DE3250083C2 - Gerichtete Eisenbahnschienen - Google Patents

Gerichtete Eisenbahnschienen

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DE3250083C2
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rail
rails
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stress
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DE3250083A
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English (en)
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Raymond-Yves Deroche
Yves Bourdon
Andre Faessel
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SOGERAIL S.A., HAYANGE, FR
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UNIMETALL SA
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    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/10Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the whole cross-section, e.g. of concrete reinforcing bars
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21DWORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D3/00Straightening or restoring form of metal rods, metal tubes, metal profiles, or specific articles made therefrom, whether or not in combination with sheet metal parts
    • B21D3/12Straightening or restoring form of metal rods, metal tubes, metal profiles, or specific articles made therefrom, whether or not in combination with sheet metal parts by stretching with or without twisting

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf gerichtete Eisenbahnschienen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Herkömmliche Eisenbahnschienen aus üblichen oder extra-harten Schienenstahllegierungen haben nach dem Richten hohe innere Restspannungen, die auf folgende Ursachen zurückzuführen sind:
Nach dem Walzen wird die noch warme und gegenüber Verformungen empfindliche Schiene einer Reihe von Handhabungen und Behandlungen ausgesetzt wie beispielsweise dem Transport auf Rollenstraßen, dem Trennen und Abschaben, die zu Formänderungen führen können. Die Kühlung ist gleichfalls eine Ursache erheblicher Formänderungen, obwohl alle Vorkehrungen getroffen werden, um diese zu verringern oder zu vermeiden. Die ungleichmäßige Kühlung der verschiedenen Teile der Schiene, deren Profil im Hinblick auf seine beiden Hauptebenen nicht symmetrisch ist, führt dazu, daß die aus dem Kühlbett herauskommende Schiene eine mehr oder weniger deutliche Krümmung aufweist, die von den Abkühlbedingungen abhängig ist. Die Länge der Fasern des Kopfes, Steges und des Fußes der Schiene sind unterschiedlich. Unabhängig davon, welche Vorkehrungen man für die Vermeidung oder Verringerung der durch die Kühlung bedingten Krümmung trifft, ist es im industriellen Maßstab unmöglich, am Ausgang des Kühlbetts 100% an Schienen zu erhalten, die ausreichend gerade sind, um sie als fertige Eisenbahnschienen ausliefern zu können. Die durch das asymmetrische Profil bedingte, unvermeidbar ungleichmäßige Kühlung der Schiene ist andererseits die Ursache für Restspannungen, die die Ausbildung von Rissen begünstigen können, wenn die Schiene sich auf dem Bahndamm befindet. Dies gilt insbesondere für extra-harte Schienen, wie man sie für hochbelastete Schienennetze verwendet (beispielsweise für Schienen im Bergbau oder Schienennetze für den Transport von schweren Lasten).
Gegebenenfalls vor dem Durchlauf durch das Kühlbett vorgenommene Wärmebehandlungen der Schienen, die sich auf das gesamte Profil oder einen Teil davon erstrecken, vergrößern die Gefahr von Verformungen und großen Restspannungen. Selbst weniger strenge Vorschriften für die Herstellung der Schienen ermöglichen es nicht mehr, die Schienen in einem Richtzustand auszuliefern, wie er am Ausgang des Kühlbetts vorliegt, so daß es unerläßlich ist, die Schienen zu richten. Bei jedem Richtvorgang ist es erforderlich, das zu richtende Metall einer Spannung auszusetzen, die oberhalb der Streckgrenze liegt, so daß die Schienen wenigstens örtlich begrenzt im plastischen Bereich verformt werden.
Bis heute verwendet man zwei zum Stand der Technik gehörende Richtmaschinen. Die älteste Richtmaschine ist eine Presse, in der ein zu richtender Teil der Schiene auf Ambosse aufgelegt wird. Ein in vertikaler Richtung beweglicher Pressenkolben, an dem ein den Schienenabmessungen angepaßter Preßstempel befestigt ist, verformt durch Druck den betreffenden Teil der Schiene und gibt ihm eine entgegengesetzte Krümmung. Seitlich angeordnete Ambosse und Kolben ermöglichen es nach dem selben Prinzip, die Schiene auch seitlich zu richten. Die Bedienungsperson der Presse bestimmt die zu richtenden Teile auf visuellem Wege und kontrolliert nach jedem Pressenhub die erzielte Geradlinigkeit mit einem Lineal. Dieses Richtverfahren, das eine erfahrene Bedienungsperson erforderlich macht, bedingt für die verschiedenen Teile der Schiene eine Vielzahl von Pressenhüben und ist gewaltsam und kostspielig. Das erzielte Ergebnis entspricht nicht mehr den Anforderungen moderner Schienennetze.
