Modellbasierte Korrelation zwischen dem elektrischen Widerstand und der Versetzungsstruktur des ermüdungsbeanspruchten ICE-Radstahls R7: Gewidmet Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Dietmar Eifler (Technische Universität Kaiserslautern) zur Vollendung seines 65. Lebensjahres

Peter Starke; Frank Walther

doi:10.3139/120.110681

Article

Modellbasierte Korrelation zwischen dem elektrischen Widerstand und der Versetzungsstruktur des ermüdungsbeanspruchten ICE-Radstahls R7

Gewidmet Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Dietmar Eifler (Technische Universität Kaiserslautern) zur Vollendung seines 65. Lebensjahres

Peter Starke and Frank Walther

Published/Copyright: May 16, 2018

Published by

Become an author with De Gruyter Brill

Submit Manuscript Author Information

From the journal Materials Testing Volume 57 Issue 1

Kurzfassung

Eine gewichtsoptimierte Bauteilauslegung und ausfallsichere Abschätzung der Lebensdauer metallischer Werkstoffe sowie Bauteile setzen ein umfassendes Verständnis der Ermüdungsvorgänge und eine systematische Untersuchung des Ermüdungsverhaltens voraus. Dies wird umso bedeutender, wenn es um die Auslegung hochbeanspruchter komplexer Bauteilgeometrien geht, wie sie im Rad-Schiene-System im Hochgeschwindigkeitspersonenverkehr eingesetzt werden. Zur Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens und der strukturmechanischen Prozesse werden üblicherweise mechanische Spannungs-Dehnungs-Hysteresis-Messungen, aber zunehmend auch verschiedene Arten von Temperatur- und elektrischen Widerstandsmessungen eingesetzt. Insbesondere die elektrische Widerstandsmessung führt zu einem wesentlichen Informationsgewinn, da bereits mikrostrukturelle Veränderungen detektiert werden können, die z. B. auf Veränderungen der Versetzungsdichte und -struktur beruhen. Zudem können diese resistiven Messverfahren auch in Einstufenversuchen mit lastfreien Unterbrechungen und in Betriebslastversuchen zur Charakterisierung des Schädigungsverlaufs herangezogen werden. Im Rahmen dieses Artikels wurden für den ICE-Vollradstahl R7 Kennwerte der (spezifischen) elektrischen Widerstandsänderung ermittelt und beanspruchungs- bzw. lastspielzahlabhängig mit der Veränderung der röntgenografisch ermittelten Versetzungsdichte korreliert.

Abstract

A weight-optimized component design and a precise estimation of the fatigue life or even the remaining service life for metallic materials and components requires a comprehensive understanding of fatigue mechanisms as well as the systematic investigation of the fatigue behaviour. This becomes even more relevant in the case of complex and highly loaded geometries of components which are used e. g. in rail/wheel systems of high-speed passenger transport applications. To characterize the fatigue behaviour and the structure-mechanical processes, usually mechanical stress-strain hysteresis and recently various types of temperature and electrical resistance measurements are applied. In particular, electrical resistance measurements gain in information by measuring microstructural changes which are related to changes in dislocation density and structure. In addition, resistive measurement techniques can be applied in constant amplitude tests interrupted by load-free sequences and also in service load tests for the characterization of damage evolution processes. The research work presented in this paper is focused on the load- and cycle-dependent correlation of (specific) electrical resistance values with dislocation density measurements for the ICE-railway wheel steel R7.

*Korrespondenzadresse, Dr.-Ing. Peter Starke, Lehrstuhl für Zerstörungsfreie Prüfung und Qualitätssicherung (LZfPQ), Universität des Saarlandes, Campus E3 1, 66123 Saarbrücken

** Prof. Dr.-Ing. habil. Frank Walther, Fachgebiet Werkstoffprüftechnik (WPT), Technische Universität Dortmund, Baroper Str. 303, D-44227 Dortmund, E-mail: peter.starke@uni-saarland.de, frank.walther@tu-dortmund.de

Dr.-Ing. Peter Starke, Jahrgang 1977, studierte Maschinenbau an der TU Kaiserslautern, promovierte 2007 am Lehrstuhl für Werkstoffkunde der TU Kaiserslautern mit einer Arbeit zur „Lebensdauerberechnung bei ein- und mehrstufig beanspruchten Proben aus vergütetem 42CrMo4“. Von 2008 bis 2013 leitete er eine Arbeitsgruppe im Bereich Schwingfestigkeit am Lehrstuhl für Werkstoffkunde der TU Kaiserslautern. Seit 2013 ist er leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Zerstörungsfreie Prüfung und Qualitätssicherung an der Universität des Saarlandes.

