Advances in life prediction and durability of railway axles

This PhD thesis discusses some relevant topics for improving the design of railway axles, based on traditional fatigue concepts, to the novel damage tolerance approach. Firstly an overview of the design methodologies adopted by the current regulations, using an infinite life concept, and by the safe life and damage tolerant approaches, pointing out the points still in discussion, is given, highlighting the importance of complementing the traditional approach with the novel damage tolerance. Firstly, a series of VA tests under spectrum loading was carried out, in order to calibrate the allowable damage sum, then, a comparison of the results adopting the three design methodologies is presented, applied to the case of old axles no longer complaint with the current regulations. Realistic loading spectra were evaluated for the application of novel approaches; the allowable damage sum D, for the application of the safe life methodology, was set to the value estimated by the dedicated experiments onto small scale specimens. Limits and contradictions of the traditional approach are shown, and simple parameters, more representative of the expected lifetime, are presented and discussed. The focus is then pointed onto two topics, still under discussion, which can affect the lifetime of real components: the effect of a compressive residual stress field, given by deep rolling, and the effect of variable amplitude loading onto crack propagation and inspection intervals. The beneficial effect of the compressive residual stresses is studied by dedicated experiments, carried out onto three specially machined, and deep rolled, full-scale specimens, tested against crack propagation under variable amplitude loading. The lifetime increase due to deep rolling is shown, and compared against appropriate predictions, taking into account the presence of the compressive residual stress field. The study leads to the possibility of increase the expected lifetime, and, consequently, the distance between inspection intervals, for real axles, by extension of the results obtained from full-scale specimens. Finally, the effect of variable amplitude onto crack growth retardation is addressed, by variable amplitude loading tests carried out onto four batches of medium strength (A4T) and high strength (34CrNiMo6 and 30NiCrMoV12) steel grades; both time history and equivalent load spectrum, eventually with different length of the blocks, are applied, and both crack propagation and crack closure are measured along the tests. The experimental evidence is then compared against crack growth simulations, firstly adopting a simple no-interaction model, with thresholds from both CPLR andΔK-decreasing methodologies, then by the more refined Strip-Yield model. A simple model, as a ‘rule of thumb’ for engineering lifetime calculation, is then presented and discussed.

La presente tesi di dottorato discute alcuni argomenti di particolare importanza per la progettazione di assili ferroviari, nell’ottica di passare dai concetti tradizionali di verifica a fatica ai più moderni approcci damage tolerance. Innanzitutto viene fornito un quadro d’insieme delle metodologie di progettazione attualmente adottate, basate sui criteri di vita infinita, e delle metodologie più moderne, basate sui concetti di accumulo del danno e damage tolerance, focalizzando l’attenzione sui punti ancora in discussione e sottolineando l’importanza di complementare il calcolo tradizionale con i criteri più moderni. Sono stati innanzitutto eseguiti una serie di test ad ampiezza variabile, dato uno spettro di carico, per calibrare il valore del danneggiamento ammissibile, su provini small-scale, quindi viene presentato un confronto delle tre metodologie di calcolo considerate, attraverso il caso applicativo di assili di vecchio disegno, non più conformi alle normative vigenti. Per questi assili sono stati calcolati spettri di carico di esercizio, attraverso simulazioni dedicate, per l’applicazione delle nuove metodologie, insieme al danneggiamento ammissibile precedentemente calcolato. Vengono quindi mostrati i limiti e le contraddizioni delle metodologie tradizionali, e presentati dei semplici parametri da utilizzare come indicatori della vita attesa. Viene quindi posta l’attenzione su due problematiche, tuttora in discussione, che possono influenzare l’aspettativa di vita di componenti reali: l’effetto di sforzi residui di compressione, nel caso di assili ferroviari dovuti a rullatura, e l’effetto di carichi ad ampiezza variabile sulla propagazione di cricche e sulla definizione degli intervalli di ispezione. L’effetto benefico degli sforzi residui di compressione è stato studiato attraverso esperimenti dedicati, eseguiti su tre assili full-scale appositamente disegnati, realizzati e trattati a rullatura, sottoposti a propagazione di cricche sotto carichi ad ampiezza variabile. Viene mostrato l’incremento di vita utile dovuto alla rullatura, a confronto con le previsioni di vita ottenute tenendo opportunamente in considerazione gli sforzi residui. Lo studio apre alla possibilità di incrementare la vita residua e, di conseguenza, la distanza tra gli intervalli di ispezione, per gli assili di produzione, a partire dai risultati ottenuti sui provini full-scale testati. Infine viene affrontato l’effetto dei carichi ad ampiezza variabile sulla propagazione di cricche, studiando il ritardo misurato da test eseguiti su provini di quattro acciai diversi (due acciai a media resistenza e due acciai ad alta resistenza) testati a carico variabile, nelle forme di storie temporali o spettri di carico equivalenti. Inoltre, l’effetto di un carico medio e della lunghezza dei blocchi dello spettro sono stati investigati. L’evidenza sperimentale è stata quindi confrontata con opportune simulazioni, adottando sia semplici modelli senza interazione di carico, con soglie ricavate dai due metodi sperimentali CPLR e ΔK-decreasing, che il più complesso modello Strip-Yield. Un semplice modello di calcolo, da usare come regola di massima, viene quindi fornito e discusso.