MATERIAIS
ISAIAS MOREIRA DE FREITAS
ANÁLISE DE PROPRIEDADES E METALOGRAFIA DE RODAS FERROVIÁRIAS MICROLIGADAS
Vitória 2015
ANÁLISE DE PROPRIEDADES E METALOGRAFIA DE RODAS FERROVIÁRIAS MICROLIGADAS
Vitória 2015
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais do Instituto Federal do Espirito Santo como requisito parcial para obtenção do Título de Mestre em Engenharia Metalúrgica e de Materiais.
(Biblioteca Nilo Peçanha do Instituto Federal do Espírito Santo)
F866a Freitas, Isaias Moreira de
Análise de propriedades e metalografia de rodas ferroviárias microligadas / Isaias Moreira de Freitas. – 2015.
107 f. il.; 30 cm
Orientador: Estéfano Aparecido Vieira.
Dissertação (mestrado) – Instituto Federal do Espírito Santo, Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais.
1. Engenharia de materiais. 2. Aço – Metalografia. 3. Ferrovias – Material rodante. 4. Resistência de materiais. I. Vieira, Estéfano Aparecido. II. Instituto Federal do Espírito Santo. III. Análise de propriedades e metalografia de rodas ferroviárias microligadas.
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTOPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS
ISAIAS MOREIRA DE FREITAS
ANÁLISE DE PROPRIEDADES E METALOGRAFIA DE RODAS FERROVIÁRIAS MICROLIGADAS
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais do Instituto Federal do Espírito Santo como requisito parcial para obtenção do Título de Mestre em Engenharia Metalúrgica e de Materiais.
Aprovada em 25 de agosto de 2015
DECLARAÇÃO DO AUTOR
Declaro, para fins de pesquisa acadêmica, didática e técnico-científica, que a presente Dissertação de Mestrado pode ser parcialmente utilizada desde que se faça referência à fonte e ao autor.
Vitória, 25 de agosto de 2015.
Dedico este trabalho à minha esposa Tiara que sempre me incentivou, e a meu filho Lorenzo. Amo vocês.
AGRADECIMENTOS
A DEUS, por me abençoar muito mais do que eu mereço. A Ele toda honra.
Aos meus pais que me educaram e sempre estiveram do meu lado, além das constantes orações.
Aos familiares e amigos que contribuíram de alguma forma.
A empresa Vale por me dar o suporte necessário e a oportunidade de desenvolver o trabalho na área de rodas ferroviárias.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Estéfano Aparecido Vieira pela disponibilidade, paciência e contribuição.
As empresas MWL Brasil e Amsted Maxion que contribuíram fortemente, sendo representadas pelas Equipes da Engenharia e Laboratório, no fornecimento e preparação das amostras, bem como as análises nos equipamentos.
Aos Engenheiros Domingos José Minicucci e Roger Nascimento pela disponibilidade e por compartilharem o conhecimento técnico.
Ao Instituto Federal do Espirito Santo e a toda a equipe técnica e administrativa do PROPPEM.
Talvez não tenha conseguido fazer o melhor, mas lutei para que o melhor fosse feito. Não sou o que deveria ser, mas Graças a
Deus, não sou o que era antes. (Marthin Luther King)
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTOPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS
RESUMO
A confiabilidade aliada à redução de custo dos materiais é atualmente um dos fatores mais avaliados pelas Operadoras Ferroviárias. A roda ferroviária, por exemplo, onera a manutenção ferroviária com seu alto custo e frequência de reposição, seja por defeitos, desgaste ou fim de vida útil. Nos últimos anos materiais microligados estão sendo desenvolvidos e testados a fim de aumentar a confiabilidade e o desempenho. O objetivo deste trabalho é avaliar as propriedades das rodas ferroviárias microligadas de diferentes processos de fabricação. Para isso foram realizadas análises em laboratório, por meio de metalografia (análise do tamanho de grão, microestrutura e superfície da fratura) e ensaios mecânicos (dureza, tração, impacto e tenacidade à fratura). Foram selecionadas quatro rodas fundidas e três rodas forjadas, com composições similares de aços variando em torno de 0,7% de carbono. As rodas microligadas possuem diferentes adições de vanádio e nióbio, além de cromo e molibdênio, e foram retiradas de lotes específicos de desenvolvimento dos fabricantes. Os resultados apontaram que as melhores condições para produção de rodas microligadas é através do forjamento com a adição de nióbio e molibdênio, sendo a única que atendeu plenamente a norma AAR M-107/ M-108. Na faixa das composições estudadas, para a fabricação de rodas é indispensável o processo de forjamento para uma melhora significativa das propriedades mecânicas, dentre elas a tenacidade a fratura. Já o processo de fundição mostrou-se não ser o mais adequado, pois ocorreu a fragilização do material com a adição de microligantes, apesar da melhora da resistência mecânica.
Palavras-chave: Rodas ferroviárias. Aço microligado. Vanádio e nióbio.
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTOPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS
ABSTRACT
The combined reliability to reduce cost of materials is currently one of the factors evaluated by Railway Operators. The train wheel, for example, levied on railway maintenance with its high cost and replacement frequency, either for defects, wear or end of life. In recent years microalloyed materials are being developed and tested in order to increase reliability and performance. The objective of this study is to evaluate the properties of microalloyed railway wheels of different manufacturing processes. For this analysis were conducted in the laboratory, through metallography (analysis of grain size, microstructure and fracture surface) and mechanical tests (hardness, tensile, impact and fracture toughness). Four cast wheels were selected and three forged wheels, with similar compositions of steels ranging around 0.7% carbon. The microalloyed wheels have different additions of vanadium and niobium, in addition to chromium and molybdenum, and they were withdrawn specific development batches manufacturers. The results showed that the best conditions for production microalloyed wheels is by forging with the addition of niobium and molybdenum and is the only fully met the AAR standard M-107 / M-108. In the range of compositions studied for the wheel manufacturing is essential to forging process for a significant improvement in mechanical properties, among them the fracture toughness. But the casting process proved not to be the most suitable as it was the weakening of the material with the addition of microalloying, despite improvements in mechanical strength.
Keywords: Railway wheels. Microalloyed steel. Niobium e Vanadium. Mechanical
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Ilustração de um vagão de carga. ... 21
Figura 2 – Roda ferroviária. ... 21
Figura 3 – Esforços termomecânicos sobre a roda ferroviária. ... 23
Figura 4 – Máquina de fundição sob pressão... 24
Figura 5 – Roda ferroviária fundida. ... 25
Figura 6 – Tratamentos térmicos de normalização. ... 26
Figura 7 - Microestrutura típica da roda classe C: perlita fina e ferrita no contorno de grão. ... 27
Figura 8 - Micrografia obtida por microscopia ótica do aço microligado ao nióbio e molibdênio. ... 28
Figura 9 – Relação entre Número de Tamanho de Grão ASTM e Tamanho de grão em mícron. ... 29
Figura 10 – Posição da amostra retirado na roda para o ensaio de inclusões. ... 30
Figura 11 – Microestrutura polida padrão AAR (a) roda classe C (b) roda microligada. ... 31
Figura 12 – Destacamento de material na roda. ... 33
Figura 13 – Variação da tensão de escoamento com a temperatura. Aço AAR classe C... 34
Figura 14 - Escamação (shelling) na roda. ... 34
Figura 15 - Escamação localizada (Spalling) na roda. ... 35
Figura 16 – Trinca térmica paralela ao eixo. ... 36
Figura 17 – Ilustração de inclusões no aço de rodas. ... 36
Figura 18 - Parte de uma roda ferroviária com defeito causado por calo. ... 37
Figura 19 – Roda quebrada por trinca de fadiga. ... 41
Figura 20 – Corpo de prova com pré-trinca e carga. ... 42
Figura 21 – Tipos de curva carga – deslocamento. ... 43
Figura 22 – (a) Fotomicrografia de um aço eutetóide mostrando a microestrutura perlita. (b) e (c) Fotomicrografias com diferentes constituintes microestruturais, sendo: AF - ferrita acicular, PF(G) – ferrita de contorno de grão, PF(I) – ferrita poligonal intraganular, FS(A) e FS(NA) – ferrita com 2° fase. ... 47
Figura 23 – Representação esquemática da formação da perlita a partir da austenita.
