Title

EFFECT OF RAIL GRINDING CONDITIONS ON SUB-SURFACE MICROSTRUCTURE AND SURFACE ROUGHNESS OF FATIGUED RAILS

EFFEITO DAS CONDIÇÕES DE ESMERILHADO NA MICROESTRUTURA E INTEGRIDADE SUPERFICIAL DE TRILHOS FADIGADOS

Authorship

Zapata, Diego; Santa, Juan Felipe; Sánchez, J.C; González, J.C; Toro, Alejandro

Zapata, Diego

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Santa, Juan Felipe

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Sánchez, J.C

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González, J.C

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Toro, Alejandro

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DOI

10.5151/5463-5463-17234

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Abstract

Rail grinding is a common practice in railroad industry to maintain the profile and remove wear marks (fatigue cracks, head checks, etc) from the rail’s surface. This practice changes both the sub-surface microstructure and the surface roughness and affects the wear performance of the rail. In this work, the effect of rail grinding on sub-surface rail microstructure and surface roughness was evaluated and correlated with rail’s wear performance in the field. The grinding tests were carried out in a low density traffic line of a commercial railroad, with the aid of a rail-grinder car equipped with eight grinding wheels. The tests were done by using the same grit-size, two linear velocities and two loads applied under dry conditions. In order to ensure uniformity of the initial properties, the tested rails had the same tonnage history. The fatigued rails were inspected before the test and the defects were properly identified and quantified. The ground specimens were cut to evaluate the microstructure, micro- hardness profile and roughness after each grinding condition. The analysis of the microstructure of tested specimens revealed the formation of a highly deformed, hard layer with thickness between 10 and 20 μm. Relationships among rail-grinder car velocity, load between rail and grit and roughness of the rails were established. The results indicated that higher loads lead to higher roughness with Ra ranging from 1 to 5 μm in the fatigued zone. These roughness values are very low when compared to the international standards, which is believed to delay the initiation of fatigue cracks. New rail grinding conditions were suggested which could lead to a more effective removal of cracks on the surface.

O Esmerilhado de trilhos é uma prática comum na indústria de transporte ferroviário para manter o perfil e para retirar as marcas de desgaste (trincas de fadiga) das superfícies. Esta prática altera a microestrutura da sub-superfície e a rugosidade da superfície, ao mesmo tempo que muda o desempenho em desgaste do trilho. Neste trabalho, o efeito das variáveis do esmerilhado na microestrutura e na rugosidade superficial dos trilhos foi avaliada e correlacionada com as variáveis de operação . Os ensaios foram feitos numa linha de baixa densidade de tráfico com a ajuda de um máquina esmerilhadora ferroviária equipada com oito rebolos. Os testes foram feitos usando o mesmo tamanho de grão, duas velocidades lineares e duas cargas aplicadas em condições secas. A fim de assegurar a uniformidade de propriedades iniciais, as amostras foram selecionadas de trilhos com o mesmo histórico de carregamiento. Os trilhos foram inspecionados antes do ensaio e os defeitos foram quantificados. As amostras foram cortadas para avaliar a microestrutura, o perfil de micro-dureza e a rugosidade após cada condição de esmerilhado. A análise da microestrutura da sub-superfície das amostras revelou a presença de uma camada dura de 10 à 20 μm de espessura. Após os ensaios foram estabelecidas relações entre a velocidade do carro da esmerilhadora, a carga aplicada e a rugosidade superficial dos trilhos. Os resultados indicaram que as cargas mais elevadas levam ao aumento da rugosidade, cujo valor de Ra variou entre 1 e 5 μm na zona o contato. Esses valores são muito baixos em comparação com os padrões internacionais, o que atrasa o início de trincas de fadiga. Novas condições de esmerilhado foram sugeridas, com o intuito de facilitar uma remoção mais eficaz de trincas na superfície.

Keywords

Rolling contact fatigue; Rail grinding; Head checks.

Fadiga de contato; Esmerilhado de trilhos; Trincas de fadiga.