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Ständige Betriebsbeanspruchungen der Eisenbahnschienen führen an den Rad-Schiene-Kontaktflächen zu Ermüdungserscheinungen des Materials. Infolgedessen entstehen unter anderem an bogenäußeren Schienenfahrkanten Rollkontaktermüdungsrisse, auch genannt Head Checks. Zur frühzeitigen zerstörungsfreien Prüfung der Ermüdungsrisse wird das Wirbelstromverfahren eingesetzt. Neben der Detektion von Rissen, reagiert die Wirbelstromprüfung außerdem sehr empfindlich auf Veränderungen von Materialeigenschaften, wodurch sich Verfestigungen auch ohne jedes Vorhandensein von Ermüdungsrissen nachweisen lassen. Längerfristige Beobachtungen haben gezeigt, dass die Wirbelstromprüfung das Potential besitzt, mögliche Orte der Entstehung von Ermüdungsrissen in einem extrem frühzeitigen Stadium nachzuweisen.
Der Schrein der Heiligen Drei Könige im Kölner Dom ist einer der
bedeutendsten Goldschmiedearbeiten des Mittelalters in Europa. Der Schrein übertrifft
heute mit seiner Größe und künstlerischen Qualität alle noch erhaltenen Reliquiare
des Mittelalters. Diese kunstvoll verkleidete Truhe (2,10 Meter lang, 1,10
Meter breit und 1,51 Meter hoch) wiegt 515 Kilogramm, denn sie ist reich verziert
mit Goldblechen, vergoldeten Figuren und Blechen aus Silber und Kupfer, über 300
Gemmen, sowie 1741 Edelsteinen und Perlen.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin unterstützte das
Rheinische Landesmuseum Bonn und die Kölner Dombauverwaltung bei den Untersuchungen
des Schreins der Heiligen Drei Könige mit dem Wirbelstromprüfverfahren.
Mit Hilfe von Leitfähigkeitsmessungen auf Basis des Wirbelstromverfahrens
konnte die gesamte Metalloberfläche des Dreikönigenschreins untersucht
werden. Durch Vergleich der Messwerte mit den zuvor untersuchten Fragmenten
konnten die unterschiedlichen Legierungen der Beschläge und Figuren des Schreins
identifiziert werden. Die besondere Schwierigkeit hierbei bestand darin, dass es sich
überwiegend um sehr dünne Bleche verschiedener Legierungen handelt, die eine
stark ausgebildete Reliefstruktur haben und die vergoldet wurden. Mit den Ergebnissen
ist der Nachweis gelungen, dass es schon im frühen 19. Jahrhundert eine äußerst
überzeugende kopistische Technik bei der Herstellung von Prägewerkzeugen gab.
Die Ergebnisse der Wirbelstromprüfung waren für die rheinländischen Kunsthistoriker
argumentativ von großer Bedeutung.
Die zerstörungsfreie Oberflächenprüfung an verlegten Eisenbahnschienen mit Wirbelstrom hat in den letzten Jahren durch ständige Weiterentwicklung und Verifizierung enorm an Bedeutung gewonnen. Es wurde u.a. angestrebt zuverlässige Planungsgrößen für den Einsatz von Instandhaltungsmaßnahmen zu erhalten, durch deren gezielten Einsatz Risswachstum unterbunden werden kann. Die Ursache für das Wachstum von Rissen in der Schiene liegt in der Materialermüdung des Werkstoffes infolge der Betriebsbelastungen im Rad-Schiene-Kontakt. Nach einer gewissen Beanspruchungsdauer kommt es an den Kontaktflächen der Fahrkante zu einer Kaltverfestigung des Schienenstahls. Durch fortschreitende Verfestigung des kontaktbeanspruchten Oberflächenbereichs der gehärteten Schicht wird der Werkstoff spröde und es bilden sich feine Risse aus. Die Risse wachsen anfangs unter einem flachen Winkel in das Schieneninnere hinein, neigen dann aber ab einem gewissen Stadium dazu in das Innere des Schienenkopfes abzukippen, was im Extremfall zu einem Schienenbruch führen kann. Diese Rollkontaktermüdungsrisse, auch genannt Head Checks, entstehen bevorzugt in der Fahrkante von bogenäußeren Schienen. Die Anwendung der Wirbelstromprüfung an der Schiene wurde bisher zur Ermittlung der Schädigungstiefe dieser Rollkontaktermüdungsrisse eingesetzt. Das Wirbelstromverfahren besitzt die Eigenschaft, sehr empfindlich auf alle Veränderungen der Materialeigenschaften an der Oberfläche zu reagieren. Daher wurde festgestellt, dass sich neben der Detektion von Rissen auch Fehler wie Eindrückungen oder Schlupfwellen, bis hin zu Materialveränderungen durch Schweißen oder Aufhärtungen in der Schienenoberfläche bestimmen lassen. Die Wirbelstromprüfung besitzt daher das Potenzial, mögliche Orte der Entstehung von Ermüdungsrissen in einem extrem frühzeitigen Stadium nachzuweisen. Ziel ist es, die rissgefährdeten Zonen schon im Zustand der Kaltverfestigung zu identifizieren. Dadurch können sich neue Aspekte für die präventive Schieneninstandhaltung ergeben.
