [4,5,12]. Zasadniczo, procesy te mog� wpływa� na twardo�� oraz mikrostruktur� mate-

riału tu� poni�ej bie�ni koła.

3. Wnioski

1. Podczas kontaktu szyny i koła najsilniejsze odkształcenie zachodzi w ferrycie z powodu jego

ni�szej twardo�ci od pofragmentowanego cementytu.

2. Inicjacja i rozwój p�kni�cia wyst�puje głównie wzdłu� bardzo wydłu�onych i silnie odkształco-

nych ziarn ferrytu przedeutektoidalnego. Badania mikrostruktury wskazuj�, �e strefy silnie

zdeformowanego ferrytu przedeutektoidalnego ułatwiaj� rozprzestrzenianie si� p�kni��.

;

>;

?;;

?>;

<;;

<>;

A;;

A>;

;�? ? ?; ?;;

&��"#>��(?�@A�

*��"#��5��!��>�




164

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.


Nr 79, 2016

165

[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 In�ynierii Materiałowej

Instytut Technik Wytwarzania

Wydział In�ynierii Mechanicznej

Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy

e-mail: [email protected]

Badanie wybranych przypadków uszkodzenia powierzchni ... · Uszkodzenia typu płaskie miejsca...

Documents

Transcript of Badanie wybranych przypadków uszkodzenia powierzchni ... · Uszkodzenia typu płaskie miejsca...