Ermüdungsrisswachstum in hochscherverformtem Perlit

Der Kontakt zwischen einem Eisenbahnrad und einer Eisenbahnschiene mag als unbedeutendes Detail im System Eisenbahn erscheinen, er ist jedoch für einen sicheren und wirtschaftlichen Betrieb von Eisenbahnen von großer Bedeutung. Der Rad-Schiene-Kontakt spielt eine zentrale Rolle beim Tragen und Führen des Schienenfahrzeugs, als auch für die Übertragung von Kräften zum Beschleunigen und Bremsen. Die Rad- und Schienenwerkstoffe im Bereich des Kontakts müssen dabei hohen Belastungen widerstehen. Diese Belastungen rufen bleibende (plastische) Verformungen der Werkstoffe nahe der Oberfläche hervor, wodurch sich deren Eigenschaften ändern. Es bilden sich mikroskopisch kleine Risse, welche in weiterer Folge zu Verschleiß (Abnutzung/Werkstoffabtrag) und zur Bildung von tiefreichenden Rissen führen. Verschleiß bewirkt eine allmähliche Formänderung von Rädern und Schienen welche durch regelmäßige Instandhaltung korrigiert werden muss. Risse ab einer gewissen Tiefe müssen ebenfalls durch Instandhaltung entfernt werden, da diese im schlimmsten Fall zum Bruch von Rädern und Schienen und damit zum Entgleisen von Schienenfahrzeugen führen können. Es ist daher wichtig, die Bildung mikroskopisch kleiner Risse an Rad- und Schienenoberflächen in Hinblick auf Verschleiß und Rissbildung zu verstehen. Dabei müssen sowohl der Herstellungsprozess der Werkstoffe, welcher die grundlegenden Eigenschaften des Werkstoffs festlegt, als auch die Betriebsbedingungen, welche die Werkstoffeigenschaften aufgrund der extremen Belastungen verändern, betrachtet werden. Veränderungen der Mikrostruktur der Werkstoffe und die Bildung von mikroskopischen Rissen werden mit Hilfe von Computersimulationsmodellen im Projekt beschrieben und untersucht. Im Mittelpunkt stehen dabei Untersuchungen zur Auswirkung von Wärmebehandlungen während des Herstellungsprozesses und plastischer Verformung während des Eisenbahnbetriebs auf die Bildung von mikroskopisch kleinen Rissen in der veränderten Werkstoffstruktur. Zusätzlich zu den Simulationen werden Laborexperimente durchgeführt, um Daten zum plastischen Verformungsverhalten und zum Risswachstumsverhalten der Werkstoffe zu erhalten. Diese Daten dienen der Parametrierung der Simulationsmodelle und der Überprüfung der Simulationsergebnisse. Die im Projekt entwickelten Modelle sollen die Weiterentwicklung von Rad- und Schienenwerkstoffen unterstützen. Dies geschieht durch systematische Untersuchung der Auswirkungen von unterschiedlichen Herstellungs- und Betriebsbedingungen auf die Bildung von mikroskopischen Rissen, um in weiterer Folge Verschleiß und Rissbildung im Eisenbahnbetrieb zu minimieren.

Der Kontakt zwischen einem Eisenbahnrad und einer Eisenbahnschiene mag als unbedeutendes Detail im System Eisenbahn erscheinen, er ist jedoch für einen sicheren und wirtschaftlichen Betrieb von Eisenbahnen von großer Bedeutung. Der Rad-Schiene-Kontakt spielt eine zentrale Rolle beim Tragen und Führen des Schienenfahrzeugs, als auch für die Übertragung von Kräften zum Beschleunigen und Bremsen. Die Rad- und Schienenwerkstoffe im Bereich des Kontakts müssen dabei hohen Belastungen widerstehen. Diese Kontaktbelastungen rufen große bleibende (plastische) Scherverformungen der Werkstoffe nahe der Oberfläche hervor, wodurch sich deren Eigenschaften ändern. Es bilden sich mikroskopische Risse, welche in weiterer Folge zu Verschleiß (Werkstoffabtrag), aber möglicherweise auch zur Bildung makroskopischer Rollkontaktermüdungsrisse auf Eisenbahnrädern und auf Eisenbahnschienen führen. Im Rahmen dieses Projekts wurde das Wachstumsverhalten von Ermüdungsrissen in verformtem perlitischen Stahl mit unterschiedlicher Ausgangsmikrostruktur sowohl in Simulationen als auch experimentell untersucht. Im entwickelten Simulationsframework wird der Einfluss der Mikrostruktur auf das plastische Kaltverformungsverhalten des Werkstoffs mit Hilfe eines mesoskaligen Versetzungsmodells modelliert, welches gezielt für perlitische Werkstoffe adaptiert wurde. Zur Beschreibung des Risswachstumsverhaltens wurde ein Simulationsmodell auf Basis der diskreten Elemente Methode aufgebaut, um die Abhängigkeit des Ermüdungsrisswachstumsverhaltens vom plastischen Verformungsgrad des Werkstoffs, sowie von der Mikrostruktur des Werkstoffs untersuchen zu können. Das Modell beinhaltet eine hierarchische Beschreibung der Werkstoffmikrostruktur auf Basis von Grenzflächen zwischen Gefügebestandteilen. Die im Rad-Schiene-Kontakt beobachtete oberflächennahe plastische Scherverformung wird dem Modell geometrisch aufgeprägt, wodurch sich die Dichte und Orientierungsverteilung der Grenzflächen ändert. Eine vorgegebene Mikrostruktur lässt sich so im Modell systematisch bei unterschiedlichen Verformungsgraden untersuchen. In begleitenden Risswachstums-Experimenten wurde gezeigt, dass plastische Verformung in perlitischen Werkstoffen eine Erhöhung der Risswachstumsgeschwindigkeit parallel zu ausgerichteten Gefügestrukturen bewirkt. Dieses Verhalten wird auch im Simulationsmodell beobachtet. Mit Hilfe des Modells können nun gezielte Untersuchungen zum Einfluss einzelner Aspekte und Eigenschaften hinsichtlich Mikrostruktur und Grenzflächen auf die resultierenden Ermüdungsrisswachstumsgeschwindigkeiten und Risspfadgeometrie durchgeführt werden. Die Vorhersage der Rissausbreitung in plastisch hochverformten Werkstoffen unter Berücksichtigung mikrostruktureller Aspekte wird als wichtiger Schritt hin zu einer einheitlichen Beschreibung von Verschleiß und Rollkontaktermüdung in diesem komplexen tribologischen System angesehen.