Microstructural changes in pearlitic steels as a consequence of rail operation and maintenance activities

Abstract

This doctoral thesis presents a comprehensive study on the microstructural degradation of pearlitic steels used in railway rails, resulting from maintenance activities—particularly corrective grinding—and severe in-service operating conditions. A grinding device was designed and manufactured as part of this research, allowing control over key parameters such as rotational speed, cutting depth, and applied load. This setup enabled the reproduction of White Etching Layers (WEL) under laboratory conditions, providing critical insights into their formation mechanisms in railway components.

In addition, rail sections removed from service with squat-type defects and thermal damage caused by severe sliding and braking were analyzed to compare field-induced damage with that generated under controlled experimental conditions. An experimental correlation was established between microstructural transformations and the response of nondestructive testing techniques, including Magnetic Barkhausen Noise (MBN), eddy current testing (EC), and X-ray diffraction (XRD). These signals were interpreted based on the microstructural condition of the material.

Microstructural characterization was complemented by advanced techniques such as Transmission Electron Microscopy (TEM) and Geometrical Phase Analysis (GPA), which enabled the nanometric identification of tetragonal martensite, retained austenite, fragmented cementite, and regions with localized stress redistribution. SAED patterns and strain maps revealed a progressive structural transition within the WEL, highlighting pase fragmentation phenomena.

The main novelty of this research lies in the implementation of a multiscale methodology that combines advanced microstructural characterization with non-destructive testing, establishing an experimental framework for the physical interpretation of electromagnetic signals based on the material’s microstructural state. This approach offers direct applicability in the field, supporting functional assessment and predictive monitoring strategies for railway infrastructure. (Tomado de la fuente)

Esta tesis doctoral aborda de manera integral la degradación microestructural en aceros perlíticos utilizados en rieles ferroviarios, producto de actividades de mantenimiento, particularmente el esmerilado correctivo, y de condiciones severas de operación en servicio. Como parte fundamental de la investigación, se diseñó y fabricó un dispositivo de esmerilado, capaz de controlar parámetros clave como la velocidad de rotación, la profundidad de corte y la carga aplicada. Este equipo permitió reproducir en condiciones de laboratorio la formación de capas blancas (White Etching Layers, WEL), representando un aporte clave para el entendimiento del mecanismo de generación de WEL en componentes ferroviarios. Adicionalmente, se analizaron rieles en operación con defectos tipo squat y zonas afectadas por deslizamiento severo asociado a frenado, con el fin de contrastar los daños inducidos en campo frente a los generados en laboratorio. Se estableció una correlación experimental entre las transformaciones microestructurales y la respuesta de técnicas no destructivas, incluyendo ruido magnético Barkhausen (MBN), corrientes inducidas (EC) y difracción de rayos X (XRD). Estas señales fueron interpretadas en función del estado microestructural del material. La caracterización microestructural se complementó con técnicas avanzadas como microscopía electrónica de transmisión (TEM) y Geometrical Phase Analysis (GPA), que permitieron identificar a escala nanométrica la evolución de fases como martensita tetragonal, austenita retenida, cementita fragmentada y zonas con redistribución localizada de esfuerzos. Los patrones de difracción SAED y los mapas de deformación revelaron una transición estructural progresiva en la capa blanca, evidenciando la fragmentación de las fases presentes. La principal novedad de esta investigación radica en la implementación de una metodología multiescala que integra caracterización avanzada con técnicas de inspección no destructiva, permitiendo establecer un modelo experimental para la interpretación física de señales electromagnéticas en función del estado microestructural. Este enfoque tiene proyección directa hacia aplicaciones en campo, como herramienta para la evaluación funcional y el monitoreo predictivo de rieles en servicio dentro de sistemas ferroviarios.