2. Uluslar arası Raylı Sistemler Mühendisliği Sempozyumu (ISERSE 13), 9-11 Ekim 2013, Karabük, Türkiye H. WENDEL S40 RAY ÇELĠĞĠNDE YORULMA ÇATLAKLARININ MĠKROYAPISAL KARAKTERĠZASYONU Mustafa ÇÖL a, Funda Gül KOÇ b,*, Rıdvan YAMANOĞLU c a Kocaeli Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği, Kocaeli, Türkiye, mcol@kocaeli.edu.tr b, * Kocaeli Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği, Kocaeli, Türkiye, funda.demircan@kocaeli.edu.tr c Kocaeli Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği, Kocaeli, Türkiye, ryamanoglu@kocaeli.edu.tr Özet Bu çalıģmada, 1970 yılında inģa edilen, çalıģmıģ bir ray çeliğinde meydana gelen yorulma çatlaklarının ray kesitinde ve yüzeyinde oluģumu ve etki mekanizmaları karakterize edilmiģtir. Burada ray malzemede yorulma çatlaklarının oluģtuğu yüzeye yakın ve herhangi bir plastik deformasyonunun olmadığı iç bölgeler mikroyapısal değiģim ve sertlik profil ölçümleri ile karģılaģtırılmıģtır. Ġnceleme sonucunda elde edilen bilgiler ray malzemenin kullanım sonrası merkez ve kenar kısımlarında farklı geliģmiģ bir mikroyapı ve bunun getirdiği farklı mekanik özellikleri göstermiģtir. Burada malzemede düģük miktarda ön ötektoid ferritin bulunduğu, genel olarak yapının perlitik olduğu gözlemlenmiģtir. Rayın yüksek miktarda aģınmıģ bölgesinde yapılan incelemelerde yüzeyden 10 mm derinliğe kadar olan kısımda çalıģma sırasında tekerlek ve ray arasındaki yüksek sürtünmeden dolayı oluģmuģ yoğun plastik deformasyon bölgesi gözlemlenmiģtir. Anahtar kelimeler: Perlitik ray çeliği, yorulma çatlakları, mikroyapısal karakterizasyon Abstract In this study, which was built in 1970, the formation of fatigue cracks on the surface of used rail steel and their mechanism of actions have been characterized. Fatigue cracks occur near the surface and there is no plastic deformation of the inner regions compared with microstructure changes and hardness profile measurements. The results showed that the head of the rail steel has different structure compared with the core of the material. The main structure of the steel was determined as pearlitic with small amount of pro-eutectoid ferrite. Dense plastic deformation was observed from the surface to the depth of 10 mm due to high friction between wheel and rail. Keywords: Pearlitic rail steel, fatigue cracks, microstructural characterization 1. Giriş Demir yolu taģımacılığında meydana gelen kazaların önlenmesi ve kontrolü demir yolu raylarının ve tren tekerlerinin mikroyapısal ve mekanik özelliklerinin kontrolü ile mümkündür [1]. Tren yolu akslarında, raylarda veya tren tekerleklerinde meydana gelebilecek hasar ya da kırılma vb. durumlar hayati ve maddi olarak felaketle sonuçlanabilecek kazalara sebep olurlar. Günümüzde ray çelikleri üzerine yapılan çalıģmaların çoğu yorulma ve aģınmaların sonucu olarak meydana gelen ray hasarlarını önlemeye yöneliktir [2,3,4]. Tren raylarında en yoğun görülen hasar mekanizmalarından birisi olan yorulma hasarı, tren hızlarındaki artıģ, daha yüksek aks yükleri ve daha yüksek trafik yoğunluğu gibi nedenlerden dolayı günümüzde olduğu gibi gelecekte de önemini sürdürecektir. Teker ve ray arasındaki 1 GPa a kadar artabilen temas basıncı ve yüzlerce MPa a ulaģabilen yüzey kayma gerilimleri raylarda plastik deformasyonlara sebep olabilir. Rayın yüzey özellikleri, mikroyapısal ve mekanik özellikleri servis koģulları sırasında ray malzemesinde meydana gelebilecek hasar mekanizması ve rayın aģınma direnci üzerinde önemli etkiye sahiptirler. Servis koģulları sırasında oluģan yüksek ve tekrarlı yüklenmeler rayın tekerle temas ettiği yüzeyde mikro ve makro çatlak oluģumuna sebep olur. OluĢan çatlaklar yaklaģık 20-30º lik bir açıyla ağır deforme olmuģ yüzeyden yayılırlar. Bu çatlakların zamanla
