Klíčová slova: impact test, integrita povrchu, povrchová únava, oceli pro kolejnice

Transkript

1 SIMULACE POVRCHOV7CH POŠKOZENÍ OCELÍ PRO KOLEJNICE PROSTŘEDNICTVÍM METODY IMPACT TEST SIMULATION OF SURFACE DAMAGE ON RAIL STEELS USING THE IMPACT TEST METHOD Jiří Šimeček a, Antonín Kříž b a ZČU v Plzni, Univerzitní 8, Plzeň, Česká Republika, george.sh@centrum.cz b ZČU v Plzni, Univerzitní 8, Plzeň, Česká Republika, kriz@kmm.zcu.cz Abstrakt Povrch je nejvíce namáhaná a nejcitlivější část výrobku a tedy je jeho stavu nutno věnovat značnou pozornost. Zde jsou v procesu použití vyrobené strojní součásti přednostně koncentrovány negativní degradační jevy. Nejčastějším důsledkem dalšího zatěžování je únava materiálu, která pokračuje přes vytváření sítě mikrotrhlin, přes tvorbu marginální trhliny až po konečné dolomení součásti. Tyto únavové jevy jsou zvláště nebezpečné u vysoce namáhaných součástí, ke kterým patří zejména součásti kolejového svršku, kde je měněn směr projíždějícího vlaku, jako jsou výhybky apod. Jednou z možných metod simulace povrchového poškození je metoda impact test, jehož principem je opakované rázové zatížení povrchových vrstev vzorku indentorem. Jeho tvar je nejčastěji kulička z tvrdého materiálu (karbid). Tímto způsobem je narušena integrita povrchu a je vytvořen povrchový defekt (impact kráter), který je posléze podroben zkoumání. Ve spolupráci s UPa byl vyvinut nový druh oceli určené pro více namáhané součásti kolejového svršku, jako např: srdcovky apod. Jedná se o mikrolegovanou bainitickou ocel u kterých je snaha jimi nahradit zejména ve vyspělých zemích dlouhodobě využívané perlitické oceli, avšak toto úsilí se dosud nesetkává s dostatečným zájmem. V tomto příspěvku bude popsán experiment, který má za cíl prozkoumat povrchovou odolnost tohoto nového materiálu proti poškozením a porovnat jej s reálným materiálem, který je na kolejnice v praxi používán. Klíčová slova: impact test, integrita povrchu, povrchová únava, oceli pro kolejnice Abstract The surface is the most loaded and most sensitive part of the product and thus its status should be given high attention. In the surface parts are usually concentrated negative degradation phenomena in the process of using of the part. The most common consequence of further loading is fatigue, which continues through the creation of a network of micro cracks, through the formation of marginal cracks to final fracture components. The effects of fatigue are particularly dangerous for heavy-duty components, which include parts of the rail track, which changed the direction of a passing train, such as rail-switches, etc. One of the possible methods for simulation of surface damage is a method of impact test, which principle is repeated shock loading indenter surface layers of the sample. Its shape is usually a bullet made of hard materials (carbide). In this way, undermined the integrity of the surface and is formed a surface defect (impact crater), which is then examined. In collaboration with the University of Pardubice has developed a new type of steel designed for more exposed parts of the rail track, including: frogs, etc. This is a micro alloyed bainitic steel, which is mentioned for replace long-term use pearlitic steel especially in developed countries, but the effort is not 1

