Schadensanalyse Radsatzwelle ICE-3 · PDF fileV.3/566 Schadensanalyse Radsatzwelle ICE-3, Stand 2008-09-22 Klinger, Bettge, ... (4MN entspricht der Gewichtskraft von 400 t) Abpressen

V.3/566 Schadensanalyse Radsatzwelle ICE-3, Stand 2008-09-22

Folie 1Klinger, Bettge, Häcker Vorab-Präsentation EBA, DB, 2008-09-24

Schadensanalyse Radsatzwelle ICE-3Bisherige Untersuchungen

Vorläufige Ergebnisse Stand 2008-09-22

Überarbeitung 2008-09-29

Auftraggeber: Staatsanwaltschaft KölnAuftragsnummer BAM-V.3/566

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfungArbeitsgruppe Schadensanalyse, C. Klinger

Fachgruppen V.3, V.1, V.2, VIII.3, VIII.4, VI.1, VI.3

Unter den Eichen 8712205 Berlin

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung



Aufgabenstellung Staatsanwaltschaft Köln„Im Auftrag der Staatsanwaltschaft Köln wird die Bundesanstalt für

Materialforschung mit den Unfallursachenforschung bezüglich der Entgleisung des IC 518 beauftragt.

Im Rahmen des Untersuchungsauftrages sollen Fragen zur Unfallursache, Fragen zu Werkstoff- oder Fertigungsmängel, festgestellte Mängel am Fahrzeug, Einhaltung der Normvorschriften und Fragen zu eventuellen Wartungsmängel beantwortet werden.

Sollten weitere Untersuchungen erforderlich sein, bitten wir Sie uns hierüber in Kenntnis zu setzen, was von Ihrer Seite als noch erforderlich erachtet wird.

Als Anhang fügen wir Ihnen zur Kenntnis noch die Auskünfte der DB Netz und den Ermittlungsbericht der Bundespolizei vom Unfalltag bei.“

BAM-Einschränkung: Das Drehgestell der gebrochenen Radsatzwelle wurde am 2008-07-15 vom Fahrzeug Tz 310, Wagenkasten 403 710-7 getrennt. Die BAM konnte das Fahrzeug daher nicht in Augenschein nehmen. Einflüsse des Fahrzeugs auf das Drehgestell mit der gebrochenen Radsatzwelle konnten nicht untersucht werden.



Bauteiluntersuchungen• Drehgestell, Federn, Dämpfer, Lenker, Bremsen, Motorträger, Motor, Getriebe,

Drehmomentstütze, Kupplung, Achslager:• Am Drehgestell wurden alle Bauteile, die Einfluss auf die in den Radsatzwellen

wirkenden Vertikal-, Längs-, und Querkräfte gehabt hatten, visuell untersucht: Bruch, Verformung oder Fehlfunktion wurden nicht festgestellt. Alle Schäden wurden als Sekundärschäden, die nach dem (Durch-)Bruch der RSW entstanden sind, eingestuft.

Der Bruch der RSW hat daher vermutlich keine an den hier vorliegenden Bauteilen feststellbare äußere Ursache. Lasten aus dem Wagenkasten oder der Motorregelung konnten hier nicht überprüft werden.



Werkstoffuntersuchungen

• Zerteilung des gebrochenen Treibradsatzes (TRS)• Abpressen der Radscheibe auf Seite B• Auswertung Regelwerk • Mechanisch-technologischen Prüfungen

• Zugversuche• Kerbschlagbiegeversuche

• Chemische Analyse



Bestandsaufnahme• Einbaulage des gebrochenen TRS

RSW Seite A, langes Bruchstück mit Getriebe, Bruchfläche FA

Bruchfläche Seite B: FB (kurzes Bruchstück)

403 510

2. Klasse

403 610

2. Klasse

403 810

2. Klasse

403 710

2. Klasse

Fahrtrichtung

BrückeHauptbahnhof

Köln

(Skizze von DB AG)

(Pressefoto)



Seite A Seite B

RadscheibeRadscheibe

Getriebe Welle BruchstelleFreier Sitz

Aufbau und Anlieferungszustand des TRS



Zerteilung des TRS

Brennschneiden der Welle

Abtrennen des Lagersitzes Seite A Abpressen des Wellenstumpfes aus

der Radscheibe Seite B

Seite A

Seite A

Seite B



Abpressen des Wellenstumpfs, Seite BAufbau in der 4 MN-Prüfmaschine(4MN entspricht der Gewichtskraft von 400 t)Abpressen nach Vorschriften

• UIC 813 • Arbeitsanweisung 2310.0059Aufpressen mit mind. 630 kNAbpressen mit 1,2fache: mind. 670 kN

0

250

500

750

1000

1250

1500

0 50 100 150 200Kolbenweg in mm

Kra

ft in

kN

Fmax: 1237 kN

BAM: Abpressen ohne hydraulisches Aufweiten der Nabe



Trennen derTreibradsatzwelle

WellenstumpfLagersitz Radsitz Getriebesitz Freier Sitz



Lage des Bruches in der Mulde zwischen freiem Sitz und Radscheibensitz B

Wellendurchmesser: Sollmaße hier ohne Toleranzangabe



Verweise auf Regelwerke• Baujahr der TRSW 2660419 war 2000• nach: „Technische Spezifikation/Liefervorschrift für Radsätze ICE 3“ März 1997

von Fa. AEG/Adtranz• dort Verweise bei den Werkstofffestlegungen auf weitere Unterlagen/Regelwerke

Auszug aus „Techn. Spezifikation/Liefervorschrift für Radsätze ICE 3“ 03/97, Bl.6

Festigkeit, Duktilität, Zähigkeit

ChemieReinheitsgrad

in TL256 und EN13261 ist das Abschnitt 3.4 (!)



