A 3D model for growth of dry and liquid-filled "SQUAT" type cracks - a tool for estimating thr scale of damage in rails

A model of the fatigue growth of 3D semi-elliptical rolling contact fatigue (RCF) cracks was developed by combining the results of numerical (3D FEM) loading simulations with mixed-mode fatigue crack growth rate data. The model was applied for the "squat" type of crack, which is typical for rail RCF failure, to predict shape development and the directions of crack extension. The following kinds of crack behaviour were distinguished; co-planar extension, spalling and branching to transverse defects. The results obtained from the model indicated that propagation of "squats" is feasible when a fluid interaction inside the crack is introduced, encouraging a mixed-mode shear dominated growth. However cracks may branch to a Mode I direction when various components of loading create favourable conditions. In certain conditions, branching to transverse defects can lead to catastrophic rail damage.

---

Praca przedstawia model rozwoju półeliptycznych pęknięć zmęczeniowych usytuowanych w strefie kontaktu tocznego opracowany z wykorzystaniem wyników numerycznej symulacji obciążenia (3D MES) skojarzonych z wynikami pomiarów prędkości propagacji pęknięć dla dwuosiowego nieproporcjonalnego obciążenia. W pracy przedstawiono też przykładowe zastosowanie tego modelu do przewidywania prędkości, kierunków rozwoju i modyfikacji kształtu pęknięć typu "squat" będących typowym przykładem tej klasy pęknięć dla szyn kolejowych. W wyniku zastosowania modelu rozróżnione zostały następujące sposoby rozwoju pęknięcia; rozwój wzdłuż płaszczyzny pęknięcia, rozwidlenie w kierunku powierzchni szyny powodujące wykruszanie materiału oraz rozwidlenie w głąb szyny prowadzące do pęknięcia poprzecznego. Wykazano, że efektywny rozwój pęknięć typu "squat" jest możliwy wtedy jeśli w ich wnętrzu znajduje się płyn, którego oddziaływanie stwarza warunki do wystąpienia mieszanego zdominowanego ścinaniem sposobu obciążenia. Jednakże, tego typu pęknięcia mogą się również rozgałęziać w kierunku, w którym dominuje pierwszy sposób obciążenia, jeśli tylko konfiguracja obciążenia zewnętrznego stworzy sprzyjające temu warunki. Rozwidlenia pęknięcia w głąb szyny mogą w niektórych konfiguracjach obciążenia prowadzić do niebezpiecznego pęknięcia szyny na wskroś.