ray yüzeyinde pul pul dökülmelere neden olması beklenir. Ray yüzeyinde oluģan çatlaklar fark edilmezse rayın kırılmasına sebep olabilir [1,5,6,7]. Bu günün modern ray çelikleri yüksek mukavemet ve aģınma direnci sağlayan perlitik yapıya sahiptirler. Bu çelikler, ray malzemesinin özelliklerinin (tane boyutu, ön ötektoid ferrit içeriği, perlit lameller arası mesafesi vb.) geliģtirilmesine yardımcı olan geniģ bir kompozisyon ve ısıl iģlem aralığına sahiptirler [8,9,10]. Ġnceleme ve araģtırma kapsamında ġekil 1 de verilen, yaklaģık olarak 40 yıl sürenin üzerinde çalıģmıģ bir ray çeliğinin kesit ve yüzeyinde meydana gelen yorulma çatlaklarının mikroyapısal karakterizasyonu yapılmıģtır. 2. Deneysel Çalışma ġekil 1. Ġncelenen ray çeliği (H.Wendel, 1970 S 40) ÇalıĢmada kullanılan ray çeliğinin kimyasal kompozisyonu Çizelge 1 de verilmiģtir. Bu kimyasal bileģim ile malzemenin yalın karbonlu ötektoit bileģimde bir alaģımsız çelik olduğunu söylemek mümkündür. ġekil 2 de makro görüntüsü verilen ray profilinin mantar kısmı kesilerek incelenmek üzere numune alınmıģtır. Metalografik olarak hazırlanan numune %3 lük nital (%3 HNO 3 + %97 C 2 H 5 OH) ile 10-15 saniye süre dağlanmıģtır. Mikroyapı incelemeleri ıģık mikroskobu (Zeiss Axiotech) ve tarama elektron mikroskobu (Jeol JSM 6060) kullanılarak yapılmıģtır. Mikroyapı incelemeleri sonrası numuneye Future-Tech Vickers sertlik cihazı kullanılarak 10 kg yük altında sertlik testi uygulanmıģtır. Çizelge 1. ÇalıĢmada kullanılan ray çeliğinin kimyasal kompozisyonu Kimyasal Kompozisyon, Ağırlıkça % C Si Mn Cr Mo P S Fe 0.74 0.25 1.09 0.03 0.02 0.07 0.02 Kalan ġekil 2. Ray profili
ġekil 2 de makro görüntüsü verilen ray profilinde rayın tren tekeri ile sürekli temas eden sol bölgesinde zamana bağlı olarak meydana gelen aģınma gözlenmektedir. AĢınma sonucu rayın mantar kısmındaki sol bölgenin düzleģerek rayın simetrisinin bozulduğu görülmektedir. ġekil 3.a da yüzeyden yaklaģık 0,3 mm kadar inen çatlağın genel görünümü çatlak içi oksidasyon ve çatlağa paralel olarak uzanan yoğun deformasyonla birlikte oluģan mikroyapı oluģumu görülmektedir. Çatlak içinde yoğun oksidasyon olduğu için çatlak nedeni olan ön ötektoid ferrit oluģumu gözlenememesine karģın ġekil 3.b de yoğun deformasyon sonucu yönlenmiģ ön ötektoid ferrit oluģumu görülmektedir. ġekil 3.c de ise ray mantarının merkezinde herhangi bir deformasyonun bulunmadığı bölgedeki perlitik yapı ve tane sınırlarında ön ötektoid ferrit oluģumu görülmektedir. ġekil 3. Numunenin ıģık mikroskop görüntüleri a-b) yüzeye yakın bölge, c) merkez bölgesi ġekil 4 te verilen sertlik diyagramında rayın tekerlekle temas eden yüzeylerinde zamanla meydana gelen deformasyon nedenli sertlik artıģları olduğu, ray yüzeyinden yaklaģık 10 mm uzaklıkta malzemenin orjinal sertlik değerine ulaģıldığı görülmektedir. Malzemenin sertliği 300 HV civarında iken ray yüzeyinde sertlik 360 HV olarak ölçülmüģtür. Ray üzerinde en çok yükü taģıyan kısımlar rayın sağ ve sol köģe bölgeleridir. Dolayısıyla bu kısımlar daha fazla sürtünmeye maruz kalan bölgeler olduğu için orta bölgeye göre daha fazla yüzey sertliğine sahiptirler. ġekil 4 te 1. ve 3. bölgelerde sertliğin 2 nolu bölgeye göre bir miktar daha yüksek olması bu durumdan kaynaklanmaktadır.