Regelwerk: Festigkeit, Duktilität, Zähigkeit

• Verweis auf EN 10083-1 mit Angabe einer Spanne der Zugfestigkeit• EN 10083-1:1996 Vergütungsstähle, Technische Lieferbedingungen für Edelstähle • Nachfolger ist EN 10083-1: 2006 bzw. -3:2007

KV ≥ 45KV ≥ 45

≥ 55≥ 55

≥ 12≥ 13

900…1100800…950

≥ 700≥ 600

EN 10083-1:1996 für 100mm < d < 160 mmfür 160 mm < d < 250 mm

900…1050Vorgaben in der „Techn. Spezifikation/Liefervorschrift für Radsätze ICE 3“ 03/97

K in JZ in %A in %Rm in MPaReH in MPa

„In Anlehnung an EN 10083-1“

Die Vorgaben für den 34CrNiMo6 sind aus der EN 10083-1 ableitbar.



Bahn-Regelwerke: Chemische Zusammensetzung und Reinheitsgrad

• Verweis auf CEN-Normenentwurf TL256/SC2/WG11, hier 1997

Spezifische Werkstoffangaben A1 = C35A2 = 22MnCrV5A3 = C45A4 = 25CrMo4A5 = 42CrMo4

UIC 811 Tech. Lieferbedingungen Radsatzwellen für neuzubauende Triebfahrzeuge und Wagen UIC811-1:1987 (4. Ausgabe), gültig bis 1.8.2006, „empfehlend für Triebfahrzeuge“UIC811-2:1988 (1. Ausgabe), 2. Ausgabe 2004für Lieferungen an DB: zusätzlich: TL 918 275:1996 Tech. Lieferbedingungen Radsatzwellen für Triebfahrzeuge und Wagen

Werkstoffneutrale Angaben zu Chemie, Gefüge, Festigkeit, Zähigkeit,…undwerkstoffspezifische Angaben für die Werkstoffe EA1T und EA4T im Anhang A (normativ)

CEN-Normenentwurf TL256/SC2/WG11:1997 E_EN 13261:1998 EN 13261:2006-01 (aktuell)E_EN 13261:2006-11(zum großen Teil identische Zahlenangaben)

WerkstoffanforderungenRegelwerk

Der 34CrNiMo6 ist nicht direkt im Bahn-Regelwerk genannt, kann daher nur über die allgemeinen Vorgaben in der Werkstoffnorm EN 10083-1 definiert werden.



Mechanisch-technologische Prüfungen (MTP):Probenahme 1

Probenahmeaus dem Bereich des freien Lagersitzes nahe Bruchfläche FA

Proben für Zugversuche, für Kerbschlagbiegeversuche und für die chem. Analyse

Bruchfläche: FA

Scheibe fürMetallographie: SQ

„Scheibe“ für Probender MTP: SM



Mechanisch-technologische Prüfungen:Probenahme 2

nach verschiedenen Normen• E_EN 13261:1998 Radsatzwellen, Produktanforderungen, mit

Angaben zu MTP • EN 10083-1:1996 Vergütungsstähle, Technische

Lieferbedingungen für Edelstähle

ISO-U-ProbenAnzahl: 9+9 , längs und querLage: zwischen Ri und Ra

ISO-V-Proben Anzahl: 3 , längsLage: randnah mit 12,5 mm Abstand

Kerbschlag-proben

Probe für chem. Analyse

mind. 10 mmAnzahl: 3Lage: zwischen Ri und Ra

Anzahl: 1Lage: randnah mit 12,5 mm Abstand

Zugproben

EN 13261EN 10083-1

keine besonderen Vorgaben



Mechanisch-technologische Prüfungen:Zugversuche und Kerbschlagbiegeversuche

KV = 109

KU längs = 56 / 57 / 54quer = 49 / 50 / 44

6717...30982889Prüfergebnisse (Mittelwerte bzw. Bereich)

Ist

KV ≥ 45KV ≥ 45

≥ 55≥ 55

≥ 12≥ 13

900…1100800…950

≥ 700≥ 600

EN 10083-1:1996 für 100mm < d < 160 mmfür 160 mm < d < 250 mm

900…1050Vorgaben in der „Techn. Spezifikation/Liefervorschrift für Radsätze ICE 3“ 03/97

Soll

K in JZ in %

A in %Rm in MPaReH in MPa

„In Anlehnung an EN 10083-1“

Die Forderungen hinsichtlich Festigkeit, Duktilität und Kerbschlagarbeit werden erfüllt.

