ANÁLISE DE FALHA E CARACTERIZAÇÃO METALÚRGICA DE UM SEGMENTO DE TRILHO SOLDADO POR ALUMINOTERMIA

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1 Jornadas SAM IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga, Agosto de 2000, ANÁLISE DE FALHA E CARACTERIZAÇÃO METALÚRGICA DE UM SEGMENTO DE TRILHO SOLDADO POR ALUMINOTERMIA A.A.M. da Silva, I.F. Limberger e A. Reguly Universidade Federal do Rio Grande do Sul UFRGS; Programa de Pós Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e dos Materiais PPGEM; Laboratório de Metalurgia Física LAMEF; Av. Oswaldo Aranha, 99 sala 610 Centro Porto Alegre/RS CEP antonio@demet.ufrgs.br RESUMO Neste trabalho é realizado a análise de falha e caracterização metalúrgica de um segmento de trilho, proveniente da Estrada de Ferro Carajás (EFC) com aproximadamente 1500 milímetros de comprimento contendo uma junta soldada por aluminotermia na qual foi detectada a existência de trincas verticais no boleto. O processo de soldagem aluminotérmico, apesar de sua facilidade de execução exige um rígido controle dos parâmetros envolvidos, entre eles, pré aquecimento, temperatura de vazamento e pós aquecimento. Qualquer desvio nestes pode acarretar defeitos, tais como, crescimento de grão, baixa dureza no metal de solda, vazios, entre outros, que, aliados as condições severas de carregamento mecânico impostos ao trilho, devido a passagem da composição, ocasionam o surgimento de pequenas trincas comprometendo estruturalmente o segmento de trilho. A análise de falha e a caracterização metalúrgica foram realizadas utilizando-se lupa metalográfica, microscópio ótico e eletrônico de varredura. A falha foi ocasionada por um superaquecimento ocasionando a fragilização do material provocando o seu esboroamento, propiciando a nucleação de pequenas trincas longitudinais e verticais, a partir do metal de adição, que propagaram para ambos os lados da junta soldada. Palavras chaves Junta Soldada, Metal de Adição, Soldagem Alumonotérmica, Superaquecimento, Trincas INTRODUÇÃO Na atual conjuntura o transporte ferroviário é considerado um meio econômico e eficaz, alcançando destaque no transporte de cargas de alto fluxo de produção como as de minério de ferro. A Estrada de Ferro Carajás (EFC) pertencente à Companhia Vale do Rio Doce (CVRD) destaca-se no Brasil e no mundo por sua extensão (900 quilômetros) e tonelagem bruta trafegada ( toneladas por dia)[1,2]. A montagem da EFC é realizada com segmentos de trilho (8 a 24 metros de comprimento) de perfil tipo 136 RE (68 Kg/m) que são soldados via centelhamento elétrico até perfazerem barras com 240 a 396 metros de extensão formando uma via contínua. As mesmas são então posicionadas na via e unidas através de soldagem aluminotérmica ou junção mecânica por tala. A soldagem aluminotérmica de trilhos ferroviários possui a característica de ser simples e confiável, além do aspecto econômico, tendo-se elevado rendimento, simplicidade de execução, reduzido número de equipamentos e independência de fonte de energia externa. O 799

2 da Silva, Limberger e Reguly processo está constantemente em evolução, de modo a corresponder às múltiplas demandas impostas por trilhos de alta resistência ao desgaste, velocidades e cargas axiais sempre crescentes e intervalos de trens cada vez mais reduzidos.[1] 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 e 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 da causa da falha dos trilhos para poder-se interagir na produção de um material de melhor qualidade, mas, principalmente atacar o problema através de inspeções periódicas, providenciando a sua recuperação mediante reparo ou substituição por um trilho novo. DESENVOLVIMENTO Soldagem Aluminotérmica. A aluminotermia é um processo na qual uma mistura adequadamente preparada, de alumínio e um óxido metálico, após uma ignição inicial, reage exotermicamente. Devido a esta liberação de calor, a reação propaga-se por si e em curto espaço de tempo, tomando conta de toda a mistura. Como resultado desta transformação obtém-se um metal limpo e liquefeito, e escória rica em Al 2 O 3. Este processo foi introduzido primeiramente à comunidade científica em 1898 pelo Prof. Hans Goldschimidt em um congresso da Sociedade Eletroquímica Alemã[3] e parte do princípio da grande afinidade do alumínio pelo oxigênio para reduzir óxidos metálicos, especialmente o óxido de ferro. A equação que descreve esta reação é a seguinte[3,4]: Fe 2 O Al 2 Fe + Al 2 O kj (temperatura ~ C) (1) Figura 1. Processo de Soldagem por Aluminotermia[5]. O processo de soldagem por aluminotermia é apresentado na figura 1 acima e descrito a seguir. Uma mistura, contendo o óxido metálico, o alumínio, mais elementos de liga e aço de 800