2 still encountered with sufficient interest by interested party. In this paper we will describe an experiment which aims to explore the surface resistance of this new material against damage and compare it with the real used material. Keywords: impact test, surface integrity, surface fatique, steels for rails 1. NAMÁHÁNÍ KOLEJNICE Kolejnice patří mezi nejdražší a nejintenzivněji namáhané části kolejového svršku. Její funkce spočívá ve vedení kolejového vozidla. Celý proces probíhá ve velmi malém místě, tzv. odvalu kola po kolejnici. Tento kontakt má eliptický tvar. Velikost zasažené oblasti závisí od hmotnosti vozidla (v ČR max. 20 tun na nápravu) a od průměru a profilu kola. Kolejové vozidlo vytváří svou hmotností normálovou reakci a díky svému pohybu též tečnou reakci. Kolej je namáhána jak ohybem, tak otěrem, který je zvlášť intenzivní při rozjíždění a brždění vozidla, nebo nájezdu do oblouků, či na výhybky, křižovatky apod. Výpočet sil, které působí v daném místě, je velmi obtížný. Tyto síly lze přibližně vyjádřit pomocí teorie Hertzových tlaků [3]. Největší nebezpečí pro kolejnice je únavové poškození, které vzniká zejména z povrchových vad. Tyto lokality je nutné považovat za riziková. Vzhledem k tomu, že při únavové vadě na kolejnicovém svršku hrozí destrukce kolejnice, v horším případě právě v okamžiku projíždějícího vlaku, což má obvykle za následek značné ekonomické ztráty, nebo dokonce ohrožení lidských životů. Proto je nutné tomuto nebezpečí věnovat značnou pozornost a sledovat podmínky, které by mohly tato poškození iniciovat. Rozdělení povrchových vad kolejnic lze nalézt ve zdroji [4]. Povrchové vady jsou normovány a jsou většinou charakteristické pro daný způsob namáhání. Tyto vady jsou z velké většiny způsobeny kontaktním namáháním. Tyto povrchové vady jsou většinou vysoce nebezpečné z důvodu iniciace únavového poškození. 2. MATERIÁLY PRO KOLEJNICE Na kolejnice jsou využívány oceli se zvýšeným obsahem uhlíku okolo 0,6-0,9%C. Materiál musí splňovat zejména vyšší mez pevnosti v tahu, vyšší tvrdost, vyšší odolnost proti materiálové únavě a v neposlední řadě i přijatelnou cenu, jelikož spotřeba materiálu je vysoká (okolo 45 kg/m kolejnice). Kolejnice musí pracovat za jakéhokoliv počasí, proto je vyžadována také nízká tranzitní teplota. Pro více namáhané úseky kolejí, jako jsou výhybky, srdcovky apod. jsou používány oceli legované Cr a Mn nebo Si. Běžně používané oceli pro kolejnice mají perlitickou strukturu. 2.1 Charakteristika použitého materiálu Nejnovějším trendem je výroba bainitických ocelí, které naráží na některé problémy spojené zejména s vysokým stupněm opotřebení. To je zapříčiněno jemnými karbidy rozptýleným ve feritu, které se bez speciálních opatření snadno vylamují. V současné době byl vyvinut nový materiál pro srdcovky a jiné více namáhané součásti kolejového svršku. Jedná se o mikrolegovanou ocel s bainitickou strukturou s chemickým složením uvedeným v tab. 1. Tab. 1. Chemické složení experimentální oceli pro kolejnice C Mn Si P max S max Cr Ni Mo Ti max Al B 0,18/0,21 1,4/1,7 1,1/1,3 0,01 0,01 1,4/1,6 0,5/0,8 0,45/0,55 0,03 0,01/0,03 0,0025/0,005 Tab.1. Chemical composition of used material 2