Vergleich der Prüfergebnisse mit den Werkstoffanforderungen

EN 10083-1:1996 Vergütungsstähle, Technische Lieferbedingungen für Edelstähle

Auße

nM

itte

Inne

n

Auße

n+In

nen

Mitt

e



Zusätzliche Werkstoffuntersuchungen• Entnahme und Prüfung von ISO-V-

Proben aus „Scheibe“ SM, jeweils „hinter“ dem Bereich des Rissstarts und dem gegenüber liegenden Bereich von FA

• Längsproben mit tangentialer Kerblage (Rissfortschritt radial)

• Ein Einfluss der Probenlage auf die Kerbschlagarbeit ist nicht erkennbar.

109 J

Zum Vergleich:randnahe ISO-V-Proben nach EN 10038-1 mit radialer Kerblage

109 JIm gegenüber liegenden Bereich

110 JIm RissstartbereichMittelwertProbenlage



Chemische Analyse

0,06-0,04V

0,30-0,05Cu

--0,004Al

0,30 (EA4T: 0,3)1,30 bis 1,701,41Ni

0,08 (EA4T: 0,15…0,3)0,15 bis 0,300,18Mo

0,30 (EA4T: 0,9…1,2)1,30 bis 1,701,57Cr

0,015≤ 0,0350,005S

0,020 (0,025 kann vereinbart werden)≤ 0,0350,012P

1,200,50 bis 0,800,58Mn

0,50≤ 0,400,17Si

0,400,30 bis 0,380,40C

Sollwert Maximum in %Sollwert in %Istwert in %Elemente

„Techn. Spezifikation/Liefervorschrift für Radsätze ICE 3“1997-03: Verweis auf: CENTL256SC2WG11:1997 (allgemeine Angaben, die speziellen Vorgaben für

EA1T und EA4T weichen z.T. davon ab)

EN 10083-1:1996für 34CrNiMo6

MessergebnisseBAM

Die Anforderungen der EN 10083-1:1996 für 34CrNiMo6 werden erfüllt. Die Angaben in der „Techn. Spezifikation/Liefervorschrift für Radsätze ICE 3“:1997-03 sind für die Treibradsatz-welle widersprüchlich. Daher kann der hier vorliegende Stahl diese nicht alle erfüllen.



Werkstoffuntersuchungen• Präparation • Bruchflächenuntersuchung (Fraktographie)• Gefügeuntersuchung (Metallographie)• Oberflächenanalyse



Fraktographische Untersuchungen

• Zuordnung der beiden Bruchflächen zueinander• Ermittlung der Bruchart (z.B. Gewaltbruch oder

Schwingbruch)• Ermittlung der Lage des Rissstartbereichs• Beschreibung des Bruchablaufs



Fraktographie• Abtrennen der beiden Bruchflächen

Bruchfläche FA Bruchfläche FB



FA• Einzeichnen der

Rastlinien und anderer Merkmale

• Rissstart-Bereich ist extrapoliert aus Rastlinienmuster, Ortsbestimmung auf ca. 1 cm

sichtbare Rastlinie

vermuteter Verlauf

Rissstart

max

. WS

FA

min

. WS

FA

„Locke“

Restbruchbereich?



FB• Einzeichnen der

Rastlinien und anderer Merkmale

sichtbare Rastlinie

vermuteter Verlauf

min

. WS

FB

max

. WS

FB

„Kerbe“

Restbruchbereich?



Schwingriss• Makroskopisch wurden

Rastlinien und elektronenmikroskopisch Schwingstreifen nachgewiesen => Nachweis Schwingriss

Rissstart

20 mm



„Kerbe“

FB• Details „Kerbe“

vollständig verriebenGewaltbruch nachgewiesen5 mm

Rissstart



Restgewaltbruch FB

vollständig verriebenduktiler Gewaltbruch

„Kerbe“

REM: Gewaltbruch

10 mm

50 μm



Zuordnung• Bild von FA mit

Mustern FA (gelbe Linien) überlagert mit gespiegelten Mustern von FB (grüne Linien)

„Locke“/“Kerbe“

Restbruchbereich

min.

WS

FB

max

. WS

FB

max

. WS

FA

min

. WS

FA



Zuordnung

54,2 mm

55,3 mm

Rissstart

„Kerbe“/“Locke“

Restbruchbereich

min. W

S FB

max. W

S FB

• Bild FB mit Mustern FB (grüne Linien) überlagert mit gespiegelten Mustern von FA (gelbe Linien)



Restgewaltbruchbereiche FA + FB• Korrespondenz

von „Locke“ und „Kerbe“ FA

FB„Kerbe“

„Locke“

1 cm



Rissstartbereiche FA + FB• Zuordnung der

Rissstart-Bereiche von FA und FB nach Ausrichtung von „Locke“ und „Kerbe“, Blick auf die Bruchkanten

FA

FB

1 cm



Details FA• Rissstartbereich und

Restbruchbereich• Beide Bereiche sind

sekundär sehr stark verformt, Original-Rissflächen nicht mehr vorhanden.

