Investigación y modelización de la adherencia, el desgaste y la fenomenología de daño asociada a la rodadura en contactos rueda-carril de aceros al carbono y bainíticos

Abstract

[EN] Despite the huge quantity of investigations carried out on the wheel-rail contact problem, a lot of questions remains, and the variability of the data found by various authors doesn't help to improve the situation, making harder the finding of behaviour rules and the selection of new materials. In this Thesis, a new twin-disc testing machine has been employed in order to stablish the level of adherence that can be expected in a wide range on normal load and sliding conditions, both in clean and oil or water-contaminated surfaces. At he same time a complete characterization, in the mentioned range of conditions, has been obtanined for the consequences of rolling with respect to the test discs wear and the changes they suffer, including plastic deformation and its consequences (hardening and cracking due to exhaustion of plasticity) and other alterations of the surface as their look or roughness. Having a big quantity of results has allowed the identification of empirical relationships between the control variables of the tests (normal load and sliding) and adhesion, the wear rate and the other results obtained from the various contact conditions (surface clean, with water or with oil) so that you have a clear view of the influence of the control variables on the transmission of stresses in rolling ,wear and changes which occur on the surface of the materials in contact. In the study both plain carbon steels and steels with a bainitic hardening treatment have been used. This has allowed the study of the advantages and disadvantages of each material and see how bainitic steels provide a similar level of adhesion but with a worse response to wear, not being, in principle, a viable alternative to current rail steels.

[ES] Pese a la gran cantidad de investigaciones llevadas a cabo sobre el contacto rueda-carril en vehículos ferroviarios, son muchas las incógnitas que aún persisten y la variabilidad de los resultados encontrados por distintos autores no ayuda a mejorar la situación, dificultando el establecimiento de reglas de comportamiento y la selección de nuevos materiales. En esta Tesis se ha usado un nuevo equipo de ensayos de discos gemelos para establecer los niveles de adherencia que pueden esperarse en un amplio rango de condiciones de carga normal y deslizamiento, tanto con las superficies limpias como en presencia de agua o aceite. Al mismo tiempo se ha obtenido una caracterización completa, en el rango de condiciones mencionado, de las consecuencias de la rodadura en lo referente al desgaste que soportan los discos y a los cambios que sufren en cuanto a la aparición de deformaciones plásticas, sus consecuencias (endurecimiento y aparición de grietas por agotamiento de la plasticidad) y otras alteraciones de la superficie como su aspecto o la rugosidad. Disponer de una gran cantidad de resultados ha permitido establecer relaciones empíricas entre las variables de control de los ensayos (carga normal y deslizamiento) y la adherencia, la velocidad de desgaste y el resto de resultados obtenidos en las distintas condiciones de contacto (superficie limpia, con agua o con aceite), de forma que se dispone de una clara visión de la influencia de las variables de control sobre la transmisión de esfuerzos en rodadura, el desgaste y los cambios que tienen lugar en la superficie de los materiales en contacto. En el estudio se han usado tanto aceros al carbono como acero con tratamiento bainítico de endurecimiento. Ello ha permitido estudiar las ventajas e inconvenientes de cada uno de ellos y comprobar como los aceros bainíticos proporcionan un nivel de adherencia similar pero con una peor respuesta frente al desgaste, no siendo en principio una alternativa viable a los actuales aceros ferroviarios.

[CA] Pese a la gran cantitat d'investigacions duts a terme sobre el contacte roda-carril en vehículs ferroviaris, son moltes les incògnites que encara persistixen i la variabilitat dels resultats trobats per distints autors no ajuda a millorar la situació, dificultant l'establiment de regles de comportament i la selecció de nous materials. En esta Tesis s'ha usat un nou equip d'assaigs de discs bessons per a establir els nivells d'adherència que poden esperar-se en un ample ranc de condicions de carrega normal i lliscada, tant amb les superfícies netes com en presencia d'aigua o oli. Al mateix temps, s'ha obtingut una caracterisació completa, en el ranc de condicions mencionat, de les conseqüències de la rodament en lo referent al desgast que soporten els discs i als canvis que patixen en quant a l'aparició de deformacions plàstiques, les seues conseqüencies (enduriment i aparició de clavilles per exhauriment de la plasticitat) i atres alteracions de la superfície com el seu aspecte o la rugositat. Dispondre d'una gran cantitat de resultats ha permés establir relacions empíriques entre les variables de control dels assaigs (carrega normal i lliscada) i l'adheréncia, la velocitat de desgast i la resta de resultats obtinguts en les distintes condicions de contacte (superfície neta, amb aigua o amb oli), de forma que es dispon d'una clara visió de l'influencia de les variables de control sobre la transmissió d'esforços en rodament, el desgast i els canvis que tenen lloc en la superfície dels materials en contacte. En l'estudi s'han amprat tant acers al carbono com acer amb tractament bainític d'enduriment. Això ha permés estudiar les ventages i inconvenients de cada un d'ells i comprovar com els acers bainítics proporcionen un nivell d'adheréncia similar pero en una pijor resposta front al desgast, no sent en principi una alternativa viable als actuals acers ferroviaris.