3 1. Impact test Metod zkoumajících povrchových vrstev je velké množství a žádná metoda nemůže splnit všechny požadavky na komplexní výsledky, zejména ve srovnání s praktickým zatěžováním. Idea je cyklické rázové zatěžování povrchových vrstev materiálu indentorem, který v tomto případě tvoří karbidová kulička v rychlém sledu definovanou energií, při němž je nejdříve vyvolána plastická deformace povrchu a zpevnění povrchových vrstev. 1.1 Impact kráter Obr. 1. Uspořádání impact testu Fig. 1. Impact test order Při zkoumání materiálů touto metodou vzniká tzv. impact kráter. Po vyčerpání plastických vlastností dochází ke tvorbě povrchových degradačních jevů, jako jsou trhliny, nebo jsou zpevněné oblasti materiálu postupně odlamovány po vrstvách. Předmětem zkoumání jsou zejména morfologie povrchů vzniklé v kráteru, jakož je možné z charakteru zjistit chování materiálu při skutečném provozním zatížení. Postup tvoření impact kráteru je možno rozdělit na 3 fáze, kdy při prvních úderech dochází k značné plastické deformaci, při níž se energie díky charakteru indentoru působí na relativně malou plochu a rozměry kráterů roste vysokou rychlostí. Při druhé fázi se rychlost zvětšování kráteru zpomalí zejména z důvodu vyšší stykové plochy mezi kráterem a kuličkou, v této fázi dochází zejména k vyčerpávání plasticity v nejbližším okolí stěn vzniklého kráteru. Ve třetí fázi již dochází ke tvorbě trhlin a vylamování zpevněných částí. Další rozšiřování kráteru je možné už jen díky tomuto mechanismu. V praxi jsou materiály zkoušeny pouze na jednoosou napjatost, nebo na rázovou pevnost, ale při reálném provozu součástí se obvykle vyskytuje na součástech víceosá napjatost, rázy, impactový kráter umožňuje poměrně věrně simulovat skutečné provozní zatížení, jelikož v kráteru vzniká jak tahová, tak tlaková oblast spolu s různými přechodovými oblastmi. Je možno simulovat i smykovou složku napětí naklopením vzorku. Tím je možno napodobit např: frézování, jelikož velikost úhlu nastavení k obrobku se během pracovního cyklu zubu mění. Bližší informace o této metodě lze najít v odkazech [1][2]. 2 Výsledky impact testu Jedním z nejdůležitějších výsledků získatelných z impact testu je hloubka a také rozměry kráteru. Pokud je provedeno na jednom vzorku několik testů s různým počtem úderů při stejné síle, je možno dostat představu chování materiálu při porušení povrchu. Každý materiál se vyznačuje různou mírou tvrdosti, houževnatosti, které se při porušení povrchu jinak projevuje. Jelikož hloubka impact kráterů bývá v mikroskopu. Přesnost měření je ovlivňována zejména navaleninami na okraji kráterů, jelikož vytlačený materiál vytéká směrem ven z kráteru. 3

4 Obr. 2.Impact kráter [3] Fig.2. Impact crater [3] 3. PARAMETRY EXPERIMENTU Cílem experimentu je vytvořit podobné podmínky vytváření povrchových poškození a sledování rozvoje poškození. S rostoucím počtem úderů v sekvenci bude růst i velikost vzniklého impactového kráteru, předpokladem je, že každý materiál se bude chovat při rázovém zatížení charakteristicky. Pro test byl použit vzorek experimentální oceli o tloušťce 10 mm. Vzorek byl před testováním vybroušen na metalografických papírech. Jako etalon byl použit vzorek vyříznutý z vyřazené kolejnice o téže tloušťce 10 mm. Tím byla zajištěna eliminace ovlivnění výsledků přístrojem. Vzorky byly podrobeny sérii testování o sekvenci tis. úderů. Při těchto zátěžích byly provedeny dva krátery jejichž hodnoty byly, pro vyšší přesnost, zprůměrovány. Frekvence úderů byla stanovena 8Hz. 4. ZÍSKANÉ VÝSLEDKY Vzniklé krátery byly proměřeny pomocí metalografického mikroskopu, při zvětšení 50x. Každý kráter byl měřen 2x kolmo na sebe. Získané hodnoty byly posléze průměrovány a vyneseny do grafů. Rozměry kráterů jsou v m Tab. 1 Výsledky impact testu reálný materiál experimentální materiál počet úderů(tis) 1. Rozměr 2. Rozměr průměr odchylka 1. Rozměr 2. Rozměr průměr odchylka ,5 4, ,5 25, ,5 2, ,5 1, ,5 16, ,5 32, ,5 11, ,5 10, ,5 18, ,5 8, ,5 2, ,5 1, ,5 12, ,5 3,5 Tab. 2. Impact test results 4