Rissstart

Restbruchbereich

1 cm



Details FB• Rissstartbereich und

Restbruchbereich• Sehr starke

Umformungen in beiden Bereichen, Original-Rissflächen nicht mehr vorhanden

Restbruchbereich

Rissstart

2 cm



Schema Riss/Bruch• Überlagerung Rastlinien-

Struktur FA mit gespiegelter Struktur FB

• Abschätzung von minimaler und maximaler Größe des Restbruchbereichs

Rissstart

Restbruchbereich

minimal

maximal



Einordnung Bruchmechanismus

Quelle: Lange: Technische Schadensfälle



FraktographieMechanismus, Abfolge• Schwingriss ausgehend lokal

von einer Stelle, phasenweise asymmetrischer Fortschritt

• Im Vergleich zum Schwingriss kleiner Restgewaltbruchbereich

• Verreiben der Rissflächen

Schematische Darstellung



Trennplan FA• Trennen für

Fraktographie, Metallographie und CT

Trennschnitt Frakto

Bruchausgang

REM

REM

REM

FA-01FA-02

FA-03

Trennschnitt Metallo

FA-01-01FA-01-02

FA-01-04FA-01-05

FA-01-03

CT



• Trennen für Fraktographie

Trennschnitt

„Kerbe FB“

REM

FB-01

REM

FB-02

Trennplan FB



Schnitt durch den Rissstartbereich• Längsschliff an der Bruchkante von FA• => Bruchkante stark plastisch umgeformt

ursprüngliche Form des Korbbogens (abgeschätzt)

-t

a

-r

a

r

Volumenmodell der CT-Untersuchung des Rissstartbereiches



• Längsschliff Bruchkante FAOberflächennahe Bereiche sind rekristallisiert

Grundgefüge

rekristallisiert

a

r

Verformung der Bruchfläche



Strukturen auf FA• Details der

Bruchfläche FA• zusätzliches

Linienmuster in diesem Bereich der Bruchfläche

Schwingriss

verrieben

verrieben

Linienmuster

verrieben

1 cm



Sekundäres LinienmusterReihenfolge aus

Überlagerung der Muster:

• Primär: Schwingriss

• Sekundär: Linienmuster

• Tertiär: Verreibung

Schwingriss

verrieben

Bereich mit Linienmustern

verri

eben

verriebenSchwingriss



Sekundäres Linienmuster• Linienabstände

der Sekundärmuster wachsen von innen nach außen (siehe Pfeil)

• mindestens 80 Linien erkennbar

verriebenSchwingriss



Sekundäres Linienmuster• Detail Sekundärlinienmuster• Hauptlinien haben Feinstruktur, bisher keine Deutung



Sekundäres Linienmuster• Randbereiche der Sekundärlinienmuster

Schwingriss

Schwingriss

Linienmuster

Linienmuster

verrieben



Deutung Sekundärlinienmuster• Die Kanten der Bereiche mit

Sekundär-Linienmuster beschreiben offenbar konzentrische Kreisbögen (s. Pfeile) mit gedachtem Mittelpunkt an der „Kerbe“/ „Locke“, also um den Restgewaltbruchbereich.



Deutung SekundärlinienmusterMechanismus (Hypothese)• Entstehung der

Sekundärlinienmuster kurz vor dem endgültigen Durchriss der Welle durch Verdrehen der beiden Bruchhälften gegeneinander.

• Auswandern des Gegenstücks FB um den Restquerschnitt bei der Kerbe/Locke als Drehpunkt in einer klar erkennbaren Richtung, dann Durchriss der Welle.

• Grobe Abschätzung der Fahrstrecke während der Erzeugung des Musters: Raddurchmesser 920 mm, ca. 80 Streifen => ca. 231 m Fahrstrecke

Positionen von FB



Mechanismus (Hypothese)• RSW Seite A wird vom Motor angetrieben

bzw. gebremst. Dadurch Torsionsmoment in der RSW

• Belastung der bereits tief angerissenen RSW durch Torsionsmoment führt zu Relativbewegung zwischen FA und FB und plastischer Verformung am Restquerschnitt („Locke“/“Kerbe“).=> Sekundäres Linienmuster

• Aus der Richtung des Auswanderns (Sekundären Linienmuster) wird auf die Richtung des Torsionsmoments geschlossen

403 510

2. Klasse

403 610

2. Klasse

403 810

2. Klasse

403 710

2. Klasse

FA

Ausfahrt Köln Hbf.Einfahrt Köln Hbf.

Ablauf Wellenbruch



• Mögliche Betriebszustände für ein Torsionsmoment in der erkannten Richtung durch :A) Beschleunigen Steuerwagen 010 führend (in Richtung Köln Hbf.)

oder B) Bremsen Steuerwagen 510 führend (aus Köln Hbf heraus)

oderC) enger Linksbogen Steuerwagen 510 führend (aus Köln Hbf heraus)D) enger Rechtsbogen Steuerwagen 010 führend (in Richtung Köln Hbf.)

• Bezogen auf Köln Hbf mit Hohenzollernbrücke• Linienmuster durch mehr als 230m gleichförmiger Betriebszustand =>

Betriebszustand C (aus Köln Hbf heraus bis Brücke) scheidet als Bruchzeitpunkt aus, da der Zug hier bereits mehr als 200m entgleist gefahren war.