... 48
Figura 24 – Representação esquemática da formação da perlita a partir da austenita. ... 49
Figura 25 – Representação esquemática do fenômeno de vários estágios para formação de precipitados coerentes e não-coerentes... 50
Figura 26 – Ilustração do contorno atuando como uma barreira á continuação do escorregamento. ... 51
Figura 27 - Fator multiplicador de temperabilidade. ... 53
Figura 28 – Influência do teor de carbono no valor de KIC. ... 54
Figura 29 – Tenacidade à fratura versus Mn/C. ... 54
Figura 30 – Efeito da adição de 0,03% Nb nas propriedades mecânicas e no tamanho do grão austenítico de aço 0,4 %C com e sem adição de nióbio. ... 57
Figura 31 - Efeito do Cr e Cr-Mo no limite de escoamento ... 58
Figura 32 – Desenho da roda ferroviária usada em vagões. ... 60
Figura 33 – Fluxograma da metodologia de trabalho. ... 63
Figura 34 – Modelo de CP’s usados nos ensaios mecânicos (a) macro dureza, (b) tração, (c) impacto e (d) tenacidade à fratura. ... 66
Figura 35 - Máquina de dureza Wilson 3000 kgf. ... 66
Figura 36 - Mapa de dureza (dimensões em polegadas). ... 67
Figura 37 - Máquina de tração LOS modelo UHP com capacidade de 40 toneladas. ... 68
Figura 38 - Região de retirada dos corpos de prova na roda e suas medidas padrões no ensaio de tração (dimensões em mm). ... 68
Figura 39 – Máquina para ensaio de impacto (Charpy). ... 69
Figura 40 - Região de retirada dos corpos de prova na roda e suas medidas padrões no ensaio de impacto (Charpy) (dimensões em mm). ... 69
Figura 41 – (a) Máquina MTS e (b) corpo de prova instrumentado durante um ensaio de KIc. ... 70
Figura 42 - Região de retirada dos corpos de prova na roda e suas medidas padrões no ensaio de tenacidade à fratura (dimensões em mm). ... 70
Figura 43 – Comparação dos resultados da equação 4.1 das 7 rodas analisadas e do aço estudado por V.B. (VILLAS BOAS et. al., 2009). ... 73
Figura 44 – Microestrutura da roda fundida convencional (FD_C). ... 74
Figura 45 – Microestrutura da roda fundida ao vanádio (FD_V)... 74
Figura 46 – Microestrutura da roda fundida ao vanádio e molibdênio (FD_VM). ... 75
Figura 47 – Microestrutura da roda fundida ao nióbio e molibdênio (FD_NbM). ... 75
Figura 48 – Microestrutura da roda forjada convencional (FJ_C). ... 76
Figura 49 – Microestrutura da roda forjada ao vanádio (FJ_V). ... 76
Figura 50 – Microestrutura da roda forjada ao nióbio e molibdênio (FJ_NbM). ... 77
Figura 51 – Microestrutura da roda forjada ao nióbio e molibdênio (FJ_NbM) com perlita a 25 mm da pista. ... 78
Figura 52 – Microestrutura da roda forjada ao nióbio e molibdênio (FJ_NbM) com bainita a 2 mm da pista. ... 78
Figura 53 – Microestrutura da roda de alta performance com bainita (HERNÁNDEZ, 2009). ... 79
Figura 54 – Microestrutura do aço C5Nb com bainita a 3 mm da superfície (CUNHA, 2009). ... 79
Figura 55 – Ilustração comparando o diâmetro do grão austenítico das rodas. ... 80
Figura 56 – Tamanho de grão austenítico do aço FD_C. ... 81
Figura 57 – Tamanho de grão austenítico do aço FD_V. ... 82
Figura 58 – Tamanho de grão austenítico do aço FD_VM. ... 82
Figura 59 – Tamanho de grão austenítico do aço FD_NbM. ... 83
Figura 60 – Tamanho de grão austenítico do aço FJ_C. ... 83
Figura 61 – Tamanho de grão austenítico do aço FJ_V. ... 84
Figura 62 – Tamanho de grão austenítico do aço FJ_NbM. ... 84
Figura 63 – Valor médio das durezas de 3 profundidades de medição em relação a pista. ... 86
Figura 64 – Resultados da relação limite de resistência e a média das durezas das rodas. ... 87
Figura 65 – Resultados do limite de resistência das amostras analisadas, e do aço estudado por Villas Boas et. al. (2009)... 88
Figura 66 – Resultados do limite de escoamento das amostras analisadas, e do aço estudado por Villas Boas et. al. (2009) e Constable (2004). ... 89
Figura 67 – Resultados de alongamento das amostras analisadas, e do aço estudado por Villas Boas et. al. (2009) e Constable (2004). ... 90
Figura 68 – Resultados de redução de área das amostras analisadas, e do aço
estudado por Villas Boas et. al. (2010)... 90
Figura 69 – Resultados de energia absorvida das amostras analisadas, e do aço estudado por V.B. (VILLAS BOAS et. al., 2010) e CTB (CONSTABLE, 2004). ... 91
Figura 70 – Resultados de tenacidade a fratura (KIc) das amostras analisadas, e do aço estudado por V.B. (VILLAS BOAS et. al., 2010) e CTB (CONSTABLE, 2004). ... 93
Figura 71 – Aspecto de clivagem da roda FD_C. ... 95
Figura 72 – Aspecto de clivagem da roda FD_V. ... 95
Figura 73 – Aspecto de clivagem da roda FD_VM. ... 96
Figura 74 – Aspecto de clivagem da roda FD_NbM. ... 96
Figura 75 – Aspecto de clivagem da roda FJ_C. ... 97
Figura 76 – Aspecto de clivagem da roda FJ_V. ... 97
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Classificação de rodas ferroviárias conforme aplicação. ... 22
Tabela 2 – Classificação de rodas ferroviárias para locomotivas e vagões de carga, conforme aplicação e composição química (AAR, 2014). ... 22
Tabela 3 – Propriedades do material das rodas classes D da AAR. ... 39
Tabela 4 – Valores de impacto Charpy na norma EN 13262. ... 40
Tabela 5 – Valores típicos (individual e média) para os ensaios de tenacidade à fratura em deformação plana - KIC de rodas ferroviárias recomendadas pelas normas AAR. ... 44
Tabela 6 – Distribuição geral dos elementos de liga nos aços. ... 52
Tabela 7 – Configuração de amostras de rodas analisadas. ... 60
Tabela 8 – Composição química típica de rodas ferroviárias. ... 61
Tabela 9 – Parâmetros do tratamento térmico das rodas. ... 62
Tabela 10 – Ensaios e quantidades de corpos-de-prova para cada amostra de roda. ... 64
Tabela 11 – Composição química das amostras de rodas estudadas (porcentagem em peso). ... 71
Tabela 12 – Resultados da equação 4.1 para as amostras estudadas. ... 72
Tabela 13 – Tamanho de grão austenítico. ... 80
Tabela 14 – Resultados dos valores de dureza e desvio padrão conforme as profundidades 9,5 mm, 25,4 mm e 47,2 mm, com o desvio padrão (DV). ... 85
Tabela 15 – Resultados da média das durezas e do limite de resistência. ... 87