Prof. Dr.-Ing. habil. Frank Walther, Jahrgang 1970, studierte Maschinenbau mit Vertiefungsrichtung Werkstofftechnik an der Technischen Universität Kaiserslautern und promovierte 2002 am Lehrstuhl für Werkstoffkunde (WKK) über das Ermüdungsverhalten hochbeanspruchter ICE-Radstähle. Nach der Tätigkeit als Leiter der Abteilung Schwingfestigkeit am WKK, im Rahmen derer er sich 2007 in Werkstoffkunde mit einer Arbeit über physikalisch basierte Messverfahren habilitierte, war er bei der Schaeffler AG & Co. KG in Herzogenaurach in der Zentralen Entwicklung als Leiter der Abteilung Public Private Partnership beschäftigt. Seit Dezember 2010 ist er Professor für Werkstoffprüftechnik in der Fakultät Maschinenbau der Technischen Universität Dortmund. Im Bereich der zerstörenden und zerstörungsfreien Werkstoff- und Bauteilprüfung beschäftigt er sich mit der mess- und prüftechnischen Ermittlung von Struktur-Eigenschaft-Beziehungen von Metallen und Verbundwerkstoffen unter Berücksichtigung der Einflussgrößen Fertigung, Korrosion und Betriebsbeanspruchung. Die Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens unter mechanischen, thermischen und chemischen Randbedingungen vom Low-Cycle-Fatigue(LCF)- bis Very-High-Cycle-Fatigue(VHCF)-Bereich sowie die Berechnung des Schädigungsfortschritts und der (Rest-)Lebensdauer stellen einen Forschungsschwerpunkt dar.

Literatur

1 P.Lukáš, M.Klesnil: Cyclic stress-strain response and fatigue life of metals in low amplitude region, Materials Science and Engineering11 (1973), S. 345–35610.1016/0025-5416(73)90125-0Search in Google Scholar

2 F.Curà, A. E.Gallinatti, R.Sesana: Dissipative aspects in thermographic methods, Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures35, 12 (2012), S. 1133–114710.1111/j.1460-2695.2012.01701.xSearch in Google Scholar

3 G.Meneghetti, M.Ricotta: The use of the specific heat loss to analyse the low- and high-cycle fatigue behaviour of plain and notched specimens made of a stainless steel, Engineering Fracture Mechanics81 (2012), S. 2–1610.1016/j.engfracmech.2011.06.010Search in Google Scholar

4 J.Polák: Electrical resistivity of cyclically deformed copper, Czechoslovak Journal of Physics B19 (1969), S. 315–32210.1007/BF01712868Search in Google Scholar

5 B.Sun, L.Yang, Y.Guo: A high-cycle fatigue accumulation model based on electrical resistance for structural steels, Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures30 (2007), S. 1052–106210.1111/j.1460-2695.2007.01175.xSearch in Google Scholar

6 F.Walther: Physikalisch basierte Messverfahren zur mikrostrukturbasierten Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens metallischer Werkstoffe, Habilitationsschrift an der Technischen Universität Kaiserslautern (2007), Werkstoffkundliche Berichte Band 19/2007, ISBN 3-932066-18-9, ISSN 1433-2744Search in Google Scholar

7 P.Starke, 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 & Fracture of Engineering Materials & Structures30 (2007), S. 1044–105110.1111/j.1460-2695.2007.01174.xSearch in Google Scholar

8 F.Walther, D.Eifler: Cyclic deformation behavior of steels and light-metal alloys, Materials Science and Engineering: A468–470 (2007), S. 259–26610.1016/j.msea.2006.06.146Search in Google Scholar

9 F.Walther, D.Eifler, U.Mosler, U.Martin: Deformation behaviour and microscopic investigations of cyclically loaded railway wheels and tires, Zeitschrift für Metallkunde (International Journal of Materials Research)96 (2005), No. 7, S. 753–76010.3139/146.101098Search in Google Scholar

10 P.Starke, F.Walther, D.Eifler: PHYBAL – Short-time calculation of Woehler curves of wheel steels, ZEV rail Glasers Annalen133 (2009), No. 6–7, S. 251–255Search in Google Scholar

11 J. D.Morrow: Cyclic plastic strain energy and fatigue of metals, ASTM-Internal Friction, Damping and Cyclic Plasticity STP378 (1964), S. 45–8710.1520/STP43764SSearch in Google Scholar

Online erschienen: 2018-05-16

Erschienen im Druck: 2015-01-05

You are currently not able to access this content.

Articles in the same Issue

https://doi.org/10.3139/120.110681