3 Jornadas SAM IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga baixo carbono, é colocado em um cadinho especial com abertura na parte inferior, figura 1 (A). Depois da ignição da porção dentro do cadinho com um acendedor especial de magnésio, a reação se processa em poucos segundos gerando calor. A reação, uma vez iniciada, torna-se auto sustentável, figura 1 (B). Devido a diferença na densidade entre o óxido de alumínio e o aço produzido, os mesmos separam-se tão logo a reação é completa, ficando a escória na parte superior (menor densidade) e o aço resultante na parte inferior, figura 1 (C). Após, o metal líquido é vazado por baixo soldando as duas extremidades dos segmentos de trilho. Três são os métodos mais usados para a soldagem por aluminotermia: SKV, SMF e SOWOS, sendo diferenciados pelo tempo de preaquecimento e forma de vazamento. A principal função do preaquecimento é eliminar a umidade das formas, da ponta do trilho e da areia de vedação[1]. No método SKV é realizado um preaquecimento curto, aproximadamente um minuto, alcançando-se uma temperatura de C. A quantidade de mistura neste processo é cerca de 50% maior que nos outros processos a fim de compensar o preaquecimento menor. Já os dois outros processos (SMF e SOWOS) o preaquecimento é de 4 a 8 minutos, (dependendo do tipo de perfil de trilho a ser soldado) alcançando uma temperatura de C. A dureza do metal de adição alcançada com estes processos varia de 450 a 550 HV. Estes valores altos são justificados pela falta de um pós aquecimento realizado após o processo de soldagem, que além de diminuir o valor da dureza alivia as tensões residuais provenientes da soldagem. Segundo a Thermit[4], o valor de dureza no metal de adição não deve exceder 20HB do valor de dureza do metal base. ANÁLISE DE FALHA O segmento de trilho fraturado continha aproximadamente 2 metros de comprimento e apresentava uma solda aluminotérmica. Através de uma análise visual pôde-se constatar que a trinca apresentava 1200 mm de comprimento, sendo 300 mm a partir da junta soldada para um lado (direito, na figura 2) e 900 mm para o outro lado (esquerdo, na figura 2) e a junta aluminotérmica apresentava um defeito grosseiro. A figura 2 apresenta uma vista geral do segmento de trilho e a figura 3 apresenta o defeito encontrado. Trilho 1 Trilho 2 Junta Soldada Figura 2. Vista geral da trinca (setas) presente no segmento de trilho. 801

4 da Silva, Limberger e Reguly Origem do defeito detalhado na figura 05 DEFEITO Zona agulhada detalhada na figura 06 Figura 3. Defeito presente na junta soldada pelo processo aluminotérmico A partir da figura 3 observa-se que o defeito mostrado encontra-se na superfície de rolamento e origem da trinca está a 40 mm em direção à superfície oposta e à 15 mm abaixo da superfície de rolamento. Após o seccionamento foi possível constatar a existência de 2 trincas verticais paralelas no boleto como mostra a figura 4. Na fissura de menor tamanho não foi possível constatar nenhuma evidência, visto o amassamento da superfície. Toda a análise foi então efetuada na trinca de maior tamanho. Figura 4. Trincas verticais paralelas no boleto. Com o auxílio de uma lupa metalográfica pôde-se analisar as superfícies de fratura dos trilhos e da zona soldada e constatar que o provável ponto de início da fratura localiza-se na parte central da junta soldada em uma zona subsuperficial à superfície de rolamento, conforme mostra a figura 5. Observa-se ainda duas zonas, afastadas aproximadamente 35 mm do centro da solda, em que o material encontra-se sob aspecto grosseiro, com uma forma agulhada, junto a superfície entrando para o interior do boleto como pode ser visto na figuras

5 Jornadas SAM IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga Zonas agulhadas Figura 5. Região da junta soldada mostrando o local provável do início da fratura (seta). Superfície de Rolamento Fratura Vertical Longitudinal Figura 6. Zona adjacente ao centro da solda com material sob forma agulhada. Aumento: 6X. Com a análise mais criteriosa da superfície de rolamento foi possível verificar que o defeito superficial observado na figura 3 ocorreu devido a solicitação mecânica imposta ao trilho pela passagem da composição. As condições severas do carregamento promovem a arrancamento do material pois nesta região há uma incidência de pequenas trincas longitudinais e também de zonas onde o material dos trilhos encontra-se todo esboroado. A figura 7 mostra a superfície de rolamento na parte central do boleto, entre as duas trincas verticais principais, onde observa-se o arrancamento de material, a região esboroada e as pequenas trincas verticais secundárias. 803