Tabela 16 – Resultados das amostras avaliadas para os limites de resistência (LR) e escoamento (LE), com o desvio padrão (DV). ... 88
Tabela 17 – Resultados das amostras avaliadas para alongamento (AL) e redução de área (RA), com o desvio padrão (DV). ... 89
Tabela 18 – Resultados das amostras avaliadas para a energia absorvida (CH), com o desvio padrão (DV). ... 91
Tabela 19 – Resultados das amostras avaliadas para tenacidade a fratura. ... 92
Tabela 20 – Composição química das amostras de rodas estudadas (% em peso), comparativo entre propriedades de aços fabricados conforme AAR (2014) e aços modificados. ... 94
LISTA DE ABREVIATURAS A – Alongamento [%] Å – Angström [m] a – Comprimento da trinca [mm] B – Bainita cf. – Conforme, confira C – Carbono °C – Graus célsius Cr – Cromo
ed. – Editora, edição et. al. – Et alii (e outros) f. – Folha (s)
HB – Dureza Brinell [HB] Id – Idem
K – Fator de intensidade de tensões [MPa.m1/2 ]
KC – Tenacidade à fratura em condições de tensão plana [MPa.m1/2 ]
KIC – Tenacidade à fratura em condições de deformação plana e no modo I de carregamento [MPa.m1/2]
KQ – Fator de intensidade de tensão que pode ser igual a KIC se as condições de validade do ensaio forem satisfeitas [MPa.m1/2]
LE – Limite de escoamento [MPa] LR – Limite de resistência [MPa] M – Martensita MO – Microscopia ótica Mo – Molibdênio n. – numero Nb - Nióbio P – Carga [N] p. – Página (s) RA – Redução de área [%] V - Vanádio v. – Volume (s)
LISTA DE SIGLAS
AAR –“Association of American Railroad”
ASTM – “American Society for Testing and Materials” BS – “British Standard”
ISO – International Organization for Standardization MEV – Microscópio eletrônico de varredura
TTCI - Transportation Technology Center, Inc. UIC – “Union Internationale Dês Chemis De Fer”
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 18 2 OBJETIVOS ... 20 2.1 OBJETIVO GERAL ... 20 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 20 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 21 3.1 RODAS FERROVIÁRIAS ... 21 3.1.1 Aplicação e características ... 21 3.1.2 Processos de fabricação ... 23 3.1.2.1 Rodas fundidas ... 24 3.1.2.2 Rodas forjadas ... 25 3.1.3 Microestrutura do aço ... 26 3.1.4 Microlimpeza do aço ... 30 3.1.5 Defeitos e falhas ... 32 3.1.6 Propriedades mecânicas ... 37 3.1.7 Mecânica da fratura ... 40
3.2 FASES ESTRUTURAIS DO AÇO ... 44
3.3 MECANISMOS DE ENDURECIMENTO ... 49
3.4 EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA ... 51
4 MATERIAIS E MÉTODOS ... 60 4.1 MATERIAIS ... 60 4.2 MÉTODOS ... 62 4.2.1 Caracterização química ... 64 4.2.2 Caracterização microestrutural ... 64 4.2.2.1 Análise de microestrutura ... 64
4.2.2.2 Determinação do tamanho do grão austenítico ... 65
4.2.2.3 Fractografias da superfície de fratura ... 65
4.2.3 Ensaios Mecânicos ... 65
4.2.3.1 Macro dureza ... 66
4.2.3.2 Ensaios de tração ... 67
4.2.3.3 Ensaios de impacto ... 68
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 71
5.1 COMPOSICÕES QUIMICAS ... 71
5.2 MICROESTRUTURAS ... 73
5.3 TAMANHO DO GRÃO AUSTENITICO ... 80
5.4 PROPRIEDADES MECÂNICAS ... 85
5.4.1 Macro Dureza ... 85
5.4.2 Tração e impacto ... 87
5.4.3 Tenacidade à fratura ... 92
5.4.3.1 Superfícies de fraturas após ensaios KIc ... 94
6 CONCLUSÃO... 99
7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS... 101
1 INTRODUÇÃO
A confiabilidade aliada à redução de custo dos materiais é atualmente um dos fatores mais avaliados pelas Operadoras Ferroviárias. Quando se fala em custo, a roda ferroviária tem grande impacto, ficando entre os cinco maiores custos na ferrovia. Quando se fala em confiabilidade, a capacidade de um material desempenhar sua função sem apresentar falhas inesperadas durante a operação é essencial, pois a interrupção em uma operação pode gerar perdas irreparáveis.
Entre os anos de 2008 a 2013, ocorreram pelo menos 40 falhas catastróficas em rodas ferroviárias de vagões com parada de trem em uma grande ferrovia no Brasil, gerando descarrilamentos e até tombamentos (FREITAS, 2015). As investigações demonstraram problemas de integridade em rodas ferroviárias, associadas falhas por fadiga ou algum tipo de descontinuidade metalúrgica. O aumento gradativo de cargas transportadas também aumenta os riscos de acidentes com prejuízos financeiros, impactos ambientais e a comunidade.
A fabricação das rodas é um fator muito importante que precisa ser considerado para a qualidade do aço. A Norma AAR (Association of American Railroad) estabelece os critérios de fabricação e propriedades das rodas. Os processos de fabricação atuais são forjamento a quente e o fundição sob pressão. Esses utilizam alta tecnologia e visam garantir ótimas características ao produto final. Entretanto, cada material possui características e especificidades próprias. A roda fundida pode conter micro porosidades, oque pode ser problemático para iniciação de fadiga, logo o processo precisa ser muito bem controlado. Já a roda forjada passa pelo processo de desgaseificação a vácuo melhorando a limpidez do aço.
Em relação ao material das rodas, as atuais são denominadas convencionais e estão sendo substituídas por uma nova geração que consiste nas microligadas. As microligadas possuem adições, em geral menor que 0,15% em massa, de elementos de liga que melhoram significativamente as propriedades mecânicas e resistência ao desgaste. Os elementos de liga mais comuns nos aços microligados são, dentre outros: vanádio, nióbio e titânio. Porém também são usados outros elementos combinados como o cromo e o molibdênio. Muitos estudos têm sido realizados na
busca de novos materiais com propriedades superiores, e segundo Lonsdale (2005) a remoção de rodas por defeitos na pista de rolamento poderá ser reduzida se o aço da roda for desenvolvido para ter alto limite de escoamento e alta dureza para trabalho em temperaturas elevadas. Robles Hernandez et. al. (2008) em sua pesquisa na TTCI (Transportation Technology Center, Inc.) sobre rodas de alta performance, afirma que a vida da roda ferroviária pode ser aumentada significativamente através do desenvolvimento de aços com melhores propriedades mecânicas.