• Die tertiär entstandenen Verreibungen auf FA/FB können auf wenigen Metern Bremsweg nicht entstehen => Betriebszustände B und C scheiden in Köln aus

• Aufschieferungen Drehgestell => B, C, D scheiden wegen zu geringer Fahrstrecke aus• FAZIT: Betriebszustand A) bleibt übrig => Wellenbruch spätestens beim letzten

Beschleunigungsvorgang in Fahrtrichtung Köln

403 510

2. Klasse

403 610

2. Klasse

403 810

2. Klasse

403 710

2. Klasse

Ausfahrt Köln Hbf.Einfahrt Köln Hbf.

ZeitpunktWellenbruch



Ergebnisse Fraktographie• Aufgrund des Fahrbetriebs des Zuges mit gebrochener Welle sind beide

Bruchflächen stark verrieben und die Bruchkanten umgeformt• Eindeutige Zuordnung der Bruchflächen möglich durch die Merkmale

• Rastlinienmuster• Außermittigkeit der Bohrung• Passung „Locke“/“Kerbe“• und Makrogefüge (Dendritenstruktur)

• Schwingbruch und Restgewaltbruch elektronenmikroskopisch nachgewiesen• Bruchart: Schwingbruch durch Umlaufbiegebelastung der Radsatzwelle, Rissstart

an einer Stelle oder in einem kleinen Bereich • Rissstartbereich weder auf den Bruchflächen FA und FB noch auf der Oberfläche

der Mulde auswertbar• Anteil des Restgewaltbruchs nicht genau ermittelbar• Sekundär-Linienmuster geben Hinweise auf Restbruchablauf und Fahrtrichtung des

Zuges beim Bruch der Welle. Der Bruch der Welle muss spätestens beim letzten Beschleunigungsvorgang in Richtung Köln und vor der Einfahrt nach Köln Hbf. eingetreten sein.



Metallographische Untersuchungen

• Makrogefüge• Härte• Mikrogefüge• Korngröße• Reinheitsgrad• Oberflächengüte



• Rastlinienmuster auf Baumannabdruck SQ

• Bild von Fotopapier gescannt und nachkontrastiert

• Ergebnis: nach Anlage zu UIC 811-1 (Album der Grenzmakroschliffbilder) in Ordnung

Baumannabdruck



• Makroschliff SQ (von FA abgewandte Seite, Bild gespiegelt) mit überlagertem Rastlinienmuster der Bruchflächen

• Ergebnis: auffällige grobe Dendriten, besonders auf der Seite des Rissstartbereichs

Dendritenstruktur



Dendritenstruktur• Makroschliff SQB (von

Bruchfläche FB abgewandte Seite) mit überlagertem Rastlinienmuster der Bruchflächen

• Ergebnis: ebenfalls auffällige grobe Dendriten, besonders im Rissstartbereich

• Makroschliffe SQ und SQB sehr ähnlich, d.h. das gefundene Muster muss auch im axial dazwischen liegenden Rissstartbereich vorhanden sein.

• Zur Bewertung wurden zusätzliche MTP vorgenommen.



Härte• Härtemessungen an

polierter Scheibe SQB, der Bruchfläche FB zugewandt

• Methoden: HV10 und HRC an jeweils 3 Messreihen unter 120 Grad Winkel



0

50

100

150

200

250

300

350

0 10 20 30 40 50 60

Entfernung zum Außenrand in mm

Här

te in

HV1

0

Reihe 3 BruchausgangReihe 4Reihe 5

Härte• Ergebnis:

keine Unterschiede erkennbar zwischen Rissstartbereich und den gegenüber liegenden Bereichen

• Bewertung: Gleichmäßige Durchhärtung des Bauteils

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50 60

Entfernung zum Außenrand in mm

Här

te in

HR

C

Reihe 6, BruchausgangReihe 7Reihe 8



Definitionen• Definition

Schliffebenen

Querschliff

Längsschliff

Flachschliff

r

t

• Definition Koordinatensystem (Blick auf Bruchfläche FA)

a: axial zur Weller: radial zur Wellenachse (Null in Wellenmitte)t: tangential

a



Trennplan• Trennen SQ(A) für

metallographische Mikrostruktur-Untersuchungen

Trennschnitt

L

F

Q Querschliff

Längsschliff

Flachschliff

Härtemessung

Bruchausgang

L

L

Q

Q

SQ-01

SQ-02

SQ-01-01

L

L

LF

Q

Q

SQ-01-02

SQ-01-03

SQ-01-04

SQ-01-05 SQ-01-06

SQ-02-06

SQ-02-03

SQ-02-05

SQ-02-01

SQ-02-04

SQ-02-02

F

L



Abnahmeprüfzeugnis RSW-Hersteller• u. a. Bescheinigung von Werkstoffparametern



Beispiele Mikrogefüge• Ergebnis: Vergütungsgefüge mit Zwischenstufe (Bainit)• Übereinstimmung mit Abnahmeprüfzeugnis PSW

Querschliff Flachschliff



Korngröße• Forderung: nach CEN-Normenentwurf TL256/SC2/WG11:1997, Körner kleiner

Größenklasse 5 (62 μm)• Bestimmung der Größe des ehemaligen Austenitkorns, Sichtbarmachen der

Korngrenzen durch Ätzung nach Bechet-Beaujard• Ergebnis: Größenklasse 6/7 (30 μm) • Bewertung: Korngröße in Ordnung



Reinheitsgrad: Anforderungen, Methode• Forderung: nach CEN-Normenentwurf TL256/SC2/WG11:1997, Abschnitt 3.4.