Im allgemeinen wird heutzutage die Presse nur mehr als Ergänzung des Richtens durch eine Rollenrichtmaschine angewandt, die den zweiten Typ der Richtmaschine darstellt. Diese Maschinen richten die Schienen in Richtung einer oder zweier Ebenen für die Trägheitsmomente der Schienen und besitzen im allgemeinen zwischen fünf und neun Rollen. Zwischen diesen wird die Schiene alternierend Verformungen in entgegengesetzter Richtung ausgesetzt. Die oberen, angetriebenen Rollen bewegen die Schiene und unterwerfen sie zusammen mit den unteren, nicht angetriebenen Rollen den besagten entgegengesetzten Verformungen. In dem durch die ersten drei Rollen gebildeten Dreieck wird der Schiene zur Korrektur eine erste Verformung aufgezwungen, die von der ursprünglichen Verformung unabhängig ist. Innerhalb des zweiten Dreiecks, das durch die zweite, dritte und vierte Rolle gebildet wird, erhält die Schiene eine zur ersten Verformung entgegengesetzte Verformung. Die fünfte sowie die folgenden Rollen haben die Aufgabe, die Schiene durch entsprechende alternierende Verformungen gerade zu richten. Die Enden der Schiene sind auf einer bestimmten Länge nicht gerichtet, die dem Achsabstand der Rollen entspricht. Diese Enden müssen infolgedessen mittels einer Presse gerichtet werden. Das mittels Rollen durchgeführte Richtverfahren unterwirft bestimmte Fasern des Metalls nacheinander Zug- und Druckspannungen. Am Ausgang der Rollenrichtmaschine befindet sich der Steg der Schiene unter einer in Längsrichtung verlaufenden elastischen Druckspannung, während Kopf und Fuß unter einer in Längsrichtung verlaufenden Zugspannung stehen. Diese inneren Spannungen sind auf das Richten durch Rollen zurückzuführen. Unabhängig von anfänglichen Richtzustand der Schienen am Ausgang der Kühleinrichtung unterliegen die Schienen in den Rollenrichtmaschinen beträchtlichen Verformungen, die zu den folgenden Nachteilen führen:
  • - merkliche Verkürzung der Schiene,
  • - Verringerung der Höhe des Schienenprofils,
  • - Vergrößerung der Breite von Kopf und Fuß der Schiene,
  • - systematische Unterschiede der Schienenabmessungen zwischen den nicht durch die Rollen bearbeiteten Enden und dem bearbeiteten Mittelstück der Schienen,
  • - häufig auftretende Notwendigkeit, das Richten der Enden auf einer Presse zu beenden, was eine leichte Vieleckbildung an den Enden verursacht, wodurch es unmöglich ist, eine vollkommene Fortsetzung der Geradlinigkeit mit dem Mittelstück der Schiene zu erzielen,
  • - bei allen Schienen systematische Erzeugung von Spannungen, die die Ausbreitung von Rissen begünstigen,
  • - Gefahr der Entstehung von Sprödrissen in den Übergängen des Steges zum Kopf und zum Fuß. Es handelt sich um innere Risse, die mit dem Auge nicht wahrnehmbar sind und ein potentielles Risiko schwerer Unfälle darstellen,
  • - Gefahr der Entstehung sinus-ähnlicher Wellen mit mehr oder weniger großer Amplitude auf dem Schienenkopf aufgrund von schwer zu vermeidenden Exzentrizitäten der Rollen. Diese Wellen können bei hohen Fahrgeschwindigkeiten auf dem Schienenstrang eine mehr oder weniger große Unruhe verursachen.
Die Richtverfahren mittels Rollen, ggf. durch Richtverfahren mittels Pressen ergänzt, ermöglichen die Einhaltung der heutzutage bei der Schienenherstellung anzuwendenden Normen nur unter Inkaufnahme einer äußersten Sorgfalt und hoher Herstellkosten. Die Norm UIC 860 schreibt beispielsweise eine Geradheit des Materials mit einer maximalen Durchbiegung von 0,7 mm auf einer Länge von 1,5 m für die Schienenenden vor, wobei die Geradlinigkeit im Hinblick auf den Schienenkörper mit dem Auge beurteilt wird. Für Schienen, die für Hochgeschwindigkeitsstrecken (T.G.V.) vorgesehen sind, auf denen Züge mit einer Reisegeschwindigkeit von 260 km/h fahren (Schienenstränge, auf denen eine Geschwindigkeit von 380 km/h erreicht worden ist), werden die Vorschriften gemäß der Norm UIC 860 durch folgende zusätzliche Vorschriften ergänzt:
  • - maximale Durchbiegung von 40 mm für Schienenlängen von 18 m und von 160 mm für Schienenlängen von 36 m,
  • - senkrechte Amplitude der Wellen in der Schienenlauffläche kleiner als 0,3 mm,
  • - horizontale Amplitude der querverlaufenden Wellen des Schienenkopfs kleiner als 0,5 mm,
  • - Ausrichtung der Enden zum Mittelteil der Schiene in vertikaler Richtung, definiert durch eine maximale Auslenkung von 0,3 mm, gemessen mit einem Lineal von 3 m Länge, welches, ausgehend von den Enden, auf der Lauffläche aufliegt.
Die Erfindung dieser zusätzlichen Normen, die die Ausnutzung der Rollenrichtmaschinen und der Pressen bis an die Grenze ihrer Möglichkeiten erforderlich macht, erhöht die Kosten der Richtbehandlung.