Diante desse contexto acima, propõem-se a avaliação das propriedades de sete rodas ferroviárias de diferentes materiais, dentre convencionais e microligadas. Para isso foram realizadas análises em laboratório, por meio de metalografia (análise do tamanho de grão, microestrutura e superfície da fratura) e ensaios mecânicos (dureza, tração, impacto e tenacidade a fratura). Foram selecionadas quatro rodas fundidas e três rodas forjadas, com composições de aços variando em torno de 0,7% de carbono. Entre as rodas fundidas: uma convencional classe C, uma com adição de vanádio, uma com adição de vanádio e molibdênio e uma com adição de nióbio e molibdênio. Entre as rodas forjadas: uma convencional classe C, uma com adição de vanádio e uma com adição de nióbio o molibdênio. As rodas microligadas possuem adições de vanádio e nióbio similares, além de cromo e molibdênio, e foram retiradas de lotes específicos de desenvolvimento dos fabricantes.
Nesse trabalho os aspectos mais importantes comparados e avaliados foram as propriedades mecânicas e metalográficas do material da roda microligada de diferentes processos de fabricação. Importante destacar que a motivação para esse trabalho é contribuir para o aumento do desempenho das rodas ferroviárias e a redução dos problemas de confiabilidade.
2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
Avaliar dentre os aços microligados qual é a melhor alternativa para rodas ferroviárias, através da análise de propriedades mecânicas e de metalografia.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Para alcançar o objetivo geral, temos os seguintes objetivos específicos:
Analisar sete composições diferentes de rodas fundidas e forjadas, dentre elas convencionais e microligadas com adições de vanádio, nióbio, cromo e molibdênio.
Fazer a caracterização química dos materiais das rodas através de espectroscopia.
Fazer a caracterização das microestruturas e tamanho de grão através de microscopia óptica (MO).
Realizar ensaios de tração e impacto (Charpy).
Realizar ensaios de tenacidade à fratura (KIc) e avaliar as superfícies de fratura através de microscopia eletrônica de varredura (MEV).
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 RODAS FERROVIÁRIAS
3.1.1 Aplicação e características
As rodas ferroviárias, no conjunto rodeiro (duas rodas montadas em um eixo), são componentes responsáveis por transmitir o movimento ao vagão, além de suportar todo o seu peso e solicitações causadas pela frenagem e irregularidades da via. Na Figura 1 é possível ver um vagão de carga montado sobre o truque.
Figura 1 – Ilustração de um vagão de carga.
Fonte: Autor (2014).
A roda ferroviária é composta basicamente por pista de rolamento, friso, aro, disco, e cubo. A Figura 2 apresenta uma roda ferroviária destacando suas partes.
Figura 2 – Roda ferroviária.
Santos (1997) diz que a roda também serve como tambor de freio, ou seja, é utilizada para dissipar o calor gerado devido a variação da energia cinética e potencial do veiculo durante a frenagem. A parte desse calor que entra na roda pode gerar diversos tipos de problemas tais como mudanças estruturais, redução da resistência mecânica, modificação do padrão inicial das tensões residuais, fadiga, entre outros.
As rodas ferroviárias convencionais são fabricadas em aço alto e médio carbono, contendo na faixa de 0,45 – 0,80 % de Carbono, e são tratadas termicamente. Suas microestruturas são tipicamente perlita fina. A norma AAR (2014) estabelece os critérios de fabricação e práticas recomendadas para eixos e rodas. A norma classifica as rodas para aplicação em locomotivas e vagões de carga em 4 classes, conforme a Tabela 1.
Tabela 1 – Classificação de rodas ferroviárias conforme aplicação.
Aplicação Classe
Altas velocidades, condições severas de frenagem L Baixas velocidades, condições leves de frenagem e moderadas cargas A Altas velocidades, condições severas de frenagem e altas cargas B Baixas velocidades, condições leves de frenagem e altas cargas C Fonte: AAR (2014).
Na Tabela 2 pode-se verificar a classificação básica das rodas ferroviárias para vagões de carga, conforme a aplicação e a composição química.
Tabela 2 – Classificação de rodas ferroviárias para locomotivas e vagões de carga, conforme aplicação e composição química (AAR, 2014).
Aplicação % Carbono Classe
Altas velocidades, condições severas de frenagem e altas cargas
0,57 – 0,67 B
Baixas velocidades, condições leves de frenagem e altas cargas
0,67 – 0,77 C
D Fonte: AAR (2014).
As rodas estão sujeitas a esforços mecânicos (peso bruto, impacto, fator de carga, entre outros) e térmicos (como exemplo o atrito de frenagem, micro e macro escorregamento). A Figura 3 mostra os esforços realizados sobre a roda.
Figura 3 – Esforços termomecânicos sobre a roda ferroviária.
Fonte: Autor (2015).
Durante uma frenagem acentuada da roda, a temperatura é alta o suficiente para austenitizar a região próxima à superfície de contato. Depois disso, a banda de rodagem é rapidamente arrefecida por condução de calor para o resto da roda quando o conjunto de roda começa a rolar de novo, e assim a martensita é formada na camada de superfície. O teor de carbono ou a temperatura inicial para a mudança de fase afeta a transformação da martensita. Trincas podem iniciar na área com aquecimento e resfriamento rápido. A formação e propagação das trincas pode levar a fragmentação do material após a ação térmica por repetidas vezes, que segundo Liu (2000) pode ser facilitado pelo teor de carbono da roda de médio a alto.
3.1.2 Processos de fabricação
Existem dois tipos básicos de rodas ferroviárias classificadas por processo de fabricação: rodas forjadas e rodas fundidas.
Fn - Força normal R – Resultante Ft – Força de tração a – Ponto de compressão µ - Atrito
3.1.2.1 Rodas fundidas
O processo de fundição resumidamente ocorre da seguinte forma:
• Aço líquido (em torno de 1700 °C) é colocado em moldes de grafite que são usinados e têm exatamente o formato da roda acabada;
• Vazamento O processo de vazamento do aço para a fabricação das rodas ferroviárias é mostrado conforme o esquema da Figura 4, e consiste basicamente na injeção de ar sob pressão controlada dentro do tanque de vazamento, o que faz o aço da panela ser direcionado para os moldes através de um tubo de cerâmica até preencher todo o vazio interno formado pelos moldes de grafite (OLIVEIRA, 2013). Após a solidificação do aço nos moldes é feito o corte dos massalotes. Na Figura 4 pode-se ver esse processo.
• As rodas são temperadas em água e revenidas para alívio de tensões em fomos elétricos, a gás ou a óleo;
• A Usinagem das rodas fundidas ocorre no furo central, pois a alimentação do aço para o molde no momento da fundição é feita somente por esta área; também é feito usinagem da pista de rolamento para eliminação da camada martensítica formada após o tratamento térmico. O tratamento térmico é feito normalmente com os aços sendo austenitizados na temperatura próxima a 1000 °C.
• Todas as rodas devem ser inspecionadas, por ultra-som, partículas magnéticas, dureza e dimensionais.
Figura 4 – Máquina de fundição sob pressão.
A Figura 5 apresenta uma roda fundida sendo inspecionada. É possível observar as marcas de massalote usados durante a fabricação.
Figura 5 – Roda ferroviária fundida.
Fonte: Página da Amstemaxion1.
3.1.2.2 Rodas forjadas
O processo de forjamento resumidamente ocorre da seguinte forma: • Fabricação e corte dos lingotes vindos da aciaria em bloco; • Pesagem dos blocos;
• Enfornamento dos blocos para aquecimento até 1250° C;
• Após o aquecimento, os blocos são retirados um a um do forno e passam por um jateamento de água e alta pressão para remover a carepa formada no processo de aquecimento.
