Příspěvek se zabývá příčinami lomů železničních kolejnic, ke kterým opakovaně docházelo ve stejné vzdálenosti od svarového spoje kolejnic. Ze získaných výsledků provedených analýz u porušené kolejnice, zejména z fraktografické analýzy lomové plochy kolejnice, hodnocení její makrostruktury a mikrostruktury, EDS analýzy a měření tvrdosti vyplynulo, že příčné trhliny vycházely z paty kolejnice a únavovým mechanismem šíření vedly až jejímu úplnému lomu.

 

Vady železničních kolejnic jsou často hlavní příčinou závažných havárií v železniční dopravě. Z tohoto důvodu jsou defekty kolejnic trvale předmětem velkého zájmu a jejich výskyt je mapován. Samotné vady jsou pak v praxi zatříděny do číselných kódů.[1]

Rovněž se zjišťuje, na kterém úseku kolejnice byla vada pozorována, např. na konci kolejnice v místě krytém spojkou nebo ve středním úseku, tedy v oblasti mezi dvěma konci kolejnice, nebo také v úseku mezi dvěma svarovými spoji, anebo zda se vada vyskytuje přímo v některé z oblastí svarového spoje kolejnice. Neméně důležitý je také údaj, zda se jedná o výrobní vadu nebo vadu vzniklou v důsledku svařování kolejnic, či zda kolejnice nebyla poškozena během jejího provozování, například v důsledku nepříznivých klimatických podmínek. Všechny tyto údaje pak mohou posloužit jako podklad pro optimalizaci výroby kolejnic nebo definování opatření pro jejich dlouhodobé bezpečné provozování.

Z výše uvedeného vyplývá, že příčin porušení kolejnic může být velmi mnoho. K poškození kolejnic vedoucích až k jejímu úplnému lomu může například docházet v souvislosti s nevhodným chemickým složením materiálu kolejnic, s úrovní zbytkových napětí a pnutí po tváření, s podílem nekovových vměstků v matrici, s obsahem vodíku v oceli, s dostatečnou eliminací povrchových vad, vnitřní bezdefektností kolejnice, s úrovní požadované tvrdosti, s mechanickými vlastnostmi materiálu kolejnic, mírou vnitřní homogenity materiálu kolejnice a v neposlední řadě také s rozměrovými parametry. Velmi častou příčinou lomu kolejnice jsou vady vzniklé v důsledku jejího svařování. Při nevhodně vedeném procesu mohou vzniknout v oblastech svarových spojů, tepelně ovlivněné oblasti a ve svarovém kovu vady typické pro svarový spoj, jakými jsou např. plynové dutiny, zavařená struska, studený spoj anebo nepříznivé tepelné ovlivnění základního materiálu.

Tyto defekty pak mohou svým vrubovým účinkem vyvolat iniciaci porušení s následným totálním lomem kolejnic. K velmi obávaným porušením kolejnic dochází vlivem extrémních klimatických podmínek, a to ať se jedná o vysoké teploty nad 30 °C, nebo teploty pod bodem mrazu. Při teplotách vyšších než 40 °C jsou u bezstykových kolejnic sledovány zejména náhlé výškové a směrové změny, které mohou být příznakem začínajícího vychýlení nebo vybočení koleje. Teploty pod bodem mrazu způsobují křehnutí kolejnic a následné praskání. Vznik porušení kolejnic v souvislosti s extrémními klimatickými podmínkami je navíc pravděpodobnější při koexistenci s některým výše popsaným rizikovým faktorem.

Příspěvek se věnuje rozboru příčin, které vedly k lomu šest měsíců provozované železniční kolejnice. Předmětná kolejnice byla vyrobena z eutektoidní oceli o chemickém složení uvedeném v tabulce 1. K lomu došlo opakovaně ve vzdálenosti přibližně 200 mm od svarového spoje, který byl provedený metodou odtavovacího stykového svařování. [2] Kolejnice byla provozována za příznivých klimatických podmínek.

tab1

Výsledky jednotlivých rozborů porušené kolejnice

Pro zjištění příčin porušení kolejnice byly použity následující analýzy a rozbory:

- vizuální prohlídka,

- fraktografický rozbor,

- rozbor makrostruktury po průřezu kolejnice,

- metalografický rozbor mikrostruktury v oblasti iniciace defektu kolejnice

- EDS mikroanalýza částic v oblasti iniciace porušení.