Es wurde bereits vorgeschlagen, irgendwelche Metallprofile durch Ziehen zu richten (FR-PS 573 675 vom 23. 02. 1923). Bei diesem bekannten Verfahren wird ein mehr oder weniger verformtes Profil dadurch gerichtet, daß man es in der Weise streckt, daß seine Fasern regelmäßig gelängt werden, bis die Streckgrenze des Metalls erreicht und sogar überschritten wird. Man weiß auch, daß das Strecken eines Metalls seine Härte erhöht, währenddessen die Eigenschaften der Streckbarkeit und der Kerbzähigkeit durch merkliche Verformungen beim Strecken verringert werden. Dabei ist es insbesondere die Zähigkeit, die bei einer Eisenbahnschiene wichtig ist. Dies ist vermutlich der wesentliche Grund, der den Fachmann bis heute daran gehindert hat, das Verfahren des Streckens oder Ziehens beim Richten der Schienen anzuwenden.
Aus wirtschaftlichen Gründen setzt man zunehmend Schienen aus hartem Stahl ein, der schon aufgrund seiner Zusammensetzung spröde ist und härtende Elemente enthält, darunter insbesondere Kohlenstoff. Es ist bei dieser Art von Schienen festgestellt worden, daß die Geschwindigkeit der Ausbreitung von Ermüdungsrissen erhöht ist. Man weiß, daß das Phänomen der Werkstoffermüdung dann entsteht, wenn die Restspannungen einen hohen Betrag erreichen. Aus der nachfolgenden Tabelle ist zu entnehmen, daß bei Schienen, die mittels Walzen gerichtet wurden, die inneren Spannungen folgende Beträge erreichen:
Durch den Aufsatz von Schweitzer und Heller "Rißzähigkeit, Eigenspannungen und Bruchsicherheit von Schienen", veröffentlicht in "Tech. Mitt. Krupp Werksberichte", Bd. 39 (1981) Heft 1, S. 33 bis 41, ist es bekannt, Eisenbahnschienen mit Rollenrichtmaschinen zu richten und die solcher Art gerichteten Schienen alternativ entweder nachfolgend über sechs Stunden bei 550°C spannungsarm zu glühen oder ohne Nachbehandlung aus der Walzhitze abzukühlen. Bei den lediglich gerichteten Rollenmaschinen wurden sehr hohe Längseigenspannungen am Schienenfuß sowie am Schienenkopf beobachtet. Bei den unbehandelten Schienen wurden zwar wesentlich geringere Längseigenspannungen gemessen, jedoch waren diese Schienen für den Fahrbetrieb nicht brauchbar. Bei den gerichteten und spannungsarm geglühten Schienen haben die Autoren festgestellt, daß die Eigenspannungen nahezu oder tatsächlich gleich Null sind, und daß derartige Schienen bei gleicher Rißtiefe eine größere von außen aufgebrachte Spannung ertragen, bevor sie spröde brechen. Es ist jedoch bekannt, daß beim Richten von Schienen mittels Richtwalzen ungerichtete Schienenenden entstehen, die abgetrennt werden müssen, und daß die Schienen nach dem Spannungsarmglühen nicht mehr ausreichend gerade für den Fahrbetrieb sind. Im Ergebnis kommen die Autoren zu dem Schluß, daß sich damals die Forderungen nach ausreichender Geradheit der Schienen und gleichzeitiger Freiheit von Eigenspannungen nicht verwirklichen ließen. Damit war auch die Lösung der Aufgabe nicht möglich, die Gefahr von Sprödbrüchen zu vermeiden, wenn man Eisenbahnschienen ausreichender Geradlinigkeit erhalten wollte. Aber auch dann war es noch erforderlich, die Schienenenden nach dem Richten mittels Rollen abzutrennen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Eisenbahnschienen anzugeben, die hohe Achslasten und/oder hohe Fahrgeschwindigkeiten bei verringerter Gefahr einer Ausbildung von Sprödbrüchen aushalten, insbesondere von Sprödrissen, die in den Hohlkehlen an den Verbindungsstellen des Steges mit dem Fuß und dem Kopf auftreten können.
Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht erfindungsgemäß in einer gerichteten Eisenbahnschiene mit den Merkmalen im Kennzeichen des Patentanspruchs 1.
Zum Unterschreiten der angegebenen Grenzwerte ist es mithin erforderlich, daß man die Eisenbahnschienen einer Zugspannung aussetzt, die oberhalb der 0,2%-Dehngrenze (Streckgrenze) des Schienenstrahls liegt und eine vollständige plastische Verformung der gesamten Schiene bewirkt.
Aufgrund dieser, vollständig im plastischen Bereich liegenden Verformung der Schiene durch Zug werden durch den Richtvorgang nicht nur keine zusätzlichen Restspannungen erzeugt, sondern bereits vorhanden gewesene Restspannungen werden abgebaut.
Im Gegensatz zum Stande der Technik zeichnet sich die erfindungsgemäß gerichtete Eisenbahnschiene durch folgende Vorteile aus:
  • - hohe Sicherheit gegen Sprödbruch,
  • - keine Verkürzung der Schiene,
  • - keine Verringerung der Höhe des Schienenprofils,
  • - keine Vergrößerung der Breite von Kopf und Fuß der Schiene,
  • - keine Unterschiede zwischen dem Schienen-Mittelstück und den Schienenenden,
  • - kein zweiter Richtvorgang auf einer Presse,
  • - keine Vieleckbildung an den Enden,
  • - keine Gefahr der Entstehung sinusähnlicher Wellen mit mehr oder weniger großer Amplitude auf dem Schienenkopf aufgrund von schwer zu vermeidenden Exzentrizitäten der Rollen.