• Blocos são prensados em prensas que variam de 6.000 t a 12.000 t.
• Laminação, onde é formada a superfície de rolamento da roda juntamente com o friso, por meio de deslocamento de material do disco da roda para a pista;
• A última operação do forjamento é a prensagem final para conformar o disco da roda e puncionar o furo central.
• No final do forjamento a roda está em torno de 850 a 1000 °C.
• As rodas, após o forjamento, são colocadas em fossas refratárias cobertas, para um resfriamento lento e controlado;
___________________
1 Disponível em: <http://www.amstedmaxion.com.br/negocios_ferroviario_rodas.php>. Acesso em: 05 jul. 2015.
• No tratamento térmico é feito a têmpera e o revenido.
• Em seguida é feito a usinagem total da roda e inspeções finais.
Na Figura 6 pode-se ver a roda sendo posicionada na fossa para resfriamento controlado ao ar para tratamento de normalização.
Figura 6 – Tratamentos térmicos de normalização.
Fonte: Oliveira (2013).
3.1.3 Microestrutura do aço
A avaliação metalográfica é importante para o controle da qualidade metalúrgica. As microestruturas dos metais e ligas são determinadas pela composição química, processos de solidificação e tratamentos termodinâmicos. Estas variáveis determinam o comportamento dos metais e ligas. Devido à relação entre a estrutura e a propriedade dos materiais, a caracterização metalográfica é utilizada na especificação de materiais, controle e garantia de qualidade, controle de processos e análise de falhas (COLPAERT, 2008).
Segundo Zhang e Gu (2008) a microestrutura do aço laminado a quente pode ser alterada conforme o padrão de resfriamento no qual o material é submetido, onde na mesma pesquisa ele também conclui, por exemplo, que o aço ao nióbio laminado a quente teve alterações da quantidade de carbonitretos presente na matriz ferrítica, bem como um refinamento da microestrutura, após um tipo de resfriamento adotado.
Para as rodas ferroviárias, fabricadas tanto por forjamento ou por fundição, o tratamento térmico é feito na pista de rolamento após a austenização do material, fase que ocorre entre as temperaturas de 727 e 1495º C, onde através de jatos de água ocorre o resfriamento acelerado obtendo a martensita (MINICUCCI, 2011).
As rodas e trilhos ferroviários possuem a microestrutura de perlita fina com lamelas de espessura de aproximadamente 0,01 µm e ferrita no contorno de grão, típico de aços hipoeutetóides. Na Figura 7 pode-se ver uma microestrutura típica da roda classe C fundida.
Figura 7 - Microestrutura típica da roda classe C: perlita fina e ferrita no contorno de grão.
Fonte: Oliveira (2013).
Os materiais de alta tenacidade a fratura, como os aços para trilhos e rodas ferroviárias, sofrem desgaste abrasivo por deformação plástica, de maneira que a sua resistência ao desgaste aumenta com o aumento da dureza. Um estudo do Benson(1993) elaborado pelo consórcio da British Rail, afirma que a microestrutura tem um efeito mais determinante do que a dureza.
Em rodas microligadas apresentam microestrutura mais refinada quando comparadas as rodas convencionais. Villas Boas et. al. (2010) concluiu que em relação ao aço não microligado, o aço com adição de nióbio e molibdênio apresentou uma redução do diâmetro de grão austenítico melhorando a resistência mecânica. O refino do grão do aço ao nióbio é provocado pelo efeito do nióbio em retardar a recristalização da austenita após a deformação a quente que pode se dar
pela diluição do nióbio em solução na austenita ou na forma de precipitado (DOI, 1992). Segundo Mei (1990), o nióbio tem uma forte tendência à formação de carbonetos que restringem o crescimento do grão austenítico. Na Figura 8 é possível ver uma micrografia de um aço microligado ao nióbio e molibdênio.
Figura 8 - Micrografia obtida por microscopia ótica do aço microligado ao nióbio e molibdênio.
Fonte: Villas Boas et al. (2010).
O tamanho de grão tem grande influência nas propriedades mecânicas dos materiais metálicos. Murakami (2012) afirma que os contornos de grãos funcionam como uma barreira para o crescimento da trinca, o que explica a melhora no comportamento em fadiga nos materiais com grãos mais refinados.
O tamanho de grão é uma medida da metalografia quantitativa. As amostras de material são preparadas, atacadas com os reagentes metalográficos indicados e avaliadas em microscópios metalográficos. Lembrando que amostras ferrosas devem ser temperadas e revenidas para a inspeção do tamanho de grão austenítico do material (TESTMAT, 2015).
Devido à importância desta medida sobre as qualidades do material, como por exemplo, ductilidade, tenacidade e resistência mecânica, trata-se de uma característica que deve ser avaliada periodicamente nos materiais adquiridos e nos produtos fornecidos. Produtos de responsabilidade, ou de elevada solicitação são periodicamente avaliados nesta característica.
O número do tamanho de grão ASTM (n), escala de medição mais difundida no mercado, é dado pela equação 3.1.
N = 2^(n-1) (3.1)
onde n é o tamanho de grão ASTM, e N é o número de grãos por pol² (polegada quadrada) medido com 100x de aumento (TESTMAT, 2015).
Existem três métodos de avaliação de tamanho de grão: avaliação comparativa por quadros, métodos de contagem de grãos e o método dos Interceptos, sendo os três descritos e padronizado na ASTM E112 e em normas correlatas.
O método dos interceptos é muito moroso, porém preciso. O método dos quadros comparativos permite uma boa avaliação sem ocorrerem erros significativos e é bem mais rápido.
Uma solução existente para a avaliação não padronizada dos tamanhos de grão é medi-los com a escala micrométrica e converter o valor de mícrons para o número ASTM de tamanho de grão. A Figura 9 é uma representação desta relação entre número de tamanho de grão ASTM e tamanho de grão em mícrons.
Figura 9 – Relação entre Número de Tamanho de Grão ASTM e Tamanho de grão em mícron.
3.1.4 Microlimpeza do aço
A microlimpeza do aço, conhecido como microclealiness, é de suma importância para as propriedades do material. Segundo Zhang (2006) o comportamento mecânico de aço é controlado em grande parte pela fracção de volume, tamanho, distribuição, composição e morfologia de Inclusões e precipitados, que atuam como concentradores de tensão.
A norma AAR (2014) estabelece que a limpeza metalúrgica do aço da roda deve ser determinada a partir de amostras colhidas de rodas acabadas selecionadas aleatoriamente durante a fornada de fabricação.
As dimensões das amostras para retirada do corpo-de-prova são: 7/8” na direção circunferencial, 3/4” na direção radial e espessura de 1/2”. A preparação das amostras deve ser feita conforme (ASTM E 1245) com polimento automático. A área total de cada área examinada de cada amostra deve ser maior que 161 mm2 e todas as inclusões maiores que 2,5 µm devem ser encontradas. A Figura 10 ilustra o CP para análise de microlimpeza.
Figura 10 – Posição da amostra retirado na roda para o ensaio de inclusões.
Fonte: Minicucci (2011).
A microlimpeza do aço está relacionado com o grau de limpeza do aço referente à quantidade de inclusões ou impurezas que ficam alojadas no interior do material. Conforme o grau apresentado, este pode ser muito prejudicial para a roda. É a partir dessas inclusões não metálicas ou vazios que ocorrem o shattered rim. Normalmente é medido em % de defeitos em relação % da área ou volume da roda.