 

Studium lomové plochy

Vizuální prohlídkou lomové plochy kolejnice bylo zjištěno, že v patě kolejnice se vyskytuje defekt. Pozorovaný defekt je patrný z obr. 1 jako malá, černě zbarvená oblast. Ze vzhledu celé lomové plochy kolejnice bylo možno usoudit, že pozorovaný defekt byl velmi pravděpodobně iniciačním místem porušení kolejnice, a proto byla dále pozornost zaměřena právě na tuto oblast.

obr1 obr2

Následným fraktografickým rozborem odebraného vzorku z uvedené oblasti bylo potvrzeno, že k iniciaci porušení skutečně došlo v malé oblasti na povrchu patní části kolejnice. Oblast iniciace porušení ještě neočištěného vzorku z dodané kolejnice je dokumentována obr. 2. Na obr. 4 je zobrazeno stejné místo vzorku po očištění pro detailní studium.

obr3 obr4

Mechanizmus lomu v této oblasti s defektem byl zcela odlišný od dolomení kolejnice a došlo zde k lokálnímu koroznímu napadení a následně také k iniciaci interkrystalického lomu, (obr. 4, 5 – oblast I). Jako důležité se jeví nalezení oblasti, která má charakter dendritického lomu s četnými částicemi na lomové ploše, (obr. 4, 5 – oblast II).

Výskyt takového lomu u intenzívně tvářené kolejnice rozhodně není obvyklý a svědčí nejspíš o lokální změně struktury v této oblasti, k níž muselo nutně dojít až po výrobě kolejnice. Samotné šíření porušení pak mělo zpočátku charakter kvazistatického porušení s velkou vzdáleností mezi jednotlivými postupovými čarami. Výskyt postupových čar vypovídá o časovém rozvoji trhliny, který je typický pro únavový mechanizmus porušení (obr. 3).

Mimo oblast iniciace bylo pozorováno transkrystalické štěpné dolomení materiálu, (obr. 4 a 5 – oblast III).

obr5

Metalografický rozbor

V rámci metalografického rozboru byl proveden rozbor makro a mikrostruktury vzorku z místa defektu v patě kolejnice. Zkoumaný vzorek je dokumentován na obr. 6 a 7. Ze získaných výsledků rozborů lze za stěžejní poznatek považovat lokální změnu struktury, a tedy i vlastností v patní části kolejnice, bezprostředně u jejího povrchu. Tato oblast vykazuje všechny znaky vysokoteplotního ovlivnění, zejména přítomnost globulárních nekovových částic a změnu struktury z perlitické (obr. 8), na směs martenzitu a bainitu (obr. 9, 10). To, spolu s existencí přechodové vrstvy mající charakter tepelně ovlivněné oblasti, nasvědčuje tomu, že v tomto místě došlo k lokálnímu natavení materiálu kolejnice. Přítomnost částic mědi, která byla prokázána pomocí EDS mikroanalýzy (obr. 11), pak jednoznačně ukazuje na souvislost s procesem svařování, poněvadž při aplikovaném způsobu svařování jsou používány měděné (nebo bronzové) příložky. Ty se mohou jednak otírat a jednak v případě, že jsou vystaveny teplotám nad cca 1 100°C se během svařování natavovat a „zalévat“ trhliny a dutiny v materiálu.

obr6 obr7
obr8 obr9
obr10 obr11

Shrnutí výsledků

Již po vstupní vizuální prohlídce segmentů zlomené kolejnice bylo na lomové ploše v patě kolejnice dobře viditelné jinak zbarvené místo.

