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(1) Trabalho a ser apresentado no 550 Congresso da Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais – 24/07/00 a 28/07/00 – Rio de Janeiro – RJ – Brasil

(2) Mestrando, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e dos Materiais (PPGEM) – UFRGS.

(3) Doutorando, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e dos Materiais (PPGEM) – UFRGS.

(4) Professor, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e dos Materiais (PPGEM) – UFRGS.

(5) Professor, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e

dos Materiais (PPGEM) – UFRGS.

ANÁLISE DE FALHA EM SEGMENTOS DE TRILHO FERROVIÁRIO (1)

Antonio Augusto Monaco da Silva (2) Inácio da Fontoura Limberger (3)

Afonso Reguly (4)

Telmo Roberto Strohaecker (5) RESUMO A Estrada de Ferro Carajás (EFC) da Companhia Vale do Rio Doce liga a

Serra do Carajás ao Terminal da Ponta da Madeira possuindo aproximadamente 900 quilômetros de extensão e sobre ela trafegam 176.000 toneladas/dia, sendo assim considerada uma das maiores ferrovias no mundo em extensão e em tonelagem bruta trafegada. Devido a estas características toda e qualquer tipo de falha pode acarretar sérios prejuízos, assim a identificação dos motivos pelos quais as falhas ocorrem é de suma importância pois possibilita a tomada de medidas preventivas para evitar a ocorrência de futuras falhas.

Neste trabalho são analisados dois casos de falhas em trilhos ferroviários, sendo um em uma junção soldada por aluminotermia e o outro em uma junção mecânica por tala. As falhas foram analisadas utilizando-se Microscopia Ótica, Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Microssonda EDAX e técnicas de metalografia.

Em ambos os casos ocorreu o aparecimento de trincas horizontais na região da alma próximas à linha neutra vertical do trilho. O motivo pelo qual as mesmas nuclearam é bastante distinto, sendo provocado, no caso da junta soldada, pela associação de um defeito metalúrgico proveniente do processo de solidificação da solda e por tensões trativas verticais devido a flambagem lateral do trilho ocorrida pela exagerada excentricidade da aplicação da carga. No caso da união parafusada a trinca nucleou devido a existência de uma zona com microestrutura martensítica não revenida que formou-se na seção transversal do trilho por ocasião do processo de corte e/ou acabamento da superfície associada a picos de tensão causado pelo impacto da roda sobre a junta.

Palavras-chave: falha, trilho ferroviário, trinca horizontal.

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1. INTRODUÇÃO

Nos dias atuais, o transporte ferroviário apresenta-se como alternativa para o transporte de minério de ferro. A Estrada de Ferro Carajás (EFC) pertencente a Companhia Vale do Rio Doce (CVRD) é a principal delas, destacando-se mundialmente por sua extensão (900 quilômetros) e por sua alta tonelagem bruta trafegada, sobre ela transitam 176.000 toneladas/dia[1,2].

A montagem da EFC é realizada com segmentos de trilho (8 a 24 metros) de perfil 136 RE (68 Kg/m) que são soldados via centelhamento elétrico em barras com 180 a 300 metros de extensão. Estas são posicionadas na via e unidas através de duas maneiras: soldagem aluminotérmica e tala mecânica.

Os trilhos ferroviários são os componentes férreos mais suscetíveis à falhas devido as altas pressões de contato das rodas em regime de carregamento cíclico. Aliado a isso, existem tensões residuais, causadas pela deformação plástica superficial, pelo processo de soldagem, mais a tensão causada pela variação térmica na linha e ainda a tensão de projeto, que é a necessária para manter os trilhos alinhados contribuindo para a elevação da amplitude de carregamento para o regime de tensões trativas no interior do boleto.

As falhas catastróficas em trilhos podem trazer como conseqüência, desde grandes perdas econômicas e graves prejuízos ambientais até perdas humanas. Por isso a importância da determinação das causas das falhas dos trilhos para, eventualmente poder-se interagir na produção de um material de melhor qualidade, mas, principalmente poder atacar o problema através de inspeções periódicas e controle de defeitos na linha.

Neste trabalho são apresentados dois casos de falhas em segmentos de trilho ferroviário, sendo um em uma junta soldada por aluminotermia e outro em uma junção mecânica por tala.

