Investigation on fracture toughness of European and North American railroad wheels

Preventing failures in railway products is of paramount importance. Braking, particularly if continued for a long time, causes high residual tensile stresses on train wheels, and these stresses, if associated with some type of mechanical or metallurgical damage, can lead to crack initiation and consequent failure. Besides good mechanical properties, railway materials have to ensure good fracture toughness to avoid brittle fracture of the wheel and following derailment. European standards impose minimum toughness values for railroad material, whereas for North American standards these values do not exist. There is therefore an interest in knowing the fracture toughness of some American steel grades and compare them with the materials normally adopted in Europe. In this work seven different materials delivered by the Italian wheel manufacturer Lucchini RS have been tested, and their fracture toughness values have been determined. These materials included some the traditional steel grades for European and North America market, and two steel brands recently developed by Lucchini RS. In addition, a complete mechanical and metallographic characterization has been done by means of SEM analysis on the fracture surface, in order to relate the fracture toughness of the examined materials with their microsctructure.

La prevenzione di cedimenti è di importanza capitale nel settore ferroviario. L’operazione di frenatura, in particolare se effettuata per lungo tempo, causa elevate tensioni residue all’interno delle ruote. Queste tensioni, se associate a difetti meccanici o metallurgici, possono portare alla formazione e propagazione di cricche all’interno del materiale, che generalmente portano a cedimento. Unitamente a buone proprietà meccaniche, i materiali ferroviari devono quindi garantire buona tenacità, per evitare rottura e conseguente deragliamento del convoglio. Per questo motivo, gli standard Europei impongono valori minimi di tenacità ai materiali adottati in ambito ferroviario; tali valori minimi non sono invece presenti negli standard che regolano il mercato degli Stati Uniti. C’è quindi interesse a conoscere l’effettiva tenacità degli acciai impiegati nel mercato Americano, e paragonare tali materiali con quelli normalmente adottati in Europa. In questo lavoro sette differenti materiali forniti dal produttore Italiano Lucchini RS sono stati testati, e i valori di tenacità misurati con le più moderne tecniche. Tra questi materiali sono presenti alcuni tra quelli tradizionalmente adottati in Europa e Stati Uniti, nonchè due acciai recentemente sviluppati da Lucchini RS. Una dettagliata analisi meccanica e metallografica ha inoltre permesso di mettere in relazione la tenacità di tali materiali con le loro caratteristiche microstrutturali.