6 da Silva, Limberger e Reguly Trincas verticais Região esboroada Arrancamento de material Figura 7. Vista superior da região soldada no boleto. Com o objetivo de identificar os motivos da ocorrência dos defeitos no material dos trilhos e solda foi realizada a caracterização metalúrgica do segmento de trilho analisado, onde foi efetuada a determinação da composição química, ensaios de dureza e análise metalográfica. A determinação da composição química foi realizada tanto no metal de adição como nos segmentos de trilho 1 e 2. O método utilizado foi o de Espectrometria de Emissão Ótica. A tabela 1 apresenta os resultados da composição química das amostras analisadas. Tabela 1. Composição química das amostras analisadas. Elemento C Si Mn P S Cr Sn Mo Ni Al Cu Trilho (%) 1 0,80 0,64 1,15 0,021 0,009 <0,0 <0,0 0,01 <0,0 <0,0 <0,0 Trilho 2 0,82 0,25 1,12 0,025 0,017 0,23 1 0, ,02 0,07 1 <0,0 01 0,23 1 Metal de 0,65 0,47 1,32 0,037 0,013 0,09 0,012 0,02 0,04 0, ,11 Solda Foi levantado o perfil de dureza na escala Rockwell C do segmento de trilho em uma região 20 mm abaixo da superfície de rolamento. A figura 8 apresenta o perfil de dureza encontrado na região de solda aluminotérmica, sendo possível determinar a localização aproximada da região do metal de adição, da zona afetada pelo calor (ZAC) e da região com material base dos trilhos ZAC ZAC Trilho 1 Trilho 1 Metal de Solda Trilho 2 Trilho 2 Dureza (HRC) Distância do centro da solda (mm) Figura 8. Perfil de dureza encontrado para o segmento de trilho analisado. 804

7 Jornadas SAM IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga A figura 9 apresenta a análise microestrutural realizada no material revelando para o metal de adição, uma estrutura perlítica com ferrita pró-eutetóide no contorno de grão e inclusões não metálicas globulizadas (figura 9A). Na ZAC a estrutura é perlítica com inclusões não metálicas alongadas (figura 9B) o detalhe da figura comprova a sua estrutura perlítica com grande aumento. Para o metal base foi observada uma estrutura perlítica (figura 9C) e o detalhe da figura comprova a sua estrutura perlítica com grande aumento. (A) (B) (C) Figura 9. (A) Microestrutura perlítica com ferrita pró-eutetóide no contorno de grão e inclusões não metálicas globulizadas; (B) Microestrutura perlítica com inclusões não metálicas alongadas; (C) Microestrutura perlítica. Aumento: 100X. Ataque: Nital 2%. A fim de determinar o motivo pelo qual o material dos trilhos encontra-se sob forma agulhada, provocando assim o seu esboroamento, foi realizada uma análise metalográfica nesta região, nos sentidos longitudinal, transversal e na superfície de rolamento. Em todas as zonas analisadas o material encontra-se com um tamanho de grão grosseiro mesmo tratandose de uma ZAC de junta soldada, podendo isto ser explicado por um provável superaquecimento do local quando da realização da soldagem aluminotérmica. As trincas secundárias encontradas propagam-se tanto no sentido longitudinal como transversal, em 805

8 da Silva, Limberger e Reguly regiões próximas à zona de transição metal base/zac, seguindo o contorno de grão, como pode ser visto na figura 10. Figura 10. Trincas secundárias encontradas no contorno de grão. Superfície de rolamento. Aumento: 200X. Ataque: Nital 2%. CONCLUSÃO A partir dos resultados obtidos na análise do material e da superfície de fratura pode-se concluir que o carregamento severo imposto ao trilho devido a passagem da composição ocasionou a nucleação de pequenas trincas longitudinais e verticais, a partir do metal de adição da solda, onde ocorreu o superaquecimento, que propagaram para ambos os lados do segmento de trilho comprometendo-o estruturalmente. A falha foi ocasionada por problemas nos parâmetros de soldagem, especificamente superaquecimento que ocasionou o aparecimento de uma estrutura agulhada, fragilizando o material, principalmente nos contornos de grão, provocando o esboroamento do material dos trilhos analisados. REFERÊNCIAS 1. Silva, A.A.M. Caracterização Mecânica e Metalúrgica de Segmentos de Trilho Soldados pelo Processo THERMIT SOWOS. Trabalho de Conclusão do curso de Engenharia Metalúrgica, DEMET UFRGS, Porto Alegre, Silva A.A.M.; Limberger, I.F.; Strohaecker T.R. Caracterização Metalúrgica e Análise em Fadiga de Trilhos Ferroviários. ANAIS DO V IBEROMET, Rosário, Argentina, 71, American Society For Metals International (ASM), Metals Handbook, Vol. 6, Welding, Brazing and Soldering, 9 th ed, , THERMIT Welding Methods for Flat-Bottom-Rails, ELEKTRO-THERMIT GmbH 5. Manual de Instruções para a Soldagem THERMIT, THERMIT do Brasil Indústria e Comércio. 806