Jornadas SAM – CONAMET – AAS 2001, Septiember de 2001 519-526

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AVALIAÇÃO MECÂNICA E METALÚRGICA EM TRILHO FERROVIÁRIO UTILIZADO EM VIA CONTÍNUA

Macedo, M.L.K.; Silva, A. A. M.; Barlavento, M. A . e Reguly, A . Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) / Laboratório de Metalurgia Física (LAMEF) – Av.Osvaldo Aranha, 99 sala 610 – Bairro Centro – CEP: 90035-190 – Tel/FAX : (55xx51) 3316-3565 - Porto Alegre – R.S - Brasil

RESUMO

O transporte de cargas em grandes volumes, como por exemplo as de minério de ferro,

utilizando-se ferrovias é eficaz e econômico quando comparado com os demais meios de transportes terrestres existentes. A Estrada de Ferro Carajás (EFC) da Companhia Vale do Rio Doce (CVRD), considerada uma das maiores e mais eficazes ferrovias do mundo, possui segmentos de trilho de diversas procedências (Brasil, Polônia, Canadá, Japão, entre outros). Continuamente em um processo de renovação e modernização, a EFC substituí trilhos desgastados e sem condições de uso por trilhos novos. Com isso torna-se de suma importância a avaliação mecânica e metalúrgica destes trilhos que estão sendo repostos, a fim de testar seu comportamento em função das condições da via. Foram realizados ensaios de dureza, tração, tenacidade à fratura (KIC), fadiga (push-pull), composição química e ensaios metalográficos (determinação de microestrutura, tamanho de grão austenítico prévio e análise de inclusões) utilizando como referência a Norma Européia EN 13674-1 para critério de qualificação. Os trilhos utilizados na via são de aço ao carbono (% de C entre 0,60 e 0,82) da classe 260 segundo esta Norma, com modificação no Cromo (015 a 0,30 %), objetivando aumentar a dureza. Pôde-se determinar que a partir dos resultados encontrados, os trilhos apresentaram-se compatíveis para o tipo de solicitação e carregamento existentes na EFC.

Palavras-chaves: ferrovia, trilho, material, mecânica, metalúrgica.

INTRODUÇÃO

O transporte ferroviário para a movimentação de cargas de alto fluxo de produção está

em evolução constante de forma a atender o mercado em processo de expansão. O Brasil possui inúmeras ferrovias de grande porte, dentre elas a Estrada de Ferro Carajás (EFC) da Companhia Vale do Rio Doce (CVRD) que faz a ligação entre a Serra do Carajás e o Terminal Ferroviário da Ponta da Madeira, totalizando 900 quilômetros de via contínua. É considerada uma das maiores vias em extensão e tonelagem bruta trafegada (TBT) do mundo.

A montagem de uma via contínua é feita com segmentos de trilho (8 a 24 metros) que são soldados em estaleiro, via centelhamento elétrico, até perfazerem barras com 180 a 300 metros de extensão. As mesmas são, então, posicionadas na via e soldadas por aluminotermia[1]. Na EFC existem segmentos de trilhos de diversas procedências (Brasil, Polônia, Canadá, Japão entre outros).

Os segmentos de trilho são os componentes ferroviários mais suscetíveis à falha devido a vários fatores, entre eles: alta pressão de contato das rodas em regime de carregamento cíclico e existência de tensões residuais, causadas pela deformação plástica superficial, pelo

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processo de soldagem, pela variação térmica na linha e pela tensão de projeto (tensão necessária para manter os trilhos alinhados).[1,2]

Em sua estrutura interna, os segmentos de trilho podem possuir diversas descontinuidades, tais como inclusões não metálicas, que aliados às condições severas de trabalho podem nuclear defeitos que levam o material ao colapso estrutural. Por outro lado, parâmetros metalúrgicos como tamanho de grão e tipo de microestrutura presente, apresentam-se como fatores determinantes da tenacidade à fratura do material e das propriedades mecânicas. Sendo assim foi realizada uma avaliação mecânica e metalúrgica visando testar estes segmentos de trilhos frente as condições de uso na via.