Tabelle 5 in 3.4.1.1 ist identisch mit derjenigen in EN13261:1998.• Reinheitsgrad Kategorie „1“ ist zu wählen nach TL256 bzw. EN 13261 Absatz 1, wenn die

Betriebsgeschwindigkeit über 200 km/h liegt (vergl. PSW-Abnahme-Prüfzeugnis). • Auswertung Einschlüsse nach Richtreihen in ISO 4967:1998 (E) Methode A Ausgewertete

Fläche pro Probe ca. 200 mm², • Bewertung nur der dicken Serie, Einschlüsse der dünnen Serie bleiben unberücksichtigt

A: Sulfid-Typ B: Alu- Typ C: Silicat-Typ D/DS: Typ globulare Oxide

Einzelwerte, dicke Serie, maximal Summe B+C+D Zulässige Werte nach Entwurf CEN TL 256… Kategorie 1

A ≤ 1 Länge < 261 µm

B ≤ 1 Länge < 184 µm

C ≤ 1 Länge < 176 µm

D/DS ≤ 1 D: Anzahl < 9 DS: Durchmesser < 27 µm

B+C+D ≤ 2



Beispiel Einschluss• Längsschliff Nähe Bruchkante FA: Einschluss Silikattyp C,

Teilchen nicht unterbrochen• Bewertung: unzulässig

(Lage schematisch)

a

r

Länge ca. 550 µmBreite ca. 30 µmC 2,5e + Überbreite

-t

a

-r



Beispiele Einschlüsse• Längsschliff Bruchkante FA: Einschlüsse

(Lagen schematisch)

100 μm 100 μm

a

r

a

r

Länge ca. 275 µmBreite ca. 58 µm

Länge ca. 350 µmBreite ca. 30 µm

beide Einschlüsse:Länge und Überbreite unzulässig

-t

a

-r



Beispiele Einschlüsse• Längsschliff Bruchkante FA: Einschlüsse

EDX Flächenmessung über die Partikel:Al, O, Mg

5 μm

a

a

r



Untersuchung Rissstartbereich• Volumenmäßige zerstörungsfreie Erfassung der Probe

FA-01-02 mit Mikro-Computertomographie (CT)• Diese Probe enthält mutmaßlich den Rissstartbereich,

der jedoch nach dem Bruch der Welle stark verformt wurde.

FA-01-02

1 cm

FA-01-02



CT an FA-01-02• Beim Sichten der Daten Anzeigen

A1, A2 und A3 gefunden, evtl. Einschlüsse?

• Anzeigen im Bereich des Rissstarts wurden nicht gefunden

A2

A3

A1

Ausdehnung der Anzeigen ca.A1: 698 x 133 x 33 µmA2: 930 x 133 x 33 µmA3: 399 x 100 x 33 µm

(a x r x t)-t

a

-r

-t

a

-t

a

CT-Schnittebene in r

5 mm

CT-Schnittebene in r



Zielpräparation CT-Anzeige• Metallographische Zielpräparation der Anzeige A1

A1

-t

a

-r

Schliffebene Querschliff

Lage A1 projiziert auf die Außenflächen

t = 1,4 mm

a = 4,0 mm

r = 2,5 mm

-t

a1 cm



Zielpräparation CT-Anzeige• Anzeige A1 ist tatsächlich ein Einschluss. Position und

Größe entsprechen der Anzeige aus der CT-Messung.• Weitere Einschlüsse bis ca. 40 µm Größe erkennbar -t

a

-r

Querschnitt auf der Ebene der beiden „kurzen“ Achsen des Einschlusses. Ausdehnung senkrecht zu Bildebene ~700 μm!

-t

-r

Querschliff

äußere Oberfläche



Zielpräparation Einschluss• Chemische Analyse (EDX-Messung) an Einschluss A1 (Querschliff)• Ergebnis: Morphologie ähnlich Silikattyp, Mischoxide und

Mangansulfid• Bewertung: Schlackereste oder Ofenausmauerung?

5: S, Ca, Al, Mn, O

6: Al, O, (Ca)

1: Al, O, Ca, Si

3: Al, O

10 μm-t

-r



Reinheitsgrad nach ISO 4967:1998 (E) Methode A

bruc

hnah

bruc

hfer

n

A: Sulfid-Typ B: Alu- Typ C: Silicat-Typ D/DS: Typ globulare Oxide

Einzelwerte, dicke Serie, maximal Summe B+C+D Zulässige Werte nach Entwurf CEN TL 256… Kategorie 1