Anders ausgedrückt gewährleistet eine Restdehnung der Schiene von 0,3% nach der Aufhebung der Zugbelastung die vorstehend angegebenen Vorteile. Die Absenkung der inneren Restspannungen der Schiene auf niedrige Werte verbessert die Zähigkeit und das Ermüdungsverhalten der Schiene. Wenn die Schiene auf dem Bahnkörper liegt wird sie u. a. durch Spannungen beaufschlagt, die von den langen geschweißten Schienensträngen sowie vom Fahrverkehr herrühren. Solange, wie die Überlagerung dieser Spannungen nicht die Grenze der Dauerfestigkeit überschreitet, führen evtl. bereits vorhandene Anrisse in der Schiene nicht zu deren Bruch. Daraus ergibt sich das Interesse an Schienen mit inneren Restspannungen, die so gering wie möglich sind.
Es hat sich herausgestellt, daß die vorhandenen Restspannungen nicht mehr merklich verringert werden können, sobald die Gesamtheit des die Schiene bildenden Materials einer völlig plastischen Verformung ausgesetzt worden ist. Infolgedessen ist es nicht erforderlich, die Schiene solchen Zugspannungen auszusetzen, die zu einer Restdehnung oberhalb 1,5% führend.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften einer solchen Eisenbahnschiene sind in den Unteransprüchen 2 und 3 angegeben.
Eigenschaften und Vorteile des Erfindungsgegenstandes werden anhand der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Fig. 1-9 erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Schiene unter Hervorhebung ihrer Einzelheiten wie der neutralen Ebene XX′ (neutrale Faser) und ihrer vertikalen Symmetrieebene YY′,
Fig. 2a eine perspektivische Darstellung einer aus dem Kühlbett kommenden Schiene,
Fig. 2b eine Seitenansicht der gleichen Schiene,
Fig. 3 ein Spannungs-Dehnungsdiagramm für Stahl, welches die Kurve der Spannungen in Abhängigkeit von der erzielten Dehnung zeigt,
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Verringerung der Restspannungen in den verschiedenen Teilen der Schiene in Abhängigkeit von der Restdehnung ε,
Fig. 5 im oberen Bereich (eingerahmt) einen Schienen­ abschnitt, der auf einer Länge L durch einen Sägeschnitt eingeschnitten ist und für einen Test zur Feststellung des Vorhandenseins innerer Spannungen verwendet wird, sowie darunter ein Diagramm, welches die Ergebnisse eines em­ pirischem Vergleichs des Zustandes der Rest­ spannungen aufgrund einer Durchtrennung des Steges und der Auslenkung des Schienenkopfes am Schienen­ ende darstellt, und zwar für ungerichtete, rollen­ gerichtete und erfindungsgemäß gerichtete Schienen,
Fig. 6a und 6b die Bruchflächen einer naturharten Schiene B nach UIC, die in bekannter Weise mittels Rol­ len gerichtet wurde (Fig. 6a) sowie einer Schiene der gleichen Stahlsorte, die durch Strecken gerichtet wurde (Fig. 6b). Fig. 6b zeigt, daß die Fläche des Ermüdungsbruchs vor dem Gewalt­ bruch der gestreckten Schiene größer ist als die Fläche des Ermüdungsbruchs einer mittels Rollen gerichteten Schiene, die eine eindeutig größere Sprödigkeit aufweist,
Fig. 7 Kurven 11 und 12 für die Rißbildung zum Ver­ gleich der Ausbreitung von Rissen während der Biege-Wechselfestigkeitstests von Schienen der Stahlsorte extrahart-legiert (UIC naturhart, Rm kleiner als 1100 N/mm2). Es ist zu erkennen, daß das Ermüdungsverhalten der durch Strecken gerichteten Schiene (Kurve 12) besser ist als dasjenige der mittels Rollen gerichteten Schiene (Kurve 11),
Fig. 8a, 8b, 8c, 8d Bruchflächen von vier Proben einer extraharten legierten Schiene (Rm größer oder gleich 1080 N/mm2); und zwar gerichtet durch Rollen, durch Strecken, ungerichtet (unmittelbar aus dem Kühlbett), und gerichtet durch Rollen und nachfolgend durch Strecken. Daraus ist zu ersehen, daß das beschriebene Verfahren des Streckens jede Spur einer Sprödbrüchigkeit durch Rissebildung beseitigt,
Fig. 9 die entsprechenden Kurven für die Rißbildung an den Proben gemäß den Fig. 8a, 8b, 8c und 8d.