5 rozměry kráteru v mikrometrech , Brno, Czech Republic, EU Výsledky impact testu real. mat. 1 řada real. mat. 2 řada exp. mat. 1. řada exp. mat. 2 řada počet úderů v sekvenci Obr. 3. Trend růstu impact kráteru Fig.3. Growing of impact test Obr. 4 a) impact kráter experimentální ocel úderů b) impact kráter používaná ocel úderů Fig. 4 a) impact crater experimental steel hits b) impact crater real used steel hits 5

6 Obr. 5 a) impact kráter experimentální ocel úderů b) impact kráter používaná ocel úderů Fig. 5 a) impact crater experimental steel hits b) impact crater real used steel hits Obr. 6 a) impact kráter experimentální ocel úderů b) impact kráter používaná ocel úderů Fig. 6 a) impact crater experimental steel hits b) impact crater real used steel hits 5. DISKUSE VÝSLEDKŮ Mezi oběma materiály se při zatěžování rázovým zatížením projevily některé rozdíly. Jeden z nejdůležitějších ukazatelů impact testu jsou rozměry vzniklého kráteru. Výsledek lze u většiny případů interpretovat jako menší rozměr je lepší výsledek, z čehož vyplývá že lépe v testu obstál nový experimentální materiál. Impact test může napovědět, jak rychle se bude vznikající povrchové únavové zatížení šířit. Ze získaných výsledků u experimentální oceli se po počátečním nárůstu projevila určitá prodleva po níž rozměr povrchového poškození výrazněji neroste. Parametry úderu byly nastaveny u obou materiálů stejně, krátery byly zdokumentovány pomocí metalografického mikroskopu s možností automatického ostření v ose z. Z prezentovaných obr. Zejména 6

7 obr. 10 je patrné že při vyšší době expozice rázovým zatížením reálně používaná ocel vykazovala vyšší míru plastické deformace po okrajích impact kráteru, což může znamenat rychlejší rozšiřování povrchového únavového poškození. 6. ZÁVĚR Mezi jednotlivými vzorky se projevily rozdíly v chování při rázovém zatížení. V tomto testu byly simulovány podmínky při vytváření povrchových poškození, které jsou v případě železničního provozu velmi nebezpečné, jelikož se z nich může po dlouhodobém používání únavové poškození s rizikem konečného lomu kolejnice se všemi možnými tragickými důsledky. Tento nový materiál v testu obstál, nutno je však říci, že se jednalo pouze o test v omezeném rozsahu. Nejlepším způsobem jak tuto problematiku vyřešit by bylo zhotovení reálné kolejnice z tohoto materiálu a dlouhodobé zkoušení v reálném provozu, což však naráží na značné obtíže zejména ze strany železniční legislativy. Snaha nahradit původní perlitické, ocelmi bainitickými již trvá dlouhou dobu, avšak ne vždy se i slibné materiály v praxi dlouhodobě osvědčily. V případě podmínek, které jsou dosažitelné v rámci laboratoře je hlavní možností využití analytických metod zkoumání, jelikož výzkumné ústavy železničními sítěmi obvykle nedisponují. Výsledky získané v tomto testu bude nutno porovnat s výsledky ostatních metod. LITERATURA [1] Kříž A. Beneš P. Šimeček J. Využití impact testu při studiu povrchových vrstev, Příspěvek na konferenci Aplikovaná mechanika 2009/04 [2] Kříž A. Beneš P. Šimeček J. Urban J. Experimentální zpráva Sledování kontaktního dynamického namáhání materiálu určeného k výrobě železničních kol, Západočeská Univerzita v Plzni, 2009/01 [3] GRASSIE, S.L. Preventivní broušení drží kontaktně únavové vady pod kontrolou. International Railway Journal, 1/2001, str [4] ČD S67 Vady a lomy kolejnic 7