A ≤ 1 Länge < 261 µm

B ≤ 1 Länge < 184 µm

C ≤ 1 Länge < 176 µm

D/DS ≤ 1 D: Anzahl < 9 DS: Durchmesser < 27 µm

B+C+D ≤ 2

Probe Messergebnisse zulässig/unzulässig

FA-01-02 A 1 Länge >127 µm bis ≤ 261 µm Dicke ≥ 2 µm bis ≤ 4 µm

(keine) C 2,5e Länge ≥510 bis <746 µm Dicke > 5 µm bis ≤ 12 µm

D 0,5e 1 bis 3 Einschlüsse im Messfeld Dicke ≥ 8 µm bis ≤ 13 µm

3

SQ(A)-01-03 A 1 e Länge >127 µm bis ≤ 261 µm Dicke ≥ 4 µm bis ≤12 µm

(keine) C 0,5 Länge >18 µm bis ≤ 76 Dicke ≥ 2 µm bis ≤ 5 µm

DS 2 einzelner Einschluss Ø > 38 bis ≤ 53 µm

2

SQ(A)-02-03 A 1 e Länge >127 µm bis ≤ 261 µm Dicke ≥ 4 µm bis ≤12 µm

(keine) C 0,5 Länge 18 µm bis ≤ 76 Dicke ≥ 2 µm bis ≤ 5 µm

DS 2 einzelner Einschluss Ø > 38 bis ≤ 53 µm

2

SME-01-03 A 1 Länge >127 µm bis ≤261 µm Dicke ≥ 2 µm bis ≤4 µm

(keine) C 0,5 Länge 18 µm bis ≤ 76 Dicke ≥ 2 µm bis ≤ 5 µm

D 0,5 e 1 bis 3 Einschlüsse im Messfeld Dicke ≥ 8 µm bis ≤ 13 µm

0,5

SAE-01-03 A 1 Länge >127 µm bis ≤261 µm Dicke ≥ 2 µm bis ≤4 µm

(keine) C 0,5 e Länge 18 µm bis ≤ 76 Dicke > 5 µm bis ≤12 µm

DS 1,5 einzelner Einschluss Ø > 27 bis ≤ 38 µm

2

Mittels CT-Messung in FA-01-02 Einschlüsse Kategorie B/C mit Längen bis ca. 930 µm gefunden!



Oberflächenqualität Mulde

a

t

a

t

• Oberflächenungänzen auf der Oberfläche (Mulde) FB• REM-Untersuchung nach Abbeizen der Schutzschicht• Ergebnis: Oberflächenungänzen gefunden, mit REM-EDX

Einschluss-typische Elemente nicht nachgewiesen



Einschlüsse in Oberfläche• Oberflächenungänzen auf der Oberfläche (Mulde) FB• REM-Untersuchung nach Abbeizen der Schutzschicht• Ergebnis: Aluminiumoxid-Einschluss

a

t

EDX Messung:Al, O



Ergebnisse Reinheitsgrad• Metallographisch wurden an nach Norm genommenen Schliffen Einschlüsse

unzulässiger Größe nachgewiesen• Mittels CT wurden weitere Anzeigen gefunden, die unzulässig große Einschlüsse sein

könnten. Eine von diesen wurde mittels metallographischer Zielpräparation als Einschluss unzulässiger Größe identifiziert.

• Im untersuchten Bereich von wenigen Quadratzentimetern der Oberfläche im Bereich der Mulde wurde ein nichtmetallischer Einschluss eindeutig identifiziert.

• Bewertung: Anforderungen an den Reinheitsgrad sind in der Nähe der Bruchflächen FA und FB (bruchnah) nicht erfüllt.

• Die durchgeführten metallographischen Untersuchungen legen nahe, dass der Reinheitsgrad in axialer Richtung weit entfernt (bruchfern) von den Bruchflächen besser ist als dort.



Ergebnisse Metallographie• Baumannabdruck in Ordnung• Makroschliff: Dendriten ungewöhnlich groß und auf einer Seite radial gerichtet;

Bruchausgangsstelle fällt mit solchen großen Dendriten zusammen• Ein Einfluss der Struktur mit großen Dendriten auf die Kerbschlagarbeit wurde nicht

gefunden (s. MTP, zusätzliche Prüfungen ISO-V).• Härtewerte in Ordnung• Vergütungsgefüge in Ordnung• Korngröße in Ordnung• Reinheitsgrad bruchnah nicht in Ordnung

• Der Nachweis einer rissursächlichen Inhomogenität an der Rissstartstelle ist auf Grund der starken Beschädigungen im Bereich des Bruchs nicht möglich.

• Einschlüsse, wie sie in der Nähe der Rissstartstelle nachgewiesen wurden, könnten als Rissstarter fungiert haben.



Ergebnisse: Geometrie und Oberfläche der Mulde• Geometrie

• Die nach Zeichnung in der Mulde geforderten Durchmesser, Radien und Radienübergänge werden eingehalten.

• Oberfläche in der Mulde • Die nach Zeichnung geforderte Oberflächenrauheit wird in den untersuchten

Bereichen ohne Sekundärschäden eingehalten.• Im mittels REM untersuchten Bereich von wenigen Quadratzentimetern der

Oberfläche wurde ein nichtmetallischer Einschluss eindeutig identifiziert.• An anderen Stellen wurden Ungänzen gefunden, die möglicherweise geöffnete

Hohlräume nichtmetallischer Einschlüsse, Bearbeitungsspuren oder Kratzer sind.• Fazit:

• Die Ungänzen der Oberfläche sind deutlich größer als die geforderte und auch vorliegende Rauheit.