Eine Schiene 1, die aus einem Kühlbett austritt, weist eine Linkskrümmung auf (Fig. 2a und 2b). Die Längen der Fasern des Kopfes 2, des Stegs 3 und des Fußes 4 der Schiene, die den Fasern CC′, AA′ und PP′ entsprechen, sind voneinander verschieden. Es geht darum, die Schiene an jedem ihrer Enden einer Zugspannung auszusetzen, die für alle Fasern unter dem Einfluß einer Zugspannung ε, die größer ist als die 0,2%-Dehn­ grenze (in Fig. 3 bestimmt durch Rp 0,2), innerhalb des vollständig plastischen Bereichs des betreffenden Schienen­ stahls die gleiche Faserlänge herbeiführt. Der für diese Maßnahme notwendige Dehnungsgrad muß für die am wenigsten unter Spannung stehende Faser größer sein als der entsprechende Dehnungsgrad am Knick bzw. Anfang des Fließens des Stahls. Infolgedessen wird auf die zu richtende Schiene eine Zug­ spannung zur Einwirkung gebracht, die größer ist als die Dehngrenze, um auf diese Weise nach der Aufhebung der Belastung eine bleibende Dehnung von mindestens 0,27% zu erhalten. Diese geringe Restdehnung ermöglicht es, gerade Schienen zu erhalten, wobei das Material weniger geschädigt wird, als beim Richten durch Rollen. Da die Biegung der Schienen über die gesamte Länge nicht immer gleichmäßig ist, sind örtlich Krümmungsradien anzutreffen, die kleiner sind, als die Gesamtkrümmung. Eine Restdehnung in der Größenordnung von einigen zehntel Prozent ermöglicht die Beseitigung sowohl scharfer als auch weniger scharfer Krümmungen. Das Vorhandensein von inneren Spannungen aufgrund des Abkühlvorgangs bringt außerdem Ungleichförmigkeiten hinsichtlich der Länge der Walzfasern innerhalb der Schiene mit sich. Das Richten der Schiene durch plas­ tisches Strecken sämtlicher Fasern und durch plas­ tisches Strecken vorzugsweise der kürzeren Fasern führt zu einer Beseitigung der inneren Restspannungen des Stahls. Fig. 4 zeigt ein Beispiel für die Ent­ wicklung der längsgerichteten Restspannungen in Ab­ hängigkeit vom Verhältnis der Restdehnung für eine Schiene aus handelsüblichem Stahl. Das Diagramm ge­ mäß Fig. 4 zeigt auf der Abszisse die Restdehnung ε und auf der Ordinate die längsgerichtete Rest­ spannung σ (- für Druck; + für Zug) in N/mm2. Die Kurve 5 stellt die Restspannung im Fuß und die Kurve 6 stellt die Restspannung im Kopf der Schiene dar. Es ist zu erkennen, daß die Restspannungen kon­ stant bleiben und einen hohen Betrag aufweisen, solange, wie die auf die Schiene aufgebrachte Zug­ spannung noch im elastischen Bereich des Stahls liegt (ε ∼0,185%), und daß die Restspannungen oberhalb des elastischen Bereichs sich gleichmäßig verringern, bis sie Minimalwerte einnehmen, und zwar ab einer Restdehnung in der Größenordnung von 0,27%.
Hieraus ist ersichtlich, daß der Bereich der Rest­ dehnung zwischen der 0,2%-Dehngrenze (ε = 0,2%) und den Minimalwerten für die Rest­ spannung (hier σ ∼10 N/mm2 für ε ≈ 0,27%) zu unsicheren Verhältnissen führt und infolgedessen zu vermeiden ist, und daß oberhalb der Werte für eine minimale Restspannung (ausgehend von ε ≈ 0,27% oder 0,3%) eine Erhöhung der Restdehnung keine wesent­ liche Verbesserung der Verhältnisse in dieser Hinsicht mehr mit sich bringt, es sei denn zur Erhöhung der Streck­ grenze durch den Effekt der Kaltverformung. Diese Er­ höhung der Streckgrenze kann bewußt vorgenommen werden, beispielsweise bei einer naturharten Stahl­ sorte A gemäß UIC oder bei einer Stahlsorte gemäß AREA, bei denen die Erhöhung der Streckgrenze etwa bei 100 N/mm2 für 1% zusätzlicher Restdehnung liegt.
Anders ausgedrückt genügt ein Verhältnis der Restdehnung von 0,3% zur Beseitigung der Restspannungen, die in einem Verhältnis von etwa 10 : 1 reduziert werden. Meßwerte für Restspannungen, die durch die oben beschriebene Methode des Trennschnitts erhalten und durch andere Methoden des Lochens und Bohrens bestätigt wurden, werden nachfolgend in den Tabellen I bis III wiederge­ geben. Die betreffenden Schienen, an denen die Messungen durchgeführt wurden, wurden mit den Bezeichnungen 073 D 09; 236 D 23 und 150 C 13 versehen, soweit sie durch das beschriebene Verfahren gestreckt wurden. Weitere Schienen wurden mit den Bezeichnungen 073 B 10; 236 D 23 und 150 C 13 versehen, soweit sie in der Herstellung unmittelbar benachbart sind, aus dem selben Guß stammen und sich in dem Kühlbett in unmittelbarer Nachbar­ schaft der ersten Schienen aufgehalten haben, und soweit sie mit den bekannten Rollen-Richtmaschinen gerichtet wurden:
Daraus ergibt sich, daß die Höhe der Restspannungen bei einem Verhältnis der Restdehnung zwischen 0,3 und 1,0% bei einem Richtverfahren durch Strecken um mindestens 5 bis 10 Mal geringer ist als bei einem Richtverfahren durch Rollen, und daß die Streuung der Werte der Rest­ spannungen, die beim Richtverfahren durch Strecken ge­ messen wurden fünf Mal geringer ist als beim Richtverfahren durch Walzen.