Mechanische Belastung wie z. B. der Rollkontakt zwischen den Rollen und Lagerringen eines Wälzlagers oder der Rad-Schiene-Kontakt bei der Eisenbahn führen bei ferritischen Stählen zu einer Aufhärtung der Oberfläche. Die mit der Aufhärtung verbundene Versprödung begünstigt die Entstehung von Ermüdungsrissen. Zur Risstiefenbestimmung mit dem Wirbelstromprüfverfahren werden in der Regel Kalibrierkörper mit künstlichen Testfehlern aus dem Grundwerkstoff des Prüfteils verwendet. Die betriebsbedingte Aufhärtung der Prüfteiloberfläche bleibt bei der Kalibrierung unberücksichtigt. Die lokale Aufhärtung der Oberfläche führt zu einem ortsabhängigen Offset des Wirbelstromsignals in Richtung der Rissanzeigen und somit zu einer Überbewertung der Risstiefe. Bei einzelnen Rissen lässt sich der Effekt kompensieren, in dem das Wirbelstromgerät neben jedem Riss abgeglichen bzw. die Differenz zwischen dem Offset und der Rissanzeige berechnet wird. In der Realität liegen die Ermüdungsrisse jedoch oft so dicht nebeneinander, dass auf Grund der Überlagerung benachbarter Rissanzeigen weder ein Abgleich zwischen den Rissen noch eine Bestimmung des Offsets möglich ist. Finite-Elemente-Berechnungen ermöglichen es, die in der Realität stets kombiniert auftretenden Wirbelstromsignale der Ermüdungsrisse und der Oberflächenaufhärtung getrennt zu simulieren, um Erkenntnisse für eine Verbesserung der Risstiefenbestimmung zu erlangen.
Infolge der Betriebsbeanspruchung unterliegen Eisenbahnschienen an
ihrer Fahrkante sog. Rollkontakt-Ermüdung. Diese entsteht bevorzugt in Bögen
durch eine Kaltverformung des Schienenstahls und zeigt sich anfänglich in einer erhöhten
Verfestigung des kontaktbeanspruchten Oberflächenbereichs. Im weiteren
Verlauf entstehen zahlreiche, flach in das Schieneninnere verlaufende Risse sog.
Head Checks. Diese Risse neigen ab einem gewissen Stadium dazu, in das Innere
der Schiene abzukippen, was im Endstadium zu einem Schienenbruch führen kann.
Seit einigen Jahren wird in Deutschland bei der DB AG das Wirbelstromverfahren
erfolgreich zur zerstörungsfreien Prüfung der Schädigungstiefe von Head Checks
eingesetzt. Hiermit wurde u. A. angestrebt, zuverlässige Planungsgrößen für den
Einsatz von Instandhaltungsmaßnahmen zu erhalten, durch deren gezielten Einsatz
ein weiteres Risswachstum wirkungsvoll unterbunden werden kann. Bereits bei einem
der ersten systematischen Einsätze der Wirbelstromprüfung an einer Bogenstrecke
mit hohem Betriebsaufkommen wurde auffällig, dass die Ermüdungsrisse
nicht gleichmäßig entlang des Bogens verteilt auftraten, sondern sich auf kurze Distanzen
Anhäufungen von Rissbefall mit intakten, unbefallenen Abschnitten abwechselten.
Solch wellenförmiges Auftreten von Head Checks wurde auch in den nachfolgenden
Prüfergebnissen der Wirbelstromprüfung vielerorts beobachtet. Aus der
Literatur war bekannt, dass sich die Ermüdungsrisse bevorzugt in verfestigten Materialzonen
bilden. Mit Hilfe von Härtemessungen konnte an verlegten und befahrenen
Schienen gezeigt werden, dass die unbefallenen Zonen etwa die Grundhärte des
Schienenwerkstoffes aufwiesen, während die mit Ermüdungsrissen befallenen Zonen
um ca. 10 25% erhöhte Härtewerte aufwiesen. Die Wirbelstromprüfung reagiert
sehr empfindlich auf Veränderungen der Materialeigenschaften. Somit lassen
sich Verfestigungen der o. g. Art leicht auch ohne jedes Vorhandensein von Ermüdungsrissen
bereits nachweisen. Im Zuge einer längerfristigen Beobachtung einer
neu gebauten Strecke konnte herausgefunden werden, dass sich nach einer gewissen
Betriebszeit wellenförmig verteilte Zonen mit Prüfsignalen, die auf Verfestigungen
schließen lassen auftraten. Im weiteren zeitlichen Ablauf bildeten sich Ermüdungsrisse
tatsächlich in den vorher bestimmten Stellen mit Verfestigung, während die
Zonen ohne diese Prüfsignale weitgehend rissfrei blieben. Diese Ergebnisse zeigen,
dass die Wirbelstromprüfung das Potential besitzt, mögliche Orte der Entstehung
von Ermüdungsrissen in einem extrem frühzeitigen Stadium nachzuweisen.
