Understanding of tribomutation in ferritic / pearlitic steel

Abstract

Durch die unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften von ferritischen/pearlitischen Stählen kommt es bei tribologischer Beanspruchung zu komplexen Verformungsvorgängen an der Oberfläche. Um diese verstehen zu können, werden in dieser Arbeit die Ergebnisse unterschiedlicher Analyseverfahren kombiniert. Speziell durch die Kombination von der Phaseninformation aus lichtmikroskopischen Aufnahmen mit der Darstellung der plastischen Verformung mittels Elektronenrückstreubeugung (EBSD) konnte der Anteil der Phasen an der Verformung qualitativ verglichen werden. Die Ergebnisse konnten durch Berechnungen von Spannungs-Dehnungs-Diagrammen der einzelnen Phasen bestätigt werden. Zudem wurde der Einfluss tribologischer Parameter auf die plastische Verformung untersucht. Dabei konnten unterschiedliche Verschleißverhalten beispielsweise bei unterschiedlichen Viskositäten der Schmierstoffe erklärt werden. Durch die Analyse der Eigenspannungen bei Schwing-Reib-Versuchen konnte die Richtung des Risswachstums, parallel zur Bewegungsrichtung, durch transversale Zugspannungen erklärt werden. Abschließend wurden die gewonnenen Erfahrungen genutzt um die Frühschädigung von Schienenwerkstoffen im Rad-Schiene-Kontakt zu untersuchen. Dabei wurden zwei unterschiedliche Verhalten bei einem ferritischen/perlitischen Stahl und einem rein perlitischen Stahl gefunden. Darauf basierend wurde ein Model der Frühschädigung für diese beiden Werkstoffe entwickelt.

Ferritic/pearlitic steels show a complex response to tribological stressing due to their different mechanical properties. In this work, different analysis methods are combined in order to achieve a better understanding of such processes. Especially the phase-information by optical microscopy combined with the strain information by electron backscatter diffraction (EBSD) enabled for a qualitative comparison of the plastic response of the two phases. The results are confirmed by calculated stress-strain curves of the phases. Additionally, the influence of tribological parameters was investigated regarding their impact on strain formation. This allows to understand the correlation of lubricant viscosity, strain formation and wear mechanisms. Moreover, the crack initiation in oscillation tests was correlated with tensile stresses perpendicular to the direction of movement measured by x-ray diffraction. Early-damage phenomena in rail materials subjected to wheel-rail-contact were analyzed using the gained experiences. Two different strain responses where found for ferritic/pearlitic and pearlitic steels. Based on these findings, a model was developed explaining the early-damaging mechanisms of the two steels.