A ductilidade é apreciavelmente diminuída aumentando quantidades de óxidos ou sulfetos (ROBLES HERNANDEZ et. al. 2009). A norma AAR (2014) define o quanto é permitido de óxidos e sulfetos para que não comprometa a qualidade da roda em operação. Na Figura 11 podem-se ver as fotos de micro defeitos na microestrutura de rodas.
Figura 11 – Microestrutura polida padrão AAR (a) roda classe C (b) roda microligada.
Fonte: Robles Hernandez et. al. (2009).
Os processos de fundição estão mais suscetíveis a inclusões e impurezas. O processo de forjamento garante uma melhor qualidade do material da roda. As empresas de forjamento estão adicionando a desgaseificação ao processo para melhorar a qualidade. Quando o aço líquido está na composição química correta, o mesmo é submetido a desgaseificação a vácuo com o objetivo de reduzir os gases, principalmente o hidrogênio.
Com a desgaseificação a vácuo melhorando a microlimpeza da roda, já está comprovado que o limite de resistência mecânica, escoamento e tenacidade são melhores, podendo chegar ao aumento de 10% (MINICUCCI, 2010). A melhora dessas propriedades reduz o risco de fraturas frágeis.
3.1.5 Defeitos e falhas
O controle de qualidade durante a fabricação de rodas, e em particular os procedimentos de inspeção ultra-sônicas, é um fator crítico em termos de redução da incidência de tais iniciadores de fadiga (COOKSON, 2014) . As rodas apresentam defeitos com maior frequência na pista de rolamento, normalmente oriundos do processo de fadiga. A origem da fadiga se dá por vários motivos. Zhang (2006) diz que as fontes da maioria dos problemas de fadiga em aços de rolamentos são óxidos duros e quebradiços, especialmente grandes partículas de alumina (mais de 30 µm). No mesmo estudo, Zhang ainda afirma que a distribuição e o tamanho da inclusão são particularmente importantes. Às vezes um defeito catastrófico é causado por apenas uma única grande inclusão em toda a fundição de aço. Embora as macro inclusões sejam superadas em número pelas micro inclusões, as suas frações de volume total podem ser maiores.
Os defeitos que se iniciam em profundidades maiores geralmente estão relacionados com inclusões, porosidades ou vazios internos no aço. Segundo Cookson (2014) os principais defeitos que podem degradar as rodas ferroviárias são desgaste excessivo, trincas de fadiga por contato, trincas termomecânicas, trincas acumuladas por aquecimento acumulado, inicio de trincas sub superficiais, trincas por escorregamento.
Um exemplo de falha predominante é o “shatered rim”, um tipo de trinca que se desenvolve na região sub superficial paralela a superfície da pista de rolamento, podendo ser influenciado pelo tipo de material, grau de micro limpeza do aço, propriedades mecânicas e metalúrgicas, entre outros. Um defeito muito grave na roda, pois inicia na parte interna do aro da roda e se propaga para a superfície, até ocorrer o destacamento do material. Seu inicio ocorre em porosidades, vazios, inclusões de oxido de alumínio ou material não metálico. Minicucci (2011) diz que a profundidade típica de inicio desse defeito é de 4 a 8 mm da pista de rolamento, propagando-se paralela a pista de rolamento. Pesquisas recentes mostram que defeitos ou inclusões com 1 mm de diâmetro podem ser suficientes para iniciar o shattered rim.
Na Figura 12 pode-se ver uma roda com o defeito de destacamento de material (shatered rim).
Figura 12 – Destacamento de material na roda.
Fonte: Autor (2014).
A escamação (Shelling) são pedaços de material que se desprendem da região sub superficial da pista da roda em várias posições, de forma relativamente contínua (AAR, 2014). Minicucci (2011) diz que estas trincas se originam a uma profundidade de 1 a 3 mm da pista de rolamento normalmente estão associadas a altas tensões de contato que ultrapassam a tensão de escoamento do material. Teimourimanesh (2010) mostrou a influência da temperatura na queda de ductilidade de aço para a roda e sugere que as trincas de fadiga de contato para formação de escamação estão relacionadas a queda de ductilidade devido a fragilização que ocorre em aços de roda em faixas de temperatura próximas de 200ºC.
A combinação de cargas térmicas geradas na frenagem e de elevadas cargas mecânicas a que estão sujeitas as rodas pode causar alterações micro estruturais no seu material. Estas alterações poderão vir a reduzir sua resistência mecânica ou ainda fragilizar o material devido à formação ou precipitação de microconstituinte de elevada dureza e ou baixa ductilidade (GALLAGHER et. al. 1991). As transformações microestruturais são aceleradas ou facilitadas pela deformação plástica imposta ao material da roda devido às cargas termomecânicas aplicadas. A Figura 13 mostra a variação da tensão de escoamento com o aumento da temperatura para um aço AAR Classe C.
Figura 13 – Variação da tensão de escoamento com a temperatura. Aço AAR classe C.
Fonte: Adaptado de Gallagher (1991).
Muradyan (2010) diz que a usinagem para recuperação da pista de rolamento reduz consideravelmente a vida da roda devido à profundidade de corte usada para eliminar os defeitos. Fatores que contribuem para a formação da escamação: excesso de carga e velocidade, uso da roda com dureza insuficiente, falta de usinagem para remoção de pequenas imperfeições, entre outros. Ciclos de alta tensão durante o rolamento geram trincas na pista de rolamento da roda que se propagam, e quando estas se cruzam podem arrancar material deixando porções de vazios. O aquecimento da roda devido à frenagem pode reduzir a resistência à fadiga em processo conhecido como shelling termomecânico. Na Figura 14 pode-se ver um exemplo shelling termomecânico.
Figura 14 - Escamação (shelling) na roda.
A escamação localizada (Spalling) é o resultado de pequenas lascas superficiais que acontecem na pista de rolamento da roda entre ou adjacentes a finas trincas térmicas causadas por pequenos escorregamentos (AAR, 2014). Normalmente esse defeito está associado a um problema de frenagem, que é feita pelo contato direto da sapata de freio na pista de rolamento da roda causando aquecimento. Cummings (2008) relata que as principais fontes de “spalling” são má aplicação do freio manual e mau funcionamento dos freios pneumáticos. Quando a frenagem é feita em condições de baixo atrito, pode haver o escorregamento entre a roda e o trilho devido ao travamento da roda.
O efeito na pista de rolamento é a produção de uma camada de martensita criada devido ao aquecimento a uma temperatura acima de 1000° C e o rápido resfriamento após o final da frenagem. Segundo Minicucci (2011) essa camada varia entre 0,1 a 0,5 mm, podendo chegar a 1,2mm. Como a estrutura típica do material da roda é perlítica, esta estrutura martensítica, tendo um volume maior, fica levemente tensionada. Com o rolamento contínuo da roda sobre o trilho, iniciam-se trincas na camada martensítica progredindo para um processo de lascamento (CLARKE, 2008). A Figura 15 mostra uma escamação localizada.
Figura 15 - Escamação localizada (Spalling) na roda.
Fonte: Minicucci (2011).
