Damage Tolerant Design Concepts for the Application of High strength Materials in Railway Switch Components

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Organisationseinheiten

Abstract

Weichenbestandteile, im Speziellen Zungenschienen, sind hochbeanspruchte Schienenbauteile. Diese Beanspruchung entsteht durch kleine Biegeradien im Herstellungsprozess und im Betrieb durch hohe dynamische Kräfte während des Wechsels des Radkontaktes von der Backen- auf die Zungenschiene. Diese hohen Belastungen fordern die Verbesserung der Verschleißfestigkeit und den Einsatz hochfester Materialien. Bei Verwendung neuer Materialien sind neue Auslegungskonzepte und der Vergleich zu den Herstellungsprozessen der derzeitig verwendeten Materialien notwendig. In der vorliegenden Arbeit werden dazu abgeänderte und neue Schädigungskonzepte für das statische Versagen im Biegeprozess und der dynamischen Schädigung im Betrieb untersucht. Dies wird anhand von vier unterschiedlichen Materialien mit verschiedenen Zugfestigkeiten und Mikrostrukturen durchgeführt. Zur Entwicklung eines Schädigungsparameters für den Biegeprozess wurden Proben mit unterschiedlichen Risslängen bis hin zum statischen Versagen getestet. Unter Berücksichtigung der Last und der Fehlergröße wurde ein neues Konzept, das statisch dehnungsbasierende Kitagawa-Takahashi Diagramm, entwickelt. Dabei wird die nominelle Dehnung in der Randfaser bei Biegung über die Fehlergröße aufgetragen. Die Bruchdehnung wird dabei über bruchmechanische Ansätze, genauer gesagt mit dem J-integral als risstreibende Kraft, verwendet und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Für die Beurteilung von zyklisch belasteten Bauteilen werden zwei Ansätze verglichen. Einerseits wird das Smith Diagramm für verschiedene Belastungen und Oberflächenbeschaffenheiten in einem spannungsbasierenden Konzept verwendet. Zusätzlich werden die berechneten Fehlerkurven mit Dauerfestigkeitsexperimenten für verschiedene Belastungen und Oberflächenqualitäten miteinander verglichen. Andererseits wird im bruchmechanischen Konzept, unter Berücksichtigung von Rissen, das Kitagawa-Takahashi Diagramm zur Beurteilung der ertragbaren Spannungsschwingbreite für die verschiedenen Werkstoffe und Spannungsverhältnisse dargestellt. Des Weiteren wurde für die analytische Berechnung des Rissfortschrittes eine erweiterte Geometriefunktion entwickelt, welche die Berechnung der Spannungsintensität für halb-elliptische Risse nahe der Probenoberfläche unter Zug und Biegung um zwei Achsen ermöglicht. Zusätzlich wurde der Einfluss der Spannungsintensität einer Kerbe auf das Kurzrisswachstum anhand von Experimenten untersucht. Dazu wurde ein erweitertes Verfahren anhand der Potentialmessmethode zur Abschätzung der Risslänge von halb-elliptischen Rissen entwickelt. Die experimentellen Ergebnisse werden dann unter Berücksichtigung der plastischen Verformung vor der Kerbe mit den analytisch berechneten Ergebnissen verglichen.

Details

Titel in ÜbersetzungSchadenstolerante Auslegungskonzepte für den Einsatz hochfester Materialien in Weichenbauteilen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2017