Diese Versuchsergebnisse konnten durch Messungen der Rest­ spannungen durch unterschiedliche Methoden verschiedener Laboratorien (SACILOR, IRSID) bestätigt werden.
Die Beseitigung der inneren Restspannungen ist von solcher Art, daß die Laboratorien keine bedeutsamen Unterschiede zwischen der Höhe der Restspannungen in den durch Streckung gerichteten Schienen und der Höhe der Spannungen in dem entspannten Werkstoff sehen, die als Bezugsgröße bei der Eichung der Dehnungsmeßgeräte dienen. So findet man beispielsweise beim Richten mittels Rollen Druckspannungen, die in Längsrichtung ebenso groß sind wie in senkrechter Richtung im Steg und in den Hohl­ kehlen, wobei diese Spannungen, ganz besonders diejenigen in Längsrichtung, durch Zugspannungen im Schienenkopf und -fuß kompensiert werden. Beim Richtverfahren durch Strecken sind die Restspannungen durchweg geringer und sehr viel gleichmäßiger. Es ist festzuhalten, daß die Werte für die Restspannungen, die nach der Methode des Trennschnitts gemessen werden (Methode nach YASOJIMA und MACHII (1965) angewandt u. a. vom Büro für Forschungen und Studien des UIC "Office de Recherche et D′Essais de L′UIC" in seiner Studie C53 "Restspannungen in Schienen") in zufriedenstellender Weise durch die genannten Methoden des Lochens und des Bohrens bestätigt wurden. Eine empirische Bestätigung der Beseitigung innerer Restspannungen aufgrund des Richtens durch Strecken wurde mit Hilfe eines Tests durchgeführt, bei dem der Kopf vom Rest des Profils ge­ trennt wurde und bei dem die Auslenkung "f" an der Stoßfuge in dem Maße gemessen wurde, wie der Vorschub "L"des Säge­ schnitts erfolgte (schematische Darstellung eingerahmt im oberen Teil der Fig. 5). Die Ergebnisse dieses Tests, der bei einer Schiene UIC 60 NDB angewandt wurde, sind in dem Diagramin in Fig. 5 dargestellt, dessen Abszisse die Länge L des Sägeschnitts in Millimetern und dessen Ordinate den Abstand bzw. die Auslenkung "f" des Kopfes in Millimetern angibt, der im Verhältnis zum Rest des Schienenabschnitts ausgehend von der Stoßfuge abgesägt wird.
Die Kurve 7 zeigt, daß eine Schiene UIC 60 NDB, die durch Rollen gerichtet wurde, eine Auslenkung "f" des Kopfes von zwei Millimetern für eine Länge des Sägeschnitts L von 500 mm aufweist. Die Kurve 8 zeigt, daß sich die Auslenkung "f" für eine ungerichtete Schiene verändert und zwischen 0 und 8/10 mm liegt. Die Kurven 9 und 10 zeigen, daß die durch Strecken mit einer Restdehnung von 0,3 bzw. 1% gerichteten Schienen eine Auslenkung "f" von 2/10 bzw. - 1/10 mm bei einer Länge des Säge­ schnitts von L = 500 mm aufweisen (in dem zuletzt ge­ nannten Fall findet ein leichtes Schließen des Säge­ spalts statt). Zu erkennen ist ein Verhältnis der Werte für "f" in der Größenordnung von 1 : 10 zu Gunsten des erfindungsgemäßen Produkts. Ein Verhältnis einer mini­ malen Restdehnung von etwa 0,3% erscheint notwendig, um eine maximale Beseitigung der inneren Restspannungen zu erhalten, und es hat nicht den Anschein, daß ein Ver­ hältnis der Restdehnung oberhalb von 1,5% zusätzliche Vorteile bringt.
Das Strecken einer Schiene bis oberhalb seiner 0,2%-Dehngrenze hätte an sich Schädigungen des Materials befürchten lassen müssen, die geeignet sind, eine schnellere Ausbreitung evtl. quergerichteter Ermüdungsrisse zu be­ günstigen. Ein Ermüdungstest durch Biegungen an vier Stellen hat jedoch gezeigt, daß dies nicht der Fall ist. Der Test bestand darin, daß ein am Schienenkopf vorgekerbter Schienenabschnitt auf einer Länge von 1,400 m einer alternierenden Biegung mit einer Frequenz von 10 Hz ausgesetzt wurde. Dies geschah unter einer Belastung von 14 Tonnen in einer Zeitspanne bis zum Anfang einer Rißbildung und unter einer Belastung von 9 Tonnen in der nachfolgenden Zeitspanne des Fortschreitens der Rißbildung. Die Belastung wurde am Kopf der Schiene an zwei verschiedenen Punkten aufgebracht, die einen Abstand von 150 mm voneinander aufwiesen und symmetrisch beiderseits der querverlaufenden, in der Mitte angebrachten Einkerbung lagen.
