Analisi della propagazione di fratture sotto carichi variabili e stima degli intervalli di ispezione per assili ferroviari in acciai ad alta resistenza

Recently, in the contest of a research project concerning the crack propagation under variable amplitude loading conditions in railway axles, led by the Politecnico of Milano in cooperation with Deutsche Bahn, has highlighted the presence of a scale effect between the estimates of propagation obtained from small-scale and full-scale tests on axles made of high strength steel 30NiCrMoV12. This effect was already widely known for axles made of A1N and A4T low carbon steel, but not for the axles made of high strength steel. The purpose of this thesis is to investigate the factors that influence the cracks propagation subjected to varying loads in railway axles made of high-strength steel. Operationally it is primarily characterized the propagation behavior of the material under constant amplitude through mechanical fracture specimens (SE(T) and SE(B)), thus evaluating the curves of propagation through the Nasgro's equation that is the basis of forecasting models used today. We then proceeded with the execution of experimental tests that compare the progress of crack specimens subjected to load histories in blocks (typically used on the counters of Deutsche Bahn axles, to test full-scale axles) and temporal stories (from whose are derivated the stories to blocks) representing the service life of the axle. It is therefore able to verify the correct discretization of the stories in block and the absence of block delays due to this factor. The primary objective of these tests is to analyze the closure, as the main factor of influence of the effects of the interaction of the load, accelerations and delays, in operating conditions. Through this analysis we aim to properly calibrate the curves of propagation and the models used to estimate the fatigue life of railway axles and thereby ensure a better assessment of the inspection intervals for axles in service. For this purpose were proposed three models that allow to obtain forecasts of life consistent with the experimental results obtained. The knowledge acquired here find their application in this work of thesis, with the assessment of intervals of inspection and maintenance of pressings in exercise on railway lines of company that collaborate with Politecnico of Milano, made with the same high-strength steel.

Recentemente, nell’ambito di un progetto di ricerca riguardante la propagazione di fratture sotto carichi variabili in assili ferroviari, condotto dal Politecnico di Milano in collaborazione con Deutsche Bahn, è stata evidenziata la presenza di un effetto di scala tra le stime di propagazione ottenute da provini “small-scale” e le prove di propagazione “full-scale” su assili realizzati in acciaio ad alta resistenza 30NiCrMoV12. Tale effetto era già ampiamente noto per assili realizzati con acciai dolci A1N e A4T, ma non per gli assili realizzati in acciaio ad alta resistenza. Lo scopo del presente lavoro di tesi è quello di indagare i fattori che influenzano la propagazione di cricche a fatica soggette a carichi variabili in assili ferroviari, prodotti in acciaio ad alta resistenza. Operativamente si è in primo luogo caratterizzato il comportamento a propagazione del materiale soggetto a carichi ad ampiezza costante mediante provini di meccanica della frattura (SE(T) e SE(B)), valutando così le curve di propagazione mediante l’equazione di Nasgro che è alla base dei modelli di previsione ad oggi utilizzati. Si è quindi proceduto con l’esecuzione di prove sperimentali che confrontassero l’avanzamento di cricca di provini sottoposti a storie di carico a blocchi (tipicamente utilizzate sui banchi assili di Deutsche Bahn, per testare gli assili “full-scale”) e storie temporali (da cui sono ricavate le storie a blocchi) rappresentative della vita in esercizio dell’assile. Si è quindi potuto verificare la corretta discretizzazione delle storie a blocchi e l’assenza di ritardi imputabili a tale fattore. L’obiettivo primario di tali prove è quello di analizzare la closure, come principale fattore di influenza degli effetti dell’interazione del carico, accelerazioni e ritardi, in condizioni di esercizio. Mediante tali analisi ci si prefigge di calibrare opportunamente le curve di propagazione e i modelli utilizzati per la stima della vita a fatica degli assili ferroviari e quindi garantire una migliore valutazione degli intervalli di ispezione degli assili in servizio. A tale scopo sono stati proposti tre modelli che permettono di ottenere previsioni di vita coerenti con i risultati sperimentali ottenuti. Le conoscenze fin qui acquisite trovano la loro applicazione in questo lavoro di tesi, con la valutazione degli intervalli di ispezione e manutenzione degli assili in esercizio sulle linee ferroviarie di un’azienda che collabora con il Politecnico di Milano, realizzati con il medesimo acciaio ad alta resistenza.