Zerstörungsfreie Prüfungen in der BAM• teilmechanisierte Ultraschall-Hohlwellenprüfung an den beiden

Bruchstücken der RSW: kein Befund!• Ultraschall-Handprüfung auf Parallelrisse neben dem Bruch: kein Befund!• Magnetpulverprüfung in der Mulde auf Parallelrisse neben dem Bruch:

kein Befund!



Hypothese: Schadensursachen für Bruch der RSWSchadensursächlich war wahrscheinlich eine UND-Kombination folgender Faktoren:• Gießbedingt liegen nichtmetallische Einschlüsse inhomogen verteilt vor.• Beim Schmieden wurden diese Einschlüsse nicht eingeformt =>

es verbleiben unzulässig breite und lange Einschlüsse im Bereich der Mulde neben Radsitz B, Ausrichtung axial

• Bei der metallographischen Bestimmung des Reinheitsgrads im Schmiedewerk wurden nichtmetallische Einschlüsse unzulässiger Größe nicht gefunden. Die Probe lag außerhalb der hier vorliegenden RSW und möglicherweise außerhalb des Bereichs mit unzulässig großen Einschlüssen.

• Nichtmetallische Einschlüsse wurden vermutlich weder bei der US-Prüfung im Schmiedewerk noch bei der US-Prüfung auf Querfehler beim Radsatzhersteller erkannt.

• vermutlich konstruktiv oder/und betriebsbedingt in der Mulde hinsichtlich Betriebs-/Schwingfestigkeit hoch ausgenutzte Welle

• hohe Betriebs-Lastspielzahl • unzulässig große Einschlüsse auch dicht unter und an der Oberfläche der polierten Mulde

stellen Kerben dar => Schwingrissinitiierung in einem hoch ausgenutzten Querschnitt • Aufgrund der Kerbempfindlichkeit dieses hochfesten Stahls war der Rissfortschritt größer

als bei anderen bekannten Radsatzwellen-Werkstoffen• Schwingriss wurde nicht rechtzeitig erkannt: US-Hohlwellenprüfung war nicht sensibel

genug oder das Inspektionsintervall zu lang



Indikatoren für den Restgewaltbruch vor Köln

1. HOA-, FBOA-Ergebnisse

2. zweistufige Aufschieferungen und Materialverschmierung am

Drehgestell 2L und 2R, entstanden bei Fahrtrichtung nach Köln

3. Geräuschwahrnehmungen der Fahrgäste und DB-Personal

4. mechanisch und thermische Überlastung der Kupplung 2,

vergleichende Thermogravimetrie am Dämpfungsring

5. Verreibungen mit Aufschmelzungen der Schwingbruchfläche

6. Fahrtrichtung, die aus dem sekundären Linienmuster auf

Bruchfläche FA ableitbar ist



Stadien des mutmaßlichen SchadensablaufsBetriebsbeginn im Tz ICE0334 Wg. 403034-2 als Radsatz 3 [0 km] ~11.2001Rissinitiierung an einem nichtmetallischen Einschluss (~µm): Wann?

Rissfortschritt~0,5 mm Risstiefe, was dem technischen Anriss entspricht Wann?

RissfortschrittÜberschreitung der Nachweisgrenze der Ultraschall- Hohlwellenprüfung Wann?Ultraschallprüfung ~150 Tkm vor dem Restgewaltbruch

[Laufleistung ~2,85 Mio km] 27.3.2008 Überschreitung der Nachweisgrenze der Ultraschall- Hohlwellenprüfung Wann?

RissfortschrittSichtprüfung 2 Tage vor dem Restgewaltbruch 7.7.2008

RissfortschrittRestgewaltbruch (Durchbruch) der RSW vor Köln 9.7.2008=> Sekundärschäden durch Reiben der Bruchflächen FA und FB aufeinander

Entgleisung bei Ausfahrt aus Köln Hbf [~3 Mio km] 9.7.2008=> Tertiärschäden an den Bruchkanten durch wiederholten, schlagartigen Kontakt

bei der Fahrt mit dem entgleisten Radsatz



Fragen, weitere Untersuchungen: Werkstoff

große Einschlüsse: Wieviele / Welche RSW können ebenfalls betroffen sein?

• Untersuchung folgender Parameter:• Chargenumfang, Fertigungskette, Probenart und –nahme, angewandte

Prüfverfahren, Nachweisgrenzen der zfP-Verfahren, Rohdaten, Qualitätsdokumentation, Rückverfolgbarkeit, Rückstellproben, Quelle der Normfestlegungen zum Reinheitsgrad

• Experimentelle Untersuchungen:• Einfluss der großen nichtmetallischen Einschlüsse auf die

Schwingfestigkeit bei > 106 Lastspielen für 34CrNiMo6 ermitteln



Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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Schadensanalyse Radsatzwelle ICE-3 · PDF fileV.3/566 Schadensanalyse Radsatzwelle ICE-3, Stand 2008-09-22 Klinger, Bettge, ... (4MN entspricht der Gewichtskraft von 400 t) Abpressen