Hierbei läßt sich die Ausbreitung des Ermüdungsbruchs aus­ gehend von der Einkerbung mit Hilfe einer Dehnungsmeßma­ schine und einer elektrischen Meßmethode beobachten, die auf der Veränderung des Widerstandes der Schienen im Zuge des Fortschreitens des Bruchs beruht. Durch Veränderung der Amplitude der aufgebrachten Spannungen wird eine Reihe von Markierungen bei einer vorgegebenen kumulierten Anzahl von Lastwechseln herbeigeführt, wobei der Verlauf der Kurve verfolgt wird, die die Tiefe p des Risses bzw. Bruchs in Abhängigkeit von der Zahl N der aufgebrachten Lastwechsel darstellt.
Der betreffende Test wurde bei einem ersten Versuchsbeispiel bei zwei Abschnitten der Schiene UIC 60 der Sorte naturhart B durchgeführt, die aus der selben Schiene entnommen wurden, und zwar wurde der eine Schienenabschnitt mittels Rollen und der andere Schienenabschnitt durch Strecken gerichtet. Die Fig. 6 zeigt, daß die durch Rollen gerichtete Schiene eine Fläche für den Ermüdungsbruch zeigt, die ziemlich schmal ist und mit spröden Rissen übersät ist. Die Fig. 6b zeigt das Aussehen der durch Strecken gerichteten Schiene, die eine Fläche für den Ermüdungsbruch zeigt, die deutlich stärker entwickelt und frei von spröden Rissen ist. Die nachfolgende Tabelle IV zeigt, daß die Anzahl der Last­ wechsel, die bis zum Beginn der Rißbildung notwendig sind und die Anzahl der Lastwechsel, die für die Aus­ breitung des Risses notwendig sind unter denselben Versuchsbedingungen bei einer durch Strecken gerichteten Schiene deutlich größer sind, was der Beweis für eine größere Zähigkeit und infolgedessen für eine größere Sicherheit ist.
Tabelle IV
Die Kurven 11 und 12 in Fig. 7 zeigen die selben Ver­ hältnisse p = f (n), die in der vorstehenden Tabelle IV aufgeführt sind. Daraus ergibt sich, daß das Ver­ hältnis:
Der vorstehend beschriebene Test wurde bei einem zweiten Verfahrensbeispiel an vier Abschnitten einer Schiene 136RE einer Chrom-Silicium-Vanadium-Stahllegierung mit einer Zugfestigkeit Rm größer als oder gleich 1080 N/mm2 angewandt. Die Abschnitte wurden aus der selben Schiene hergestellt, und es wurde das Ermüdungsver­ halten für die folgenden vier Zustände untersucht:
  • - durch Rollen gerichtet
  • - durch Strecken gerichtet
  • - ungerichtet (unbehandelt aus dem Kühlbett)
  • - gerichtet durch Rollen und nachfolgend durch Strecken.
Fig. 8a zeigt das halbspröde Aussehen der Bruchfläche einer durch Rollen gerichteten Schiene, bei der keine Ermüdungs­ bruchfläche wahrnehmbar ist. Fig. 8b zeigt die große Ermüdungsbruchfläche einer durch Strecken gerichteten Schiene. Fig. 8c zeigt eine Ermüdungsbruchfläche einer nicht gerichteten Schiene, die sehr geringfügig kleiner ist als im vorstehenden Fall. Fig. 8d zeigt, daß ein Richten durch Strecken im Anschluß an ein Richten durch Rollen zu einem guten Aussehen der Ermüdungsbruchfläche führt.
Die nachfolgende Tabelle V zeigt die Verbesserung, die durchweg beim Richten durch Strecken für eine Anzahl von Lastwechseln bis zur ersten Rißbildung und für eine Anzahl von Lastwechseln bis zum Fortschreiten der Rißbil­ dung gegenüber dem Richtverfahren durch Rollen erzielt wird.
Tabelle V
Die Kurven 13-16 in Fig. 9 zeigen die gleichen Verhältnisse p = f (N), die in der vorstehenden Tabelle V aufgeführt sind, für Schienen, die aus dem Stahl 136 RE bestehen und mittels Rollen gerichtet wurden (Kurve 13), unge­ richtet waren (Kurve 14), mittels Strecken (Kurve 15) und sowohl mittels Rollen als auch mittels Strecken gerichtet wurden (Kurve 16). Aus der Tabelle V und aus den Kurven 13-16 der Fig. 9 ergibt sich sehr klar, daß man die Festigkeit einer Schiene gegenüber der Ausbreitung von Rissen noch über längere Zeit verbessert, wenn eine mittels Rollen gerichtete Schiene einer Zugspannung mit Erzeugung einer entsprechenden Restdehnung ausge­ setzt wird, um die Restspannungen zu beseitigen.
Die Verbesserung des Verhaltens im Hinblick auf die Ge­ schwindigkeit der Rißbildung in erfindungsgemäß gerichteten Schienen ist mit der Verringerung der Restspannungen ver­ knüpft und insbesondere an das praktisch vollständige Verschwinden restlicher Zugspannungen im Schienenkopf, die auf das Richten durch Rollen zurückzuführen sind, gebunden. Die durch das beschriebene Richtverfahren geförderte Verringerung der Restspannungen ermöglicht die Erfüllung von Wünschen zahlreicher Eisenbahnnetze, insbesondere solcher, die stark belastet sind (wie Gleise im Bergbau) und die berücksichtigen, daß die Restspannungen für gefähr­ liche Brüche verantwortlich sind, die überraschend in den Gleisen auftreten. Das beschriebene Richten durch Strecken verbessert erheblich die Dauerwechselfestigkeit der Schienen im Verhältnis zu denjenigen Schienen, die mittels Richt­ rollen gerichtet worden sind.