Betriebsbedingte Oberflächenschäden an Schienen, insbesondere rissartige
Ungänzen wie Head Checks, Squats und Belgrospis spielen bei der Gewährleistung
der Sicherheit des Fahrbetriebes eine zunehmend wichtige Rolle. Bei ungehindertem
Wachstum können diese Schäden bis zum Schienenbruch führen. Um dies zu verhindern,
werden diese Oberflächenschädigungen im Anfangsstadium durch Abarbeiten
der Schienen beseitigt. Häufig werden hierfür Schienenschleifzüge eingesetzt. Für die
effektive Planung dieser Instandhaltungsmaßnahmen wurde ein Wirbelstromprüfsystem
entwickelt, welches in der Lage ist, speziell für den Fehlertyp Head Checks, eine
Risstiefenbestimmung durchzuführen. Dieses wird seit einiger Zeit bei der manuellen
Prüfung (WPG Wirbelstromprüfgerät) und bei der Prüfung mit Schienenprüfzügen
erfolgreich eingesetzt. Das Wirbelstromprüfsystem wurde so modifiziert, dass es in einem
Schleifzug der Firma SPENO INTERNATIONAL SA integriert werden konnte.
Hierüber wurde bereits berichtet (u.a. DACH-Tagung 2004 in Salzburg; ECNDT 2006
Berlin). Der Betrieb im Schleifzug ist für die Weiterentwicklung des Prüfsystems von
herausgehobener Bedeutung, da anhand des tatsächlich erzeugten Materialabtrages eine
laufende Verifikation der Prüfaussagen erfolgen kann. Für die Instandhaltungsmaßnahme
ergibt sich durch das integrierte Prüfsystem der Vorteil, während bzw. unmittelbar
nach Abschluss der Arbeiten eine objektive Dokumentation über das erzielte
Schleifergebnis erstellen zu können. Inzwischen sind einige Schleifzüge mit dem System
ausgerüstet worden. Anhand von Ergebnissen ausgewählter Schleifeinsätze werden
die Aspekte für die Optimierung der Schieneninstandhaltungsmaßnahmen, sowie auch
für die Weiterentwicklung des Prüfsystems selbst vorgestellt.
Die Rissbildung durch Rollkontaktermüdung, der Materialverschleiß oder die Bildung von Einzelfehlern – aufgrund solcher Schädigungsarten wird die Lebensdauer der Schiene signifikant verkürzt. Mit entsprechenden Methoden der ZfP können diese Schäden an Schienen erkannt und bewertet werden. Ein sehr geeignetes Verfahren zur Feststellung von Schädigungen und Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche ist die Wirbelstromprüfung. Die zerstörungsfreie Prüfung der Schienenoberfläche durch das Wirbelstromverfahren wurde ursprünglich zur Detektion von Rollkontaktermüdungsrissen entwickelt. Anhand von Ergebnissen aus zahlreichen Prüfeinsätzen in den letzten Jahren wurde außerdem festgestellt, dass unter anderen auch Fehler wie Squats, Belgrospis, Eindrückungen oder Riffel in den Wirbelstromsignalen erkannt werden können. Aufgrund dieser Erfahrungen ist es möglich geworden, den Oberflächenfehlern in der Schiene ein charakteristisches Wirbelstromsignal zuzuordnen. Somit eröffnet sich die Möglichkeit die Wirbelstromprüfung an Schienen nicht ausschließlich zur Detektion von Rollkontaktermüdungsris-sen zu verwenden, sondern auch zur Feststellung von Einzelfehlern oder Materialveränderungen in der Oberfläche. Zusätzlich besteht das Potential durch Ultraschall erfasste Anzeigen, wie z.B. Schweißnähte, Squats etc. mit der Wirbelstromprüfung zu bestätigen und die Aussagesicherheit und Qualität dieser Prüfmethoden noch zu erhöhen.
The findings indicate that rolling contact fatigue with consecutive head checks develops preferentially in rail sections that have experienced operational work-hardening. Such hardening can be identified by instruments measuring the increased hardness values with respect to the base material. Eddy current testing was initially introduced with the aim to detect head checks and determine their damage depth. Because the material texture influences eddy current flow in the test objects very strongly, variations in hardness can easily be visualised using this method. Thus, in principle, it is possible to predict places where head checks will emerge later. This knowledge may be very helpful in improving our understanding of head check emergence under real conditions. This knowledge may also help in developing new and effective precautionary maintenance strategies.