On the formation of stratified surface layers associated to fatigue cracks on rail wheels

Abstract

To reduce global greenhouse gas emissions, rail transportation offers enormous potential as one of the lowest CO2 -emitting modes of transportation. The expansion in passenger mobility and freight transportation on current rail networks however leads to increasing mechanical and thermal loads in the wheel-rail contact due to higher train speeds, shorter train intervals, and higher axle loads. This affects rails and wheels in terms of wear and rolling contact fatigue damage. To ensure reliability and safety, and improve maintenance procedures and costs, the understanding of microstructural changes in the near-surface of rails and wheels is vital. While research has strived to unravel the formation of brittle surface layers, limited information has been gathered on the stratification of formed surface layers, often observed in the presence of cracks on rail wheels. Hence, this thesis contributes to a fundamental understanding of the microstructural and micro-mechanical characteristics of stratified surface layers (SSLs) on rail wheels and their contribution to rolling-contact fatigue (RCF). The framework ranges from extensive analyses of wheel samples from the field, to the development of a novel laboratory approach to imitate realistic SSLs with defined loading history to enable systematic studies.Wheel samples from service are analysed by in-depth microstructural characterisation methods, revealing insights into evolved near-surface microstructures such as severe plastic deformed (SPD) zones, white etching layers (WELs), brown etching layers (BELs) and their combination, the so-called stratified surface layer. To evaluate its fracture behaviour – crucial in terms of RCF crack initiation – the in situ micro bending method is applied, bringing light into the micro-mechanical behaviour of evolved near-surface regions in addition to common hardness measurement techniques. Finding the impetus in the results, the relevance of SSLs on RCF crack initiation is pointed out. However, the indefinite loading history of samples from the field hinders a systematic study. To address this, a novel laboratory approach is developed by combining a twin disc tribometer (defined mechanical loads) and laser surface treatments (specific thermal loads) to imitate realistic and reproducible SSLs. Finally, this novel approach is used to generate defined samples for one of the first systematic studies on the RCF crack initiation in the presence of SSLs of different wheel materials. The laboratory approach in combination with in-depth microstructural and micro-mechanical analysis methods contributes to an improved understanding of evolved near-surface microstructures on wheels and helps to ensure the reliability of rail transportation.

Zur Reduzierung der weltweiten Treibhausgasemissionen bietet der Schienenverkehr mit geringen CO2 -Emissionen ein enormes Potenzial. Die Verstärkung des Personen- und Güterverkehrs führt jedoch aufgrund höherer Zuggeschwindigkeiten, kürzerer Intervalle und höherer Achslasten zu steigenden mechanischen und thermischen Belastungen im Rad-Schiene-Kontakt. Dies wirkt sich auf Schienen und Räder aus und führt häufig zu mehr Verschleiß und Schädigungen. Um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten und die Wartungsstrategien zu optimieren, ist das Wissen über mikrostrukturelle Veränderungen von Schienen und Rädern von entscheidender Bedeutung. Auf Eisenbahnrädern wird Rissinitiierung häufig in der Umgebung von geschichteten Oberflächenschichten, so genannten Stratified Surface Layers (SSLs) beobachtet, welche während des Betriebes entstehen. Diese Doktorarbeit hat daher das Ziel, das grundlegende Verständnis der mikrostrukturellen und mikro-mechanischen Eigenschaften von SSLs auf Rädern, sowie deren Beitrag zur Rollkontaktermüdung zu erweitern. Die Arbeit umfasst sowohl umfangreiche Analysen von Rädern aus dem Feld, als auch die Entwicklung eines neuartigen Laboransatzes zur Nachbildung realistischer SSLs mit definierter Belastungsgeschichte um systematische Studien zu ermöglichen. Radproben aus dem Betrieb werden durch detaillierte mikrostrukturelle Charakterisierungsmethoden analysiert, welche Einblicke in die Charakteristiken von oberflächennahen Mikrostrukturen, wie zum Beispiel stark plastisch verformten Zonen, weiße – und braune Ätzschichten und geschichteten Oberflächenschichten (SSLs) ermöglichen. Zur Bewertung mikro-mechanischer Eigenschaften, entscheidend für Rissinitiierung und -wachstum, wird die in situ Mikrobiegebalken Methode angewandt. Die Ergebnisse zeigen eindrücklich die Relevanz von SSLs für die Rissbildung bei Rollkontaktermüdung auf. Die unbestimmte Belastungsgeschichte der Proben aus dem Feld behindert jedoch eine systematische Untersuchung. Um dieses Problem zu lösen, wird ein neuartiger Laboransatz entwickelt, bei dem ein Zwei-Scheiben-Tribometer (mechanische Belastung) und Laseroberflächenbehandlungen (thermische Belastung) kombiniert werden, um realistische SSLs zu imitieren. Im letzten Teil der Arbeit wird dieser Ansatz verwendet, um definierte Proben für eine systematische Studie über die Rissinitiierung bei SSLs zu generieren. Die vorgestellte Methodik trägt zu einem besseren Verständnis der entstandenen oberflächennahen Mikrostrukturen an Rädern bei und kann helfen, die Lebensdauer von Eisenbahnrädern in Zukunft zu steigern.