Charakterisierung von mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften in einem hypereutektoiden Stahl

Abstract

Die Qualität des Schienenstahls spielt wegen den unter den hohen Belastungen auftretenden Rollkontaktermüdungsschäden eine wichtige Rolle in der Eisenbahnindustrie, da sowohl die Sicherheit des Bahnbetriebs als auch die Kosten für die Instandhaltung der Infrastruktur maßgeblich davon abhängig sind. Deshalb wird an den mechanischen Eigenschaften des Schienenstahls und der Verbesserung derselben intensiv geforscht.In der vorliegenden Arbeit werden daher spezielle Methoden vorgestellt und angewendet, um die Beziehung zwischen der kristallographischen Orientierung einer Perlitkolonie einerseits und der Härte und dem Elastizitätsmodul andererseits messtechnisch nachweisen zu können. Die kristallographischen Orientierungen einzelner Perlitkolonien wurden mittels EBSD (electron backscatter diffraction), Polfiguren (IPF – inverse pole figures) und Orientierungskartographie (OM – orientation mapping/ orientation microscopy) bestimmt. Die Messungen der mechanischen Eigenschaften wurden mit Hilfe des Nanoindentierungsverfahrens durchgeführt. Die angewendeten Messmethoden stellten dabei sehr hohe Anforderungen an die Qualität der Probenoberfläche. Drei perlitische Proben, die unter verschiedenen Wärmebehandlungsprozessen hergestellt worden sind, wurden auf diese Weise untersucht.Die so ermittelten Daten wurden einander gegenübergestellt und beurteilt. Zur Auswertung der Daten wurden folgende Schritte durchgeführt: Bestimmung der Größe der Austenitkörner und der Größe der Perlitkolonien, sowie die Erstellung von Boxplot-Diagrammen, um die Zusammenhänge zwischen den kristallographischen Orientierungen und den mechanischen Eigenschaften analysieren zu können.Mit Hilfe der verwendeten Mess- und Auswertemethoden konnte gezeigt werden, dass jene Proben höhere Werte der Härte und des Elastizitätsmoduls zeigen, deren Perlitkolonien überwiegend in der Richtung (111) orientiert sind.

Because of the rolling contact fatigue damage occurring under high load, the quality of rail steel plays an important role in the railway industry. Safety in railway operation and infrastructure maintenance costs highly depend on the quality of the railway steel. Therefore, the mechanical properties of railway steel and the improvement of the same are subject to investigation.In this work, specific methods are explained and used in order to demonstrate a relationship between the crystallographic orientation of perlite colonies on the one hand and the hardness and elastic modulus on the other hand by measurements. The orientations of the perlite colonies were obtained by using EBSD (electron backscatter diffraction), pole figures (IPF – inverse pole figures) and orientation mapping/ orientation microscopy (OM). The measurements of the mechanical properties were carried out with the nanoindentation method. The methods used impose very high requirements on the surface quality of the test objects. Three pearlite steel samples, which were manufactured using different heat treatment processes, are investigated in this way.The obtained data were compared and analysed. Therefore, the following steps were carried out: analysis of the grain size of the perlite grains, analysis of the size of the pearlite colonies, and the preparation of box plot diagrams to analyse the correlation between the crystallographic orientations and the mechanical properties.With these techniques it could be demonstrated that those samples, whose pearlite colonies are primarily oriented the (111) direction, show higher values for the hardness and the elastic modulus.