A Trinca térmica (termal cracks) é devido a introdução de um grande fluxo de calor em um pequena secção de material do aro da roda por fricção. Existem dois tipos: a primeira é superficial com pequenas trincas paralelas ao eixo da roda, a segunda é
maior e pode afetar a área de contato. A trinca por aquecimento tem sentido radial podendo levar ao rompimento da roda e o descarrilamento. A Figura 16 mostra uma trinca térmica paralela ao eixo.
Figura 16 – Trinca térmica paralela ao eixo.
Fonte: Autor (2014).
Os defeitos por inclusões são gerados normalmente durante o processo de fabricação do aço ainda no estado líquido (ZHANG, 2006). As ligas ferro carbono contem impurezas normais como fosforo, enxofre, manganês, silício e o próprio carbono. No caso das rodas predominam o cálcio, o silicato, a alumina e o hidrogênio. De um modo geral as inclusões contribuem para alterar as propriedades dos materiais, e no caso das rodas reduzem a resistência à fadiga e impacto. A figura 17 mostra alguns tipos de inclusões na roda.
Figura 17 – Ilustração de inclusões no aço de rodas.
Além das inclusões metálicas, o controle de inclusões não metálicas tem sido objeto de estudos importantes para o desenvolvimento de aços com melhores propriedades mecânicas como tenacidade, ductilidade e vida em fadiga, já que a presença de tais impurezas podem afetar estas características de maneira negativa (LAMBRIGHS et al, 2010). O fator de controle para este comportamento superior é a pureza do material que é medida pela quantidade e tipo de inclusão não metálica (SKOBIR et al, 2010).
O Calo é causado por travamento da roda durante a frenagem e pode gerar um aquecimento localizado na região do travamento e gerar trincas em torno da área afetada. A Figura 18 mostra uma roda com calo.
Figura 18 - Parte de uma roda ferroviária com defeito causado por calo.
Fonte: Minicucci (2011).
3.1.6 Propriedades mecânicas
As propriedades mecânicas dos materiais utilizados na fabricação de rodas ferroviárias dependem basicamente da composição química, da condição metalúrgica do aço e do processo de fabricação (CHIAVERINI, 1986). Em pesquisa na TTCI, Cummings (2011), afirma que para melhorar o desempenho das rodas ferroviárias e aumentar a sua vida, um dos fatores mais importantes é a melhoria das propriedades mecânicas.
A maioria dos componentes de aço carbono fundidos são produzidos com variações em suas propriedades mecânicas devido ao ajuste da composição e ao tratamento térmico aplicado durante o processo de fabricação. Desse modo, esses componentes podem obter propriedades especificas, incluindo a dureza, a resistência mecânica, a ductilidade, fadiga e tenacidade que explicam o comportamento mecânico desses materiais.
Assim como a roda, o trilho tem aumentado sua dureza ao longo dos anos. Segundo Ordóñez Olivares et. al. (2013), nos últimos 50 anos, as ferrovias e os fabricantes ferroviários têm melhorado o desempenho ferroviário, aumentando a dureza de 248 HB para mais de 400 HB, resultando em melhor resistência ao desgaste dos trilhos e uma extensão de vida.
As características da dureza para as rodas ferroviárias em serviço são muito importantes para o seu desempenho. Porém, em muitos casos, as propriedades desses componentes mudam com as condições reais de serviço, essa mudança ocorre de uma forma muito mais complicada e múltipla do que se espera (POINTNER, 2008). Para Alves (1997), aumentos de dureza em componentes ferroviários obtidos por meio de redução de temperatura de revenido para microestruturas martensíticas afetam o comportamento do desgaste, gerando maiores taxas de desgaste.
Além do tipo de material da roda, o processo de fabricação também é determinante para que as rodas apresentem diferentes propriedades, que consequentemente irão influenciar em seu desempenho em operação. Em testes de laboratório, Guedes (2011) concluiu que a roda forjada apresentou maior resistência mecânica e maior tenacidade à fratura, consequentemente faz com que para um mesmo nível de tensão este tipo de roda tolere um maior defeito até a fratura final do componente.
A resistência ao desgaste é, frequentemente, associada ao aumento de dureza do material, porém o limite de escoamento tem maior influência na resposta ao dano causado pela fadiga de contato de rolamento. Tournay (2010) também afirma que o aumento do limite de escoamento associado com a redução da carga térmica da roda previne o shelling (escamação) termo- mecânico.
A norma AAR (2014) recomenda a realização do ensaio de dureza Brinell, de acordo com os procedimentos da norma ASTM E10 no aro de rodas ferroviárias fundidas e forjadas, durante o processo de fabricação das rodas.
Os ensaios laboratoriais para obtenção das propriedades de tração de rodas ferroviárias são realizados de acordo com as recomendações das normas da ASTM E - 8 e a norma AAR.
A Tabela 3 apresenta as propriedades estabelecidas pela norma AAR (2014) para o material de rodas ferroviárias classe D.
Tabela 3 – Propriedades do material das rodas classes D da AAR.
Classes da roda
Propriedades D
Dureza (HB) 341 - 415
Limtie de resistência (MPa) 1082,5
Limite de escoamento (MPa) 758,4
Alongamento (%) 14
Redução de área (%) 15
Fonte: Adaptado da norma AAR (2014).
Pode-se observar que a norma AAR (2014) não estabelece propriedades mínimas para ensaio de impacto. Os ensaios de impacto são ensaios dinâmicos geralmente empregados para a análise de fratura frágil de materiais, e o comportamento dúctil-frágil de diversos materiais. O resultado do ensaio de impacto é simplesmente representado por uma medida de energia absorvida pelo corpo-de-prova, não fornecendo indicações seguras sobre o comportamento de toda a estrutura em condições de serviço.
Geralmente materiais que tem alta resistência ao impacto são aqueles que têm alta resistência mecânica e ductilidade. A determinação da energia de impacto Charpy contribui para cálculos mais precisos e confiáveis para a fabricação de rodas
ferroviárias de aço. A norma da EN 13262 recomenda que sejam adotados os valores médios e mínimos para os ensaios de impacto Charpy em corpos-de-prova usinados de rodas ferroviárias. A Tabela 4 mostra os valores médios e mínimos de para temperaturas acima de 20º C, onde devem ser usados corpos-de-prova com entalhe em forma de “U”.
Tabela 4 – Valores de impacto Charpy na norma EN 13262.
Grau Energia (Joules) – Temperatura acima de 20 °C
Valores médios Valores mínimos
R6 > = 17 > = 12
R7 > = 17 > = 12
R8 > = 17 > = 12
R9 > = 13 > = 9
Fonte: Adaptado da norma EN 13262 (2011).
3.1.7 Mecânica da fratura
Tenacidade à fratura é definida como um termo genérico para medidas de resistência à extensão de uma trinca (ASM, 1996). A tenacidade à fratura é uma propriedade da mecânica da fratura, que por sua vez, é uma ferramenta poderosa utilizada na avaliação da confiabilidade e vida das estruturas e na seleção de materiais (FERREIRA, 2009). Para rodas ferroviárias a tenacidade à fratura é avaliada medindo a resistência a propagação da trinca no sentido linear, também conhecido como KIC.
A norma AAR (2014) estabelece que o ensaio de tenacidade à fratura em rodas ferroviárias deve ser determinado para duas amostras por roda de teste em 70 ° F a 75 ° F, de acordo com a norma ASTM E 399, edição mais recente. Se um KIC válido não for obtido, em seguida, informar o valor KQ. As principais normas técnicas que tratam deste ensaio são a ASTM E 399 e ASTM E 1820.
