Woraus besteht Schienenmetall?

Schienenstahl, allgemein als Eisenbahnschienenstahl bekannt, ist ein Spezialstahl, der in der Regel für Eisenbahnschienen verwendet wird. Die Schiene trägt das Gewicht und die dynamische Belastung des Zuges. Ihre Oberfläche nutzt sich ab, und der Schienenkopf ist Stößen ausgesetzt. Zudem ist die Schiene starken Biegebelastungen ausgesetzt. Die komplexen Belastungen und der langjährige Betrieb führen zu Schäden an den Schienen.

Die häufigsten Schäden an Schienen

Der seitliche Verschleiß des oberen Strangs und die Abflachung des unteren Strangs.
Der Wellenverschleiß wird durch eine unzureichende Streckgrenze verursacht.
Sprödbruch, Abplatzungen, herabfallende Blöcke, Rissbildung an Schienenköpfen und Schweißnahtrisse werden durch eine geringe Zähigkeit und Plastizität verursacht.

Daher gehören zu den grundlegenden Anforderungen an Schienenstahl: Verschleißfestigkeit, Druckfestigkeit, Sprödbruchfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit und gute Schweißbarkeit.

Typisches Material für Eisenbahnschienen

Je nach Stahlsorte wird Schienenmaterial für Eisenbahnschienes lassen sich in drei Arten unterteilen:

Kohlenstoffstahl

Kohlenstoffstahl ist ein Schienenstahl, der aus natürlichem Roheisen geschmolzen und gewalzt wird. Dabei werden vor allem die im Erz enthaltenen Kohlenstoff- und Manganelemente genutzt, um die Festigkeit der Schiene zu erhöhen. Gewöhnlicher Kohlenstoffstahl für Eisenbahnschienen besteht aus 0,401–0,801 % Kohlenstoff und weniger als 1,301–1,41 % Mangan.

legierter Stahl

Bei der legierten Stahlschiene handelt es sich um eine Stahlschiene, die geschmolzen und gewalzt wird, nachdem dem ursprünglichen Eisenerz geeignete Mengen an Legierungselementen wie Vanadium, Titan, Chrom und Zinn beigemischt wurden. Die Festigkeit und Zähigkeit dieser Schienenart sind höher als die von Kohlenstoffstahlschienen.

Wärmebehandelter Stahl

Bei der wärmebehandelten Stahlschiene handelt es sich um eine Stahlschiene, die durch Erhitzen und gezielte Abkühlung einer warmgewalzten Kohlenstoff- oder Legierungsschiene hergestellt wird. Die Perlitstruktur der wärmebehandelten Schiene ist feinkörniger als die der warmgewalzten Schiene, was zu einer höheren Festigkeit und Zähigkeit führt. Die nach der Wärmebehandlung gehärtete Schiene weist am Schienenkopf eine Härteschicht auf, die ihre mechanischen Eigenschaften erheblich verbessert, sodass die Lebensdauer der Schiene verlängert werden kann.