Der Richtvorgang durch Strecken hat darüber hinaus den Vor­ teil, die Streckgrenze des Metalls anzuheben, im Gegensatz zum Richtverfahren durch Rollen, das die Tendenz hat, die Streckgrenze herabzusetzen. Dieser Vorteil ist insbesondere im Hinblick auf den Schienenkopf wünschens­ wert, weil eine höhere Streckgrenze einen besseren Widerstand gegen das plastische Fließen mit sich bringt, welches hochbelastete Räder auf der Schienenlauffläche erzeugen können. Diese Anhebung der Streckgrenze für Stahlsorten vom Typ UIC 90 A oder B, AREA, und ähnliche liegt in der Größenordnung von 100 N/mm2 für 1% Dehnung. Diese Eigenschaft läßt sich bei sämtlichen Stahlsorten beo­ bachten, d. h. bei legierten oder behandelten extra-harten Stählen. Der Unterschied in der Streckgrenze zwischen dem Richtverfahren durch Rollen und demjenigen durch Strecken kann üblicherweise 20% betragen.
Es wurde festgestellt, daß diese Verbesserung der Streck­ grenze ohne Verschlechterung des Fließvermögens erzielt wird (Bruchdehnung und Brucheinschnürung) sowie ohne Beeinträchtigung der Zähigkeit (K1c, dem kritischen Faktor für die Querschnittsverminderung oder Einschnürung).
Die Messungen der Restdehnung auf einer gewissen Anzahl von Längeneinheiten, die entlang der Schiene markiert worden sind, hat gezeigt, daß die partiellen Restdehnungen, die für jede Längeneinheit gemessen wurden, konstant und völlig gleich der gesamten Restdehnung der Schiene sind. Es wurden keinerlei Effekte einer örtlichen Einschnürung über die Länge der Schienen festgestellt. Die Verminderung der Höhe ist über die gesamte Länge der Schienen gleich­ förmig, desgleichen die Verminderung der Breite des Fußes. Die geringen Änderungen der beobachteten Abmessungen werden, wie im Fall des Richtens durch Rollen, im voraus durch eine geeignete Kalibrierung im Walzwerk kompensiert. Dies ermöglicht die Einhaltung der Vorschriften für die Abmessungstoleranzen mindestens ebenso leicht wie beim Richtverfahren mittels Rollen. Bei dem zuletzt genannten Verfahren bleiben trotzdem sämtliche Unregelmäßigkeiten der Abmessungen erhalten, denn die Enden behalten die ursprünglichen Abmessungen aus dem Walzvorgang bei.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf Eisenbahnschienen mit extrem niedrigen Restspannungen. Diese Art von Schienen ist bis zur Stunde unbekannt, weil in einer kürzlich durchgeführten Studie (April 1981, unveröffentlicht, durchgeführt durch: R. Schweitzer und W. Heller, Duisburg- Rheinhausen) mit dem Titel "Kritischer Einschnürungsfaktor, Eigenspannungen und Bruchfestigkeit von Schienen" als Schlußfolgerung gesagt worden ist:
"Es liegt viel daran, daß die Eigenspannungen (= innere Restspannungen) auf einem kleinstmöglichen Niveau gehalten werden,wenn man die Bruchfestigkeit erhöhen will. Bis zur Stunde ist dieser Gedanke jedoch kaum zu verwirklichen, um so weniger, als das für die Her­ stellung einer geradlinigen Gestalt unerläßliche Richten der Schienen zu beträchtlichen Eigenspannungen führt."

Claims (3)

1. Gerichtete Eisenbahnschiene aus einer Schienenstahlsorte mit einer vorgegebenen Festigkeit Rm, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Eisenbahnschiene durch das Richten gegenüber dem Anlieferungszustand so weit über die 0,2%-Dehngrenze hinaus gestreckt ist, daß eine bleibende Dehnung von mindestens 0,3% vorhanden ist, derart, daß innere Restspannungen kleiner als +/- 100 N/mm2 (+100 N/mm2 Zugspannung; -100 N/mm2 Druckspannung).
2. Gerichtete Eisenbahnschiene nach Anspruch 1, bestehend aus einer Schienenstahlsorte mit einer Zugfestigkeit Rm kleiner oder gleich 1000 N/mm2, gekennzeichnet durch innere Restspannungen kleiner als +/- 50 N/mm2 (+50 N/mm2 Zugspannung; -50 N/mm2 Druckspannung).
3. Gerichtete Eisenbahnschiene nach Anspruch 1, bestehend aus einer Schienenstahlsorte mit einer Zugfestigkeit Rm größer als 1000 N/mm2, gekennzeichnet durch innere Restspannungen kleiner als +/- 100 N/mm2 (+100 N/mm2 Zugspannung; -100 N/mm2 Druckspannung).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE-Z: Tech.Mitt. Krupp Werksberichte, Bd. 39, 1981, H. 1, S. 33-41 *

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