2. PROCEDIMENTOS E RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Para o primeiro caso de análise de falha (junta soldada por aluminotermia), a

partir de uma análise visual preliminar, pôde-se observar-se que a forma da trinca que propiciou a fratura do segmento é bastante comum e característica quando envolve ruptura em zonas soldadas, como é visto na figura 01.

Figura 01 – Vista da fratura do segmento de trilho.

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A trinca apresenta duas regiões distintas, sendo uma delas horizontal, que engloba o metal de adição de solda, e outra inclinada, que propaga no metal base do trilho. A trinca inclinada une a ponta da trinca horizontal às superfícies do boleto e patim, provocando o seccionamento do trilho. Através de uma análise via lupa metalográfica pôde-se observar na superfície do boleto marcas de usinagem do processo de reperfilamento efetuados para remover o excesso de material proveniente do processo de soldagem. Analisando a superfície do boleto, constatou-se que a zona de contato roda – trilho, nesta região, estava sendo feita em uma região muito estreita e localizada na borda interna do boleto. A morfologia da superfície de fratura indica que esta ocorreu de maneira abrupta, tendo seu início na parte horizontal. Em uma análise mais detalhada foi possível identificar que o início da trinca ocorreu junto a um defeito de solidificação na lateral externa da alma no metal de adição. A figuras 02 mostra em maior aumento a região com o defeito, onde nota-se uma estrutura dendrítica.

Figura 02 – Vista do defeito na superfície externa. Aumento: 30x

Com o auxílio do Microscópio Eletrônico de Varredura foi possível identificar

ramos dendríticos no interior do metal em situação idêntica às encontradas na superfície externa, ou seja, com ramos arredondados, evidenciando falta de caldeamento com as dendritas vizinhas, conforme é mostrado na figuras 03.

Figura 03 – Ramos dendríticos na superfície externa e no interior do metal.

Aumento: 160X. MEV.

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No processo de soldagem por aluminotermia é inevitável o surgimento de tensões residuais, mesmo que todos os cuidados técnicos sejam tomados (pré aquecimento, temperatura do metal líquido e o controle do resfriamento, entre outros), haverá o surgimento de tensões residuais trativas verticais na alma, além disso as condições de utilização são dificultadas em virtude do tipo de aplicação. Este tipo de tensões justifica o aparecimento de trincas horizontais na alma, como a encontrada no segmento de trilho analisado.

Analisando-se a superfície do boleto observou-se que a região de contato roda – trilho estava sendo feita somente na borda interna do boleto. Sabe-se que cargas excêntricas ao eixo de simetria vertical do trilho causam tensões trativas na superfície da alma, oposta ao carregamento. Nos trilhos, esta região atinge seu valor máximo na superfície da alma, na região que vai da linha neutra da seção transversal até a parte inferior do boleto. Devido a efeitos dinâmicos, estas tensões podem alcançar valores elevados, dependendo da velocidade da composição, de defeitos superficiais no trilho ou roda, problemas de desbalanceamento de roda, entre outros.

A presença de uma estrutura grosseira de solidificação e vazios próximos a superfície, na lateral da alma, agem como concentradores de tensões quando associada a tensões residuais verticais trativas e tensões trativas devido a excentricidade da aplicação da carga.

Após a realização da análise superficial da falha, partiu-se para o estudo metalográfico a fim de avaliar o comportamento metalúrgico do material do metal de solda do trilho. O segmento de trilho foi seccionado, tanto no sentido longitudinal como no sentido transversal, e preparado de acordo com procedimento padrão de metalografia (lixamento e polimento com pasta de diamante). Para revelar a microestrutura existente do material foi utilizado o reagente Nital 2%.

Em ambos os sentidos analisados foram encontrados microrrechupes, como mostra a figura 04, provenientes do processo de solidificação. A presença destes é muito prejudicial para o comportamento mecânico do trilho pois funcionam como concentradores de tensões e potenciais iniciadores de trincas quando este é solicitado em serviço.

(A) (B) Figura 04 – Microrrechupe encontrado no metal de adição. (A) Sentido longitudinal ; (B) Sentido transversal. Sem ataque químico.

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Foram observadas, na região central do metal de adição e próximas aos microrrechupes, “ilhas” de martensita, devido a microssegregação de Vanádio e Manganês contido no metal de solda, como observado no espectro realizado nesta região (figura 05).

Figura 05 - Análise de microsonda na região microssegregada. Observa-se no espectro, além dos picos de Ferro e Carbono, os picos de Manganês e Vanádio.