A tenacidade à fratura é uma medida de resistência à fratura do material onde devemos considerar para o projeto de um determinado componente e a escolha do material, a máxima tensão de trabalho que o material deverá suportar e o máximo
tamanho de trinca admissível, ou ainda, para a avaliação da integridade estrutural de materiais como rodas ferroviárias, o conhecimento do comportamento desses materiais contendo trincas ou outros defeitos internos de pequenas dimensões pode ser compreendido por meio de ensaios de tenacidade à fratura (FERREIRA, 2009; GARCIA, 2012).
Os parâmetros mais destacados para a avaliação da tenacidade à fratura são aqueles que utilizam um corpo de prova que possua uma trinca aguda na raiz do entalhe, que garante, dentro de certos limites, a máxima severidade possível de tensões para o entalhe (BROEK, 1984). Esses ensaios são: tenacidade à fratura em deformação plana (KIC), deslocamento da abertura da ponta da trinca crítico (CTOD) e o parâmetro crítico em termos da integral J (JIC). O ensaio KIC é empregado para materiais frágeis em que a condição de comportamento linear elástico permanece até a ruptura.
Para rodas ferroviárias esse tipo de ensaio é requisito a ser cumprido pelos fabricantes para garantir a qualidade e segurança de seu produto, pois consegue medir a resistência do material na presença de uma trinca gerada pelo contato roda trilho ou do processo de aquecimento durante a frenagem (MINICUCCI, 2011). Segundo Pointner (2008), a tenacidade à fratura, KIC, é usada para prever o crescimento de trincas no contato roda-trilho. Cummings (2010) concluiu que o aumento da tenacidade à fratura reduz a probabilidade de início de trinca nos contornos de grão, reduzindo a escamação (shelling). Exemplo de fratura por fadiga na Figura 19.
Figura 19 – Roda quebrada por trinca de fadiga.
Na norma ASTM E 399 (2007), onde o ensaio de tenacidade à fratura é normatizado, o valor de KIC é determinado para materiais metálicos. O KIC é o valor critico do parâmetro de campo K1(relacionado com a concentração de tensões), sendo o parâmetro básico da mecânica da fratura linear elástica. A norma determina vários formatos de corpo de prova com entalhe, no qual é gerada uma pré-trinca. A mecânica da fratura e o resultado do ensaio de tenacidade à fratura podem ser usados como parâmetros de projeto, similar ao limite de escoamento usado na resistência dos materiais (MINICUCCI, 2004).
Ensaio de tenacidade à fratura - consiste em simular uma pré-trinca com auxilio de uma maquina de fadiga (carregamento cíclico). O carregamento é feito com movimentos alternados forçando a abertura e fechamento do entalhe, através dos dois furos localizados na extremidade do corpo de prova gerando a pré-trinca. Esta deve ter um cumprimento de aproximadamente 1,3 mm, ser perpendicular a superfície do corpo de prova e ter um desvio máximo de +/- 2 graus em relação a direção de propagação conforme Figura 20.
Figura 20 – Corpo de prova com pré-trinca e carga.
Fonte: Autor (2015).
Os corpos de prova para rodas ferroviárias são de forma compacta extraídos do aro da roda. Normalmente são extraídos 3 corpos de prova a 120° de uma mesma roda representando a corrida. O resultado final é a media dos 3 corpos de prova sendo que sempre existe um valor mínimo para ser atingido por cada corpo de prova individualmente.
A segunda parte do ensaio consiste em romper o corpo de prova trincado em uma maquina de tração com deslocamento e carga controlada para o calculo de KIC ou KQ. O rompimento irá gerar uma das três curvas demonstradas na Figura 21.
Figura 21 – Tipos de curva carga – deslocamento.
Fonte: Minicucci (2011).
A determinação do KIC ou KC a partir da curva carga - deslocamento é feita da seguinte forma:
1 – Para a curva carga – deslocamento tipo I, traça-se uma reta AO tangente a curva de carga. Traça-se outra reta 95% da inclinação da reta AO chamada de (P/V)5. Define-se carga PQ como a intersecção da reta (P/V)5 com a curva carga – deslocamento.
2 – Determinação da carga PQ: PQ é igual a P5 para curvas do tipo I. Igual a P máx antes da ocorrência do primeiro “pop in” (dente formado na curva) associado a uma instabilidade da curva carga – deslocamento para curva do tipo I. Igual a P máx para curvas do tipo III.
3 – Calcula-se a razão P máx / PQ, cujo valor não deve ser superior a 1,10: caso contrário o ensaio de KIC não é valido.
4 – Calcula-se o valor de KQ da seguinte forma:
KQ = (PQS/BW3/2) f (a/W) (3.2)
5 – Calcula-se a relação:
2,5 (KQ / LE)2 (3.3)
Se este valor for menor que a espessura do corpo de prova e do comprimento da trinca, KQ é igual a KIC, caso contrario o ensaio não é valido. No caso de rodas ferroviárias, as normas internacionais aceitam como valido o calor de KIC ou de KQ, pois quando o ensaio não é valido, o recurso é aumentar a espessura do corpo de prova, que no caso de rodas nem sempre é possível pela limitação da espessura do aro (vida da roda).
A Tabela 5 apresenta os valores, mínimo individual para cada corpo-de prova e mínimo para a média aritmética de todos os corpos-de-prova ensaiados, recomendados pelas normas AAR (2014) para os ensaios tenacidade à fratura em deformação plana - KIC em rodas ferroviárias.
Tabela 5 – Valores típicos (individual e média) para os ensaios de tenacidade à fratura em deformação plana - KIC de rodas ferroviárias recomendadas pelas normas AAR.
Norma Classe KIC/KQ (Individual) * KIC/KQ (Média) **
AAR A > 58 (MPa.m1/2) > 68 (MPa.m1/2) AAR B > 55 (MPa.m1/2) > 60 (MPa.m1/2) AAR C > 33 (MPa.m1/2) > 40 (MPa.m1/2) AAR D > 38 (MPa.m1/2) > 43 (MPa.m1/2)
Fonte: Adaptado da AAR (2014).
* Valor mínimo para corpo de prova individualmente
** Valor mínimo para a média aritmética de todos os corpos de prova
3.2 FASES ESTRUTURAIS DO AÇO
Para compreender as fases do aço, é muito utilizado o diagrama de fases Ferro-Carbono. O diagrama de fases Ferro-Carbono é obviamente o diagrama mais estudado dentre todas as ligas metálicas presentes na atualidade, fato facilmente
explicado já que os aços carbono, além de serem os materiais metálicos mais utilizados pelo homem, apresentam variadas transformações no estado sólido. O estudo do diagrama de fases permite-nos compreender porque variações do teor de carbono nos aços resultam na obtenção de diferentes propriedades, e dessa maneira, possibilitam a fabricação de aços de acordo com propriedades desejadas.
Campo ferrítico (fase α) – Campo correspondente à solução sólida de carbono no ferro α, nesse campo a estrutura atômica é cúbica de corpo centrado.
Campo austenítico (fase γ) – Campo correspondente à solução sólida de carbono no ferro γ, nesse campo a estrutura atômica é cúbica de face centrada. Essa fase tem solubilidade máxima de carbono de 2,06% à 1147°C.
Cementita (Fe3C) – Microconstituinte composto de ferro e carbono. Esse carboneto apresenta elevada dureza, estrutura atômica ortorrômbica e 6,7% de carbono.
Ponto eutetóide – Ponto correspondente à composição de carbono de 0,8