AÇOS PARA TRILHOS FERROVIÁRIOS

Os aços com microestrutura perlítica têm sido amplamente utilizados em componentes ferroviários. O aumento da quantidade de perlita (relação ferrita/perlita) atua positivamente sobre a resistência mecânica conferindo uma melhor resistência ao desgaste, porém ocasionando um efeito prejudicial na tenacidade e na dutilidade.[2]

A perlita é caracterizada por lamelas paralelas alternadas de ferrita e cementita[3]. Colônias destas lamelas de várias orientações e espaçamentos formam a microestrutura. Como as densidades das fases de ferrita e cementita são aproximadamente iguais, as lamelas tem largura na razão de 7 para 1, pois é esta a proporção na percentagem em peso dos dois constituintes na perlita (ferrita, 87,5% e cementita, 12,5%, de acordo com a regra da alavanca).[4,5]

A composição química dos trilhos ferroviários varia em função do tipo de solicitação da via. A EFC caracteriza-se por ser uma ferrovia com alta tonelagem bruta trafegada e velocidade alta. Portanto, as principais exigências são a resistência à fadiga, ao desgaste e a deformação plástica aliada a uma alta tenacidade à fratura, além de elevados limites de escoamento e resistência e uma boa soldabilidade.

As propriedades apresentadas acima são, em alguns casos, antagônicas, fazendo-se necessária uma adequação da escolha da composição química e do processamento do material de modo a encontrar o melhor balanço entre as propriedades. A experiência ferroviária tem demonstrado que isto pode ser obtido em aços com teor de carbono entre 0,6 e 0,82% e teores relativamente altos de manganês e silício, laminados à quente e convenientemente resfriados após a laminação.[2]

A CVRD utiliza trilho Grau 260 segundo a classificação da Norma prEN 13674-1 com modificação no teor de cromo (0,15 a 0,30%) com finalidade de obter maior dureza.

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Para a caracterização mecânica foram realizados ensaios de dureza, tração, tenacidade

à fratura (KIC) e fadiga (push-pull). Os corpos de prova foram retirados da região do boleto, conforme o esquema mostrado na figura 1.

Todos os ensaios mecânicos, exceto dureza, foram realizados em uma máquina de ensaios universal servo hidráulica MTS, modelo 810, com o sistema de controle digital TestStar IIs.

O ensaio de dureza foi realizado na escala Brinell, em um durômetro Wolpert, com uma esfera de tungstênio de 2,5 mm de diâmetro e carga de 187,5 Kgf, de acordo com a Norma ISO 6506-1[6]. Para o ensaio de tração foram utilizados 5 corpos de prova segundo a Norma

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ASTM E8-98[7] (corpo de prova com 9mm de diâmetro na seção útil) e velocidade de deformação igual a 0,025 mm/s, sendo a aquisição de dados realizada através do software TestWorks da própria MTS. No ensaio de tenacidade à fratura foram retirados 4 corpos de prova e como garantia de que fosse realizado em um estado plano de deformações, utilizou-se uma espessura (B) de 15mm, uma altura (W) de 30 mm e um comprimento de 140 mm. A taxa de carregamento utilizada foi de 0,5 KN/s, conforme é especificado pelo item A 3.4.2.1 do Anexo 3 da Norma ASTM E399-90.[8] A temperatura de realização do ensaio foi de –200C ± 20C. O ensaio de fadiga (push-pull) foi realizado de acordo com as Normas ISO 1099[9] e EN 13674-1[10]. Foram retirados 3 corpos de prova e usinados de acordo com o desenho esquemático na figura 2. A razão de carregamento utilizada no ensaio foi R = -1.

Figura 1 – Desenho esquemático das regiões de um segmento de trilho.

Figura 2 – Geometria do corpo de prova utilizado no ensaio de fadiga (dimensões em mm).

