Wechselformungsverhalten von hochbeanspruchten Eisenbahn-Radstählen im VHCF-Bereich

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Dietmar Eifler
• Subject Area: Materials Engineering
• Term: from 2009 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 141579390

• Final Report Year: 2012

Final Report Abstract

Die Thematik hochbeanspruchter Eisenbahnradstähle im VHCF-Bereich hat in den letzten Jahren für die zuverlässige Auslegung von Bauteilen des Rad-Schiene-Systems zunehmend an Bedeutung gewonnen. Mit der Erhöhung der Prüffrequenz wird dem Bestreben Rechnung getragen, vollständige Lebenszyklen von Radstählen im Labor zuverlässig abzubilden. Hierbei kommt es zu einer Verschiebung der relevanten Grenzlastspielzahlen von 2·10^6 in den Bereich > 10^8 Zyklen. Mit konventionellen Prüfsystemen und einer Frequenz von 5 Hz sind diese Lastspielzahlen nicht realisierbar. Am Lehrstuhl für Werkstoffkunde wird seit mehreren Jahren dieser Themenbereich umfassend bearbeitet und die Ergebnisse in Publikationen und Vorträgen national und international veröffentlicht. Im Rahmen des abgeschlossenen Forschungsprojektes wurden Versuche an Proben aus dem Bereich der Ablaufreserve von Original-Vollrädern der Güteklassen R7 und R9 durchgeführt. Neben Laststeigerungs- und Einstufenversuchen, mit und ohne überlagerter Mittelspannung, wurden im dritten Förderabschnitt insbesondere Versuche mit betriebsnahen Beanspruchungen und singulären Lastspitzen durchgeführt. Ziel war die mikrostrukturorientierte Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von Eisenbahnradstählen im VHCF-Bereich. Hierbei werden hochgenaue Temperaturund elektrische Widerstandsmessverfahren sowie Frequenzmessungen (Resonanzpulsator) eingesetzt. Die aus den ermüdungsbedingten Veränderungen der Mikrostruktur im Probenvolumen resultierenden Messwertverläufe wurden mit raster- und transmissionselektronenmikroskopischen Untersuchungen korreliert. Die physikalisch basierten Messverfahren bieten die Möglichkeit das Wechselverformungsverhalten zu charakterisieren und die Eingangsgrößen für die physikalisch basierte Lebensdauerberechnung „PHYBALLSV“ bereitzustellen. Mit nur drei Ermüdungsversuchen können Wöhlerkurven in sehr guter Übereinstimmung mit konventionell ermittelten experimentellen Daten aus Einstufenversuchen berechnet und die Dauerfestigkeit zuverlässig abgeschätzt werden.

Publications

• Ermüdungsverhalten hochbeanspruchter Eisenbahnradstähle im Very-High-Cycle-Fatigue-(VHCF-)Bereich, Werkstoffprüfung 2007 - Konstruktion, Qualitätssicherung und Schadensanalyse, Hrsg.: M. Pohl, Verlag Stahleisen GmbH, ISBN 978-3-514-00753-6 (2007) 379-384
  V. Wagner, F. Walther, D. Eifler
  
• Fatigue assessment and fatigue life calculation of quenched and tempered SAE 4140 steel based on stress-strain hysteresis, temperature and electrical resistance measurements, Fatigue Fract. Eng. M 30 (2007) 1044-1051
  P. Starke, F. Walther, D. Eifler
  
• Very high cycle fatigue of railway wheel steels, VHCF-4 – 4th Int. Conf. on Very High Cycle Fatigue, Ann Arbor, Michigan, USA, J.E. Alli-son, J.W. Jones, J.M. Larsen, R.O. Ritchie (Eds.), ISBN 978-0-87339-704-9 (2007) 137-142
  V. Wagner, B. Ebel-Wolf, F. Walther, D. Eifler
  
• Bewertung des Wechselverformungsverhaltens aktueller Radstähle im VHCF-Bereich. 3. VHCF-Doktorandenkolloquium, TU Kaiserslautern, 31. Jan.-01. Feb. (2008)
  V. Wagner, F. Walther, D. Eifler
  
• Fatigue behavior of railway wheel steels in the very high cycle regime. Plasticity, Failure and Fatigue in Structural Materials – from Macro to Nano: Proc. of the Hael Mughrabi Honorary Symposium, K.J. Hsia, M. Göken, T. Pollock, P.D. Portella, N.R. Moody (Eds.), TMS, ISBN 978-0-87339-714-8 (2008) 195-200
  V. Wagner, F. Walther, D. Eifler
  
• Fatigue behavior of railway wheel steels in the very high cycle regime. TMS 2008, Annual Meeting and Exhibition, Hael Mughrabi Honorary Symposium: Plasticity, Failure and Fatigue in Structural Materials - from Macro to Nano, New Orleans, Louisiana, USA, March 9-13 (2008)
  V. Wagner, F. Walther, D. Eifler
  
• Very High Cycle Fatigue of Railway Wheel Steels. Materials Science and Engineering – Congress on Advanced Materials and Processes (MSE), Nürnberg (Germany), 1. – 4. September (2008)
  V. Wagner, F. Walther, D. Eifler
  
• VHCF-Ermüdungsverhalten von Radstählen des Hochgeschwindigkeitspersonenverkehrs. 4. VHCF-Doktorandenkolloquium, Universität Siegen, 10. Juli (2008)
  V. Wagner, F. Walther, D. Eifler
  
• Charakterisierung der Mikrostruktur und des Wechselverformungsverhaltens der Eisenbahn-Radstähle R7 und R9 im VHCF-Bereich. 5. VHCF-Doktorandenkolloquium, Universität Bremen, 29. Januar (2009)
  V. Wagner, P. Starke, D. Eifler
  
• Cyclic deformation behaviour of railway wheel steels in the very high cycle fatigue (VHCF) regime. Int. J. Fatigue 33 (2010) 69-74
  V. Wagner, P. Starke, E. Kerscher, D. Eifler
  
• Fatigue life calculation of highly stresses railway components on the basis of “PHYBAL“, 8th Int. Conf. on Railway Bogies and Running Gears, Budapest, Hungaria 12.- 16. September (2010)
  P. Starke, D. Eifler
  
• Lebensdauerberechnung hochbeanspruchter metallischer Werkstoffe, MP-Material Testing 52,7 (2010) 112-118
  P. Starke, D. Eifler
  
• Resistivity – a characteristic fingerprint of fatigue induced changes in the microstructure of metallic materials, Procedia Engineering 10, (2011), 698-703
  P. Starke, M. Klein, D. Eifler