Fraktografickým rozborem lomové plochy paty kolejnice bylo zjištěno, že právě v tomto místě se nacházela minimálně dvě ohniska iniciace porušení. Vyskytovaly se zde dendritické útvary, jejichž výskyt je v protvářeném výrobku vysoce nepravděpodobný a které mohly vzniknout nejspíš lokálním přetavením při vysoké teplotě. Jelikož se nacházejí ve vzdálenosti, v níž jsou během svařování ke kolejnici připevněny, nebo alespoň jsou v těsném kontaktu, měděné, popřípadě bronzové příložky, kterými prochází proud, mohlo v tomto místě dojít při vzniku lokálního parazitního elektrického oblouku k natavení paty kolejnice.

Provedeným rozborem mikrostruktury a EDS mikroanalýzou pak bylo prokázáno, že v patě kolejnice existuje malá oblast, ve které došlo ke změně struktury, a to z obvyklé perlitické na směs martenzitu a bainitu s výskytem globulárních nekovových částic. Tato změna zřejmě proběhla právě v důsledku lokálního natavení. Následným rychlým ochlazením této oblasti pak došlo ke vzniku nejen nevhodné martenziticko-bainitické struktury, ale rovněž i ke vzniku drobných trhlinek, které lze označit jako tzv. horké. Na tuto oblast pak navazovala přechodová vrstva se strukturou, která svým charakterem odpovídala tepelně ovlivněné oblasti typické pro svarový spoj. Svařování kolejnic bylo provedeno metodou odtavovacího stykového svařování. U svařovacích strojů pro tuto metodu se na čelistech pro upnutí kolejnic používají měděné (nebo bronzové) příložky zasahující do vzdálenosti 200 mm od svarového spoje kolejnice, tj. právě do vzdálenosti, ve které došlo k lokálnímu natavení v patě kolejnice.

Tento názor potvrzuje také přítomnost drobných částic mědi v defektní lokalitě, neboť jejich tvar a rozmístění ukazují na to, že měď byla za vysokých teplot zatavena do lokálních defektů.

Závěr

Na základě výsledků získaných z analýz, jejichž cílem bylo odhalit příčinu předčasného lomu železniční kolejnice z eutektoidní oceli, lze za iniciaci porušení, označit lokální změnu struktury na povrchu paty kolejnice. K této změně s největší pravděpodobností došlo v důsledku svařování kolejnice procesem odtavovacího stykového svařování. Vše svědčí o tom, že v průběhu svařování muselo dojít k zapálení vedlejšího parazitujícího oblouku v místech, kde je kolejnice ve styku s měděnou příložkou. Rychlým ochlazením této lokality došlo ke vzniku nevhodné martenziticko-bainitické struktury a také ke vzniku drobných horkých trhlinek, což následně vyvolalo lom celé kolejnice. Jiná souvislost iniciace porušení a následného lomu kolejnice, např. s nevyhovující metalurgickou kvalitou kolejnice, materiálovými vlastnostmi nebo povrchovými defekty vzniklými při válcování kolejnice, nebyla zjištěna.

 

TEXT/FOTO Magdalena Šmátralová1,. Ph.D., a kolektiv

Další spoluautoři

Jana KOSŇOVSKÁ, Gabriela ROŽNOVSKÁ, MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM, s. r. o., Ostrava-Vítkovice, Václav KUREK2, Třinecké železárny, a. s., Třinec

 

Poděkování

Tato práce vznikla při řešení projektu č. CZ.1.05/2.1.00/01.0040 „Regionální materiálově technologické výzkumné centrum“ v rámci operačního programu „Výzkum a vývoj pro inovace“, financovaného ze strukturálních fondů EU a ze státního rozpočtu ČR.

 

Literatura

[1] Vady a lomy, ČD-S67, České dráhy, 1996

[2] MORI, S.: Narrow Gap Enclosed Arc Welding Process of Rail, Journal of the Japan Welding Society, Vol 127 No. 8, 1986, pp. 246 – 250