Além disso foi observada uma grande quantidade de inclusões não metálicas

alinhadas (figura 06). O alinhamento de inclusões é muito prejudicial para o comportamento mecânico do material, pois estas funcionam como pontos concentradores de tensão e iniciadores de trincas.

(A) (B)

Figura 06 – Inclusões não metálicas alinhadas. (A) Aumento: 100X. (B) Aumento: 200X. Ataque: Nital 2%.

Para o caso da junção mecânica por tala foi analisada a falha um segmento

de trilho com aproximadamente 230 mm de comprimento, contendo um furo para montagem de uma tala e uma trinca inclinada com 180 mm, que vai da superfície transversal usinada até a superfície de rolamento no boleto, conforme visto na figura 07.

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Figura 07 – Vista do segmento de trilho conforme recebido.

Analisando o trilho notou-se a existência de marcas de deformação bastante

profundas no boleto, na região de contato roda - trilho, principalmente junto a zona de contato com o aro evidenciando problemas no alinhamento do trilho ou solicitação do segmento após a ruptura.

Através de uma análise na lupa metalográfica observa-se as marcas de sargento na superfície de fratura, figura 08, indicando o início da trinca na alma junto ao canto formado pela superfície lateral e a superfície transversal usinada para fazer a união. A trinca teve início a 90 mm da superfície inferior do patim à 5 mm acima da linha neutra.

Figura 08 –Marcas de sargento na superfície de fratura indicando o local de início.

A posição de início da trinca indica que esta nucleou e propagou sem a

influência de tensões de flexão associado ao carregamento provocado pela roda nem por tensões longitudinais existentes na linha. Trincas com início na alma, próximas a linha neutra da seção transversal, geralmente são incentivadas por tensões residuais trativas superficiais, oriundas do processo de soldagem e/ou por tensões verticais trativas, devido ao carregamento excêntrico da roda em relação ao eixo vertical de simetria da seção transversal do trilho.

Uma observação mais criteriosa na região de início da trinca mostrou a existência de uma pequena deformação neste local, ocorrida provavelmente depois da ruptura. Abaixo deste local, na superfície usinada observa-se uma sequência de pequenas trincas com morfologia e distribuição características de materiais frágeis, as quais podem ser vistas na figura 09.

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Figura 09 – Pequenas trincas observadas na superfície usinada.

Com o intuito de obter mais subsídios, a superfície lateral da alma e a seção transversal foram atacadas com Nital 5% para verificar se ocorreu ou não alguma alteração no material durante o processo de corte e preparação da face do trilho para a montagem da união parafusada. Normalmente regiões onde ocorre elevado aquecimento localizado (doravante denominado “queima” ou “queima de retífica”) tem-se a formação de uma microestrutura martensítica não revenida, a qual é bastante frágil e, em virtude de sua formação, surgem tensões residuais nestas regiões. O canto onde iniciou a trinca e, onde existem pequenas trincas, coincide com uma das zonas que não foi atacada pelo Nital indicando a ocorrência de “queima”. Isto está associada à severidade nos parâmetros de corte usados para preparação da superfície. A alteração localizada na microestrutura além de induzir tensões residuais na região, age também como concentrador de tensões em virtude da diferença de propriedades mecânicas entre os materiais.

A partir desta constatação foram realizados dois pontos de réplica metalográfica. Nas superfícies onde existia “queima” foi encontrada uma microestrutura martensítica não revenida, e nas regiões adjacentes a microestrutura é perlítica, conforme pode ser visto na figura 10.

(A) (B) Figura 10–(A)Martensita não revenida; (B)Perlita. Aumento: 100X. Ataque: Nital 5%.

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Após a realização deste ensaio não destrutivo, partiu-se para o seccionamento no sentido longitudinal e transversal desta região a fim de avaliar mais profundamente esta zona. Foram observadas diversas trincas na superfície. Estas encontram-se no interior da região de “queima” evidenciando o comportamento frágil devido a presença de uma microestrutura martensítica não revenida. No corte longitudinal da superfície onde existiam as mesmas pode-se verificar a profundidade e a abrangência da área transformada. A figura 11 (A) mostra esta região onde aparecem duas trincas que são paralelas à trinca que provocou o rompimento do segmento e a figura 11 (B) mostra outras trincas contidas no segmento de trilho e a abrangência da área transformada.