ġekil 4. Rayın sağ-sol ve orta yüzeyinden merkezine doğru sertlik değiģimi ġekil 5 te rayın en yüksek yüklenme ve sürtünmelere maruz kalan köģe bölgesinin üst yüzeyinde yapılan SEM incelemeleri verilmiģtir. Yapılan incelemelerde sürtünmeye ve yoğun deformasyona bağlı olarak yüzeyde yer yer parça kopmalarının meydana geldiği görülmektedir. Bu bölgeler tekrarlı yüklere maruz kalan ray çeliklerinde yorulma çatlak baģlangıç yöreleri olarak rol oynamaktadır. Tren tekerleklerinin raya belirli hız ve yüklenme altında temas etmesi ile birlikte meydana gelen sürtünme sonucu bölgesel olarak sıcaklık artıģı meydana gelmekte ve sürekli ısınma ile birlikte o bölgenin yorulma direnci azalmaktadır. ġekil 5. Rayın yoğun sürtünmeye maruz kalan bölgesinin SEM görüntüleri ġekil 6 da rayın ġekil 5 te verilen yoğun sürtünmeye maruz kalan üst yüzeyinden baģlayarak içeri doğru ilerleyen çoklu çatlak oluģumları ve çatlağa paralel olduğu görülen deformasyon oluģumları görülmektedir.
ġekil 6. Ray yüzeyinden baģlayarak merkeze doğru ilerleyen yorulma çatlaklarının SEM görüntüleri 3. Sonuçlar Ray üzerinde en çok yükü taģıyan kısımlar mantar bölgesindeki köģe kısımlardır. Yapılan çalıģmada rayın sol kısmı ile tekerlek sürekli sürtünme halinde olduğundan zamanla rayın bu bölgesinin aģınarak düzleģtiği ve rayın simetrik geometrisinin bozulduğu görülmüģtür. Sertlik ölçümlerinde rayın mantar kısmında yüzey ve yüzeye yakın yerlerde belirli mesafeye kadar gözlemlenen sertlik artıģının bu bölgenin maruz kaldığı yoğun deformasyon sonucu oluģan deformasyon sertleģmesinden kaynaklandığı söylenebilir. Tekrarlı yüklere ve yoğun sürtünmeye maruz kalan ray çeliklerinde zamanla yorulma çatlaklarının gözlemlenmesi son derece doğaldır. Bu nedenle rayın yorulma ömrünün belirlenerek, emniyet faktörü açısından herhangi bir hasar oluģmadan yenilenmesi son derece önemlidir. Ayrıca rayın sahip olduğu mikroyapısal özellikleri de çatlak baģlangıç ve ilerlemesinde önemli bir rol oynar. Yorulma sonucu yüzeyde oluģan bir çatlak malzeme içerisinde daha az enerji harcamak amacıyla mikroyapısal olarak zayıf karakteristiğe sahip bölgelerden ilerleme gösterecektir. Malzeme içerisinde var olan tane sınırları ve ön-ötektoid ferrit gibi yöreler çatlak ilerlemesi için ideal yörelerdir. ġu anki mevcut teknolojide bu tür ferrit oluģumlarına izin verilmemekle birlikte en fazla zorlanmalara maruz kalan ray mantar bölgesinin yüzey ve köģelerinin daha üstün mekanik özelliklere sahip olması için mantar sertleģtirme iģlemleri uygulanmaktadır. Kaynaklar [1] Jiraskova, Y., Svoboda, J., Schneeweiss, O., Daves, W., Fischer, F.D., Microscopic investigation of surface layers on rails, Applied Surface Science, vol. 239, 132-141, 2005. [2] Zerbst, U., Madler, K., Hintze, H., Fracture mechanics in railway applications - an overview, Engineering Fracture Mechanics, vol. 72, 163-194, 2005. [3] Zerbst, U., Lunden, R., Edel, K.O., Smith, R.A., Introduction to the damage tolerance behaviour of railway rails a review, Engineering Fracture Mechanics, vol. 76, 2563-2601, 2009. [4] Stock, R., Pippan, R., RCF and wear in theory and practice The influence of rail grade on wear and RCF, Wear, vol. 271, 125-133, 2011. [5] Pal, S., Valente, C., Daniel, W., Farjoo, M., Metallurgical and physical understanding of rail squat initiation and propagation, Wear, vol. 284-285, 30-42, 2012. [6] Pal, S., Daniel, W.J.T., Valente, C.H.G., Wilson, A., Andrej, A., Surface damage on new AS60 rail caused by wheel slip, Engineering Failure Analysis, vol. 22, 152-165, 2012. [7] Franklin, F.J., Garnham, J.E., Fletcher, D.I., Davis, C.L., Kapoor, A., Modelling rail steel microstructure and its effect on crack initiation, Wear, vol. 265, 1332-1341, 2008. [8] Zapata, D., Jaramillo, J., Toro, A., Rolling contact and adhesive wear of bainitic and pearlitic steels in low load regime, Wear, vol. 271, 393-399, 2011.
[9] Hernandez, F.C.R., Demas, N.G., Davis, D.D., Polycarpou, A.A., Maal, L., Mechanical properties and wear performance of premium rail steels, Wear, vol. 263, 766-772, 2007. [10] Garnham, J.E., Davis, C.L., The role of deformed rail microstructure on rolling contact fatigue initiation, Wear, vol. 265, 1363-1372, 2008.