Die chemische Zusammensetzung von Eisenbahnschienenstahl

Nein.	Element	Funktion
1	C	Verbesserung der Festigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit der Schiene. Der Kohlenstoffgehalt einheimischer Schienen liegt zwischen 0,651 % und 0,821 %. Bei einem relativ hohen Kohlenstoffgehalt wird der Stahl spröde, und sein Plastizitätsindex nimmt deutlich ab. Gleichzeitig steigt dadurch die Wahrscheinlichkeit von Weißflecken im Stahl.
2	Ja	Es lässt sich leicht mit Oxidat verbinden und kann dazu beitragen, Blasen im Metall zu entfernen. Der Stahl enthält einen angemessenen Anteil an Silizium, was die Härte und Verschleißfestigkeit des Stahls verbessern kann. Der Gehalt in heimischem Schienenstahl liegt im Allgemeinen bei 0,159–0,91 %, doch ein zu hoher Gehalt macht den Stahl hart und spröde, und es können leicht Poren in der Schweißnaht entstehen.
3	Mn	Es handelt sich um ein nützliches Element, das die Festigkeit und Verschleißfestigkeit von Stahl verbessern und dessen Zähigkeit erhöhen kann. Es kann schädliche Eisenoxid- und Sulfideinschlüsse im Stahl entfernen. Der Mangangehalt wird im Allgemeinen zwischen 0,61 % und 1,54 % geregelt. Stahl mit einem Mangangehalt von mehr als 1,21 % wird als mittelmanganhaltiger Stahl bezeichnet und weist eine sehr hohe Verschleißfestigkeit auf.
4	Cu	Es handelt sich um ein nützliches Element. Stahl enthält geringe Mengen an Kupferverbindungen, die die Ermüdungsfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit von Stahl verbessern können. Der Kupfergehalt von inländischen Stahlschienen liegt im Allgemeinen zwischen 0,101 % und 0,401 %. Wenn der Walzprozess der kupferhaltigen Schiene nicht gut ist, treten fischartige Risse auf der Oberfläche der Schiene auf.
5	P	Es handelt sich um ein schädliches Element. Die größte Gefahr von Phosphid besteht darin, dass es die Formbarkeit und Zähigkeit des Stahls verringert. Insbesondere bei niedrigen Temperaturen nimmt die Kaltzähigkeit des Stahls ab, was leicht zu Schienenbrüchen führen kann; sein Gehalt wird daher auf höchstens 0,041 % begrenzt.
6	S	Schwefel ist ein schädliches Element. Er verbleibt häufig in Form von Körnchen im Stahl. Beim Walzen der Schiene wird er zusammen mit dem Stahl zu Blechen gewalzt, was zu Delamination oder Längsrissen in der Schiene führt. Der Schwefelgehalt wird auf höchstens 0,051 % begrenzt.

Die wichtigsten chemischen Elemente und Funktionen in den Schienen, mit Ausnahme von Eisen

Die mechanischen Eigenschaften von Schienenmaterial

Stärke

Die Fähigkeit der Schiene, Verformungen und Beschädigungen unter Belastung standzuhalten. Sie wird häufig anhand der Festigkeitsgrenze, der Streckgrenze und anderer Kennzahlen ausgedrückt. Die Festigkeitsgrenze (Zugfestigkeit) bezeichnet die Zugbelastung, der das Metall standhält, sowie die maximale Spannung, bei der es nicht zerstört wird. Die Streckgrenze (Fließgrenze) bezieht sich auf die Spannung, bei der das Metallmaterial noch eine signifikante plastische Verformung erzeugen kann, ohne dass die Belastung erhöht wird. Die Einheit ist MPa.

Plastizität

Das Metallmaterial unterlag unter Belastung einer erheblichen Verformung ohne Beschädigung und kann die verformte Form beibehalten, nachdem die Belastung aufgehoben wurde. Dies wird häufig anhand der Dehnung und des Schrumpfens ausgedrückt. Die Dehnung ist der prozentuale Anteil des Verhältnisses der kalibrierten Länge zur ursprünglichen kalibrierten Länge nach dem Bruch der Probe. Die Querschnittskontraktion ist das prozentuale Verhältnis der Verringerung der Bruchfläche der Probe zur ursprünglichen Querschnittsfläche.

Härte

Die Fähigkeit eines metallischen Werkstoffs, dem Eindrücken eines anderen, härteren Objekts (Werkstoffs) in seine Oberfläche zu widerstehen. Je nach Messverfahren wird zwischen Brinell-Härte (HB) und Rockwell-Härte (HRC) unterschieden.

Die Praxis hat gezeigt, dass zwischen Härte und Festigkeit ein gewisser Zusammenhang besteht, der anhand des Brinell-Härtewerts näherungsweise bestimmt werden kann.

Berechnen Sie die Zugfestigkeit des Materials. Beispielsweise beträgt sie bei kohlenstoffarmem Stahl 6b ≈ 0,36 HB und bei kohlenstoffreichem Stahl 6b ≈ 0,34 HB.

Belastbarkeit

Die Fähigkeit von Metallwerkstoffen, Stoßbelastungen ohne Beschädigung standzuhalten. Die Zähigkeit von Metallwerkstoffen lässt sich durch einen Schlagversuch messen und wird durch den Schlagzähigkeitswert αk in kJ/m ausgedrückt.².

Ermüdungsfestigkeit

Unter wechselnder Belastung bricht das Material. Die Fähigkeit von Metallwerkstoffen, Ermüdung zu widerstehen, wird anhand der Ermüdungsfestigkeit gemessen. Die Ermüdungsfestigkeit ist die maximale Spannung, der ein Metallwerkstoff unter wiederholter Wechselbeanspruchung standhalten kann, ohne zu versagen.