Title: A comprehensive nanoindentation testing campaign for quantification of the stiffness distribution across tramway rail cross sections
Other Titles: Ein umfassendes Testprogramm zur Feststellung der Steifigkeitsverteilung in Querschnitten von Straßenbahnschienen, basierend auf der Methode der Nanoindentation
Language: Deutsch
Authors: Jagsch, Valentin 
Qualification level: Diploma
Keywords: Straßenbahnschienen; Steifigkeitsverteilung; Nanoindentation
tramway rail; stiffness distribution; nanoindentation
Advisor: Scheiner, Stefan 
Assisting Advisor: Hasslinge, Patricia 
Issue Date: 2018
Number of Pages: 86
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Straßenbahnschienen sind vielfach hohen Temperaturen ausgesetzt. Dies betrifft einerseits den Herstellungsprozess, im Zuge dessen die Widerstandsfähigkeit der Schienen gegenüber Abnützung und Ermüdung durch die gezielte Anwendung vonWärmebehandlung verbessert wird. Andererseits beinhalten Instandsetzungsmaßnahmen von im Betrieb befindlichen Schienen üblicherweise Schweißarbeiten. Letztere führen zu signifikanten, lokal einwirkenden Temperaturgradienten. Es ist bekannt, dass hohe Temperaturen zu Gefügeänderungen im Stahl führen, weswegen sich die Frage stellt, ob diese Gefügeänderungen entsprechende Steifigkeitsänderungen implizieren. Dies ist die Forschungsfrage, mit der sich die gegenständliche Arbeit beschäftigt (und welche im Rahmen eines Projekts, das vom Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen der Technischen Universität Wien in Kooperation mit der Wiener Linien GmbH & Co KG umgesetzt wird, aufgeworfen wurde). Um die Steifigkeitsverteilung in repräsentativen Schienenstücken zu ermitteln, wurden sowohl Querschnitte aus einer neuen Schiene als auch solche von Schienen, welche im Zuge von Instandsetzungsarbeiten ersetzt wurden, herangezogen. Außerdem wurden Querschnitte untersucht, welche bei diesen Instandsetzungsarbeiten durch Hitzeeinwirkung wesentlich beeinflusst wurden und andererseits solche, bei denen dies nicht der Fall war. Des Weiteren wurden in jedem Querschnitt sechs über den Querschnitt verteilte Proben extrahiert. Zur Ermittlung der Steifigkeitsverteilungen auf den untersuchten Oberflächen der Probekörper bzw. der Verteilungen des hierfür repräsentativen Elastizitätsmoduls wurde die Methode der Nanoindentation angewendet. Zu diesem Zweck wurde für jeden der insgesamt 42 Probekörper ein Netz von 20 × 20 Indentationen herangezogen. Auf den einzelnen Probekörpern zeigten sich lokal signifikant variierende Elastizitätsmoduln, was auf die unterschiedlichen Gefügearten im Schienenstahl zurückgeführt werden kann. Allerdings hat sich herausgestellt, dass keine bemerkenswerten Unterschiede zwischen Schienenstählen unterschiedlichen Alters, unterschiedlicher Vorgeschichte und unterschiedlicher Position bestehen. Daraus kann gefolgert werden, dass die Steifigkeitsverteilungen in Straßenbahnschienen homogen und zeitunabhängig sind. Es ist aber anzumerken, dass der resultierende Elastizitätsmodul von im Durchschnitt 256GPa wesentlich höher ist als der üblich angenommene Richtwert von 210GPa. Zukünftig werden die in dieser Studie erlangten Erkenntnisse eine wichtige Datenbasis für Strukturmodelle darstellen, welche im Rahmen der Stabtheorie entwickelt werden und zur Untersuchung des (elastischen) mechanischen Verhaltens von Straßenbahnschienen bei repräsentativen Belastungszuständen dienen.

During their lifetime, tramway rails are subjected to heat treatment on several occasions. On the one hand, heat treatment is applied intentionally during the production process in order to make the rails more resistant to wear and fatigue. On the other hand, once installed in the tramway network, maintenance works often involve welding, leading to significant local temperature gradients. Considering that the exposure to high temperatures potentially induces changes in the steel microstructure, the question arises if and to which extent the stiffness is affected; and this is the research question dealt with in this thesis (which is an outgrowth of a collaboration of the Institute for Mechanics of Materials and Structures of the Vienna University of Technology and the Wiener Linien GmbH Co KG). In order to quantify the stiffness distributions across representative parts of the tramway network, cross sections have been extracted from a new tramway rail, as well as from tramway rails which had been in operation for several years and which were replaced in the course of maintenance works. Thereby, sections were extracted from both within and outside of the zone that was considerably exposed to heat. Furthermore, within each of these cross sections, six samples were considered, distributed across the cross sections, in order to study whether the stiffness exhibits significant cross-sectional variations. For quantifying the Young’s modulus distribution across all samples (which was deemed representative for the stiffness, given that steel can be assumed to be isotropic) a comprehensive nanoindentation testing campaign was implemented, in the course of which a grid of 20 × 20 indentations was considered on each of the in total 42 samples. On individual samples the nanoindentation-derived Young’s modulus distributions do exhibit variations, which can be attributed to the material phases steel is composed of. Nevertheless, there are no significant variations across samples of different age, different history, or different location, allowing for the conclusion that the stiffness tramway rail steel is more or less homogeneous and time-invariant. However, it should be noted, that on average the Young’s modulus of the tramway rail steel studied in this work amounted to 256GPa, which is much higher than the usually assumed ballpark figure of 210GPa. In the future, the results gained in this study will serve as valuable input database for beam theory-based structural models of tramway rails, for studying their (elastic) mechanical behavior under representative loading conditions.
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2018.59720
http://hdl.handle.net/20.500.12708/16447
DOI: 10.34726/hss.2018.59720
Library ID: AC15189098
Organisation: E202 - Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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