(A) (B)

Figura 14 – (A) Região longitudinal apresentando queima e duas trincas na superfície. Aumento: 50X. (B) Detalhe de uma das trincas. Aumento: 100x. Ataque:

Nital 2%.

Foram efetuados 10 pontos de microdureza, sendo 5 na região perlítica e 5 na região martensítica não revenida. A carga utilizada foi de 50gf e a escala utilizada foi Vickers.

Como pode ser visto através dos resultados da tabela 01, a região martensítica apresenta uma dureza bastante superior à da região perlítica, confirmando o seu comportamento frágil. Pela ocorrência deste gradiente de durezas, tensões residuais são associadas a estas regiões, funcionando como concentradores de tensões e pontos iniciadores de trincas.

Tabela 01 - Resultados do ensaio de Microdureza no segmento de trilho fraturado.

Região Martensítica (HV0.05) Região Perlítica (HV0.05)

1 644 313.4 2 795 324.6 3 810 336.4 4 752.5 344.7 5 825 366.7

Média 765.3 337.1

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3. CONCLUSÕES Para o caso da junta soldada por aluminotermia, a partir das evidências

levantadas na análise da fratura e microestrutural pode-se concluir que a falha teve seu início em um defeito de solidificação no metal de adição da solda aluminotérmica junto a uma das faces externa na alma. A ruptura ocorreu devido a associação de fatos, tais como, presença de defeitos na solda, tensões residuais trativas devido a solda e excentricidade exagerada na aplicação da carga.

Já para o caso da junta por tala mecânica a partir dos fatos observados na análise da superfície da fratura e metalográfica pode-se concluir que a trinca que provocou a ruptura do segmento de trilho teve seu início em uma região que foi submetida à aquecimento localizado no material. Esta é proveniente do processo de corte e/ou operação de faceamento feitos na superfície transversal quando do preparo desta para a montagem da junção por tala. A trinca propagou em função do carregamento excêntrico em relação ao eixo vertical de simetria do trilho, que provoca flexão lateral da alma. Esta é agravada pelo efeito do impacto das rodas sobre a junção e pela existência de tensões residuais localizadas que surgem a partir da mudança de fase ocasionada pela queima no processo de usinagem.

4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Silva, A.A.M., “Caracterização Mecânica e Metalúrgica de Segmentos de

Trilho Soldados pelo Processo THERMIT SOWOS”, Trabalho de Conclusão, DEMET – UFRGS, Porto Alegre, 1997.

[2] Silva, A.A.M., Limberger, I.F. e Strohaecker, T.R., “Caracterização Metalúrgica e Análise em Fadiga de Trilhos Ferroviários”, Anais do V Iberomet, Rosário – Argentina, outubro de 1997.

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RAILROAD RAIL FAILURE ANALYSIS (1)

Antonio Augusto Monaco da Silva (2) Inácio da Fontoura Limberger (3)

Afonso Reguly (4) Telmo Roberto Strohaecker (5)

ABSTRACT The Estrada de Ferro Carajas (EFC) pertaining to Companhia Vale do Rio

Doce (CVRD) is considered one of the largest railways in the world running about 900 kilometers in length and an average of 176.000 tons pass through its rails daily. Due to these characteristics any kind of failure can result in serious damage. The identification of the failure reasons are very important because it enable preventive corrective actions to avoid future failures.

In this work, two railroad rails failures are analised. The first one occured in a aluminothermic welding joint and the other one in a mechanic joint (bolted joint). The failures were analised using the following techniques: Optical and Scanning Electron Microscopy, Energy Dispersive X-Ray Spectrometer (EDS) and metallographic techniques.

In both cases horizontal cracks were detected in the web region next to the vertical neutral line of the rail. In the aluminothermic welding joint the failure was caused by the association of a metallurgical deffect originated from the welding solidification process and by vertical tensile stresses due to lateral buckling of the rail caused by exagerated eccentricity in the load application. In the mechanical joint the failure occurred due to the existence of a non-tempered martensitic zone formed during cutting and/or finishing of the surface associated to stress peaks due to wheel impact on the joint.1

Key-words: failure, horizontal cracks, railroad rail.

(1) Paper to be presented in the 55th ABM Congress– 24/07/00 a 28/07/00 – Rio de Janeiro – RJ – Brasil

(2) Master Student, PPGEM – UFRGS.

(3) PhD Student, PPGEM – UFRGS.

(4) Professor, PPGEM – UFRGS.

(5) Professor, PPGEM – UFRGS.