Na caracterização metalúrgica foram analisadas a microestrutura existente, o tamanho

de grão austenítico prévio, bem como uma análise qualitativa e quantitativa de inclusões não metálicas, segundo a Norma ASTM E 45-97[11]. Os corpos de prova foram preparados de acordo com procedimentos padrões de metalografia (corte, lixamento, polimento com pasta de diamante e ataque) e observados ao Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) e Ótico (MO). A determinação do tamanho de grão foi realizada através de uma técnica de ataque e polimento alternados com o auxílio de um equipamento de agitação por ultra-som e utilizada

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uma solução supersaturada de ácido pícrico como reagente químico. A análise química foi realizada em um espectrômetro de emissão ótica.

RESULTADOS Ensaio de Dureza

Os resultados do ensaio de dureza são mostrados na figura 3. Nota-se que há uma homogeneidade nos valores de dureza, visto que este trilho não foi solicitado em serviço, não apresentando, portanto, camada endurecida devido à deformação plástica.

0 10 20 30 40200

250

300

350

Dur

eza

(Brin

ell)

Profundidade (mm) Figura 3 – Perfil de dureza do segmento de trilho analisado.

O critério de qualificação usual de dureza é na faixa de 260 a 300 HB, a CVRD, no

entanto, exige valores entre 280 e 320 HB.

Ensaio de Tração Os resultados para este ensaio são apresentados na tabela 1. O micromecanismo de

fratura atuante é clivagem, comportamento esperado para um aço perlítico (ver figura 4).

Figura 4 - Micromecanismo de clivagem nos corpos de prova de tração. MEV.

Tabela 1 – Resultados do ensaio de tração.

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Corpo de Prova σσσσmáxima (MPa) σσσσescoamento (MPa) Alongamento (%) 1 1020 485 16,9 2 1002 550 16,2 3 1011 475 15,6 4 1017 499 16,7

Média 1012,5 502,25 16,35 O critério de qualificação é de resistência máxima no mínimo de 880 MPa e alongamento mínimo de 10%. Ensaio de Tenacidade à Fratura (KIC)

A tabela 2 apresenta os resultados para o ensaio de tenacidade à fratura. O micromecanismo de fratura para este caso, como no ensaio de tração, é clivagem.

Tabela 2 – Resultados do ensaio de tenacidade à fratura.

CP Força W B a KIC (MPa*m1/2) (KN) (mm) (mm) (mm) valor média 1 7,355 30,5 15,2 14,7 27,43 2 7,704 29,8 15,1 14,4 30,06 3 6,448 30,2 14,8 15,5 27,67 29,79 4 7,657 29,8 14,8 15,4 34,03

O critério de qualificação mínimo é de 29 MPa .m1/2 na média e nenhum valor abaixo de 26. Ensaio de Fadiga (Push-Pull)

Os resultados do ensaio de fadiga são apresentados na tabela 3. O critério de qualificação é de 5 milhões de ciclos com uma amplitude de deformação de 0,00135. A razão de carregamento foi R= -1 e freqüência de 10Hz.

Tabela 3 – Resultados do ensaio de fadiga.

Corpo de Prova Numero de Ciclos Situação 1 5 milhões não rompeu 2 5 milhões não rompeu 3 em teste em teste

Análise Química A tabela 4 mostra a composição química do segmento de trilho estudado e o critério de

qualificação para os trilhos de composição de grau 260. O teor de cromo especificado pela CVRD fica entre 0,15 a 0,30%, visando permitir maiores valores de dureza.

Tabela 4 – Composição química do segmento de trilho estudado.

Elemento % Grau 260

Macedo, Silva, Barlavento e Reguly.

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C 0,820 0,60 – 0,82Si 0,324 0,13 – 0,60

Mn 1,220 0,65 – 1,25Cr* 0,194 <0,15Ni 0,013 0,10 máxCu 0,032 0,15 máxMo 0,006 0,02 máxS 0,018 0,008 – 0,03 P 0,013 0,03 máxSn 0,006 0,03 máx

Caracterização Microestrutural

A microestrutura encontrada no segmento de trilho é perlítica, como pode ser visualizado nas figuras 5a e 5b. O tamanho de grão austenítico prévio, determinado via método comparativo (Norma ASTM E 112-96[12]), fica entre ASTM 6 e 7, como mostra a figura 6. Os aços de grau 260 devem apresentar microestrutura perlítica, podendo apresentar na superfície ferrita em contorno de grão até profundidades de, no máximo, 0,05mm (descarbonetação parcial), e não deve conter martensita, bainita e/ou cementita em contorno de grão.

(a) 25µm (b)

Figura 5 – Microestrutura perlítica encontrada no segmento de trilho estudado. (a) MO e (b) MEV. Ataque: Nital 2%.

90µm

Figura 6 – Tamanho de grão austenítico prévio. Ataque: Solução supersaturada de ácido pícrico.

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Análise de Inclusões A análise de inclusões foi efetuada em 6 amostras, seguindo o Método D da Norma

ASTM E45-97. Foram encontradas inclusões não metálicas de sulfeto de manganês (tipo A) e alumina (tipo B), sendo estas em menor número e tamanho reduzido. A figura 7 apresenta uma inclusão de sulfeto e outra de alumina com os respectivos espectros de microssonda.

A grande concentração de inclusões encontra-se no nível de severidade igual a 1,5, porém finas, o que não acarreta grande prejuízo para as propriedades mecânicas. As inclusões de alumina (tipo B) devido ao seu tamanho reduzido e pequena quantidade foram desconsideradas.

O critério de qualificação quanto a severidade de inclusões é com tamanho menor de A2.

(a)

(b)

Figura7 – Inclusões não metálicas encontradas nas amostras analisadas. (a) Sulfeto de manganês e (b) alumina. Ataque: Nital 2%. MEV.

CONCLUSÕES

A partir dos resultados obtidos pode-se concluir que os valores apresentados nos ensaios atendem os critérios estabelecidos na Norma Européia EN 13674-1 e desta forma estão compatíveis com o tipo de solicitação e carregamento existentes na Estrada de Ferro Carajás (EFC) para este tipo de trilho.

As alterações de dureza impostas para atender necessidades de alta carga por eixo na linha puderam ser alcançadas com o aumento de teor de Cr. Por outro lado os baixos limites de S e P permitiam alcançar os requisitos de tenacidade exigidos pela Norma. O tamanho de grão refinado e espaçamento lamelar da perlita também contribuem nesse sentido.

Macedo, Silva, Barlavento e Reguly.

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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, P.R.T., “Caracterização de Trilhos Ferroviários Quanto à Tenacidade à Fratura e Comportamento em Fadiga”, Dissertação de Mestrado, PPGEM – UFRGS, Porto Alegre, 1995. 3. Krauss, G., “Microstructures, Processing and Properties of Steels”, Properties and Selection: Irons, Steels and High-Performance Alloys, Metals Handbook Volume 1, ASM International, 10a edição, 1990, pp. 126-139. 4. Krauss, G., Steels: Heat Treatment and Processing Principles, ASM International, 4a edição, 1995. 5. Reed Hill, R.E., Physical Metallurgy Principles, PWS Publishing Company, 3rd edition, 1994. 6. International Standard ISO 6506-1, "Metallic material - Brinell hardness test - Part 1; Test method', 1999, pp.1-16. 7. ASTM Standard E8-98, “Standard Method for Tension Testing of Metallic Materials”, Annual Book of ASTM Standards, Vol. 03.01, 1998, pp. 57-77. 8. ASTM Standard E399-90, “Standard Method for Plain-Strain Fracture Toughness of Metallic Materials”, Annual Book of ASTM Standards, Vol. 03.01, 1998, pp.413-443. 9. International Standard ISO 1099, “Metals – Axial Load Fatigue Testing”, 1975, pp. 1-5. 10. European Standard prEN 13674-1(Draft), “Railway Applications – Track – Rail – Part 1: Flat Bottom Symmetrical Railway Rails 46 kg/m and above”, 1999, pp.1-108. 11. ASTM Standard E45-97, “Standard Test Methods for Determining the Inclusion Content of Steel”, Annual Book of ASTM Standards, Vol. 03.01, 1998, pp. 158-171. 12. ASTM Standard E112-96, “Standard Test Methods for Determining Average Grain Size”, Annual Book of ASTM Standards, Vol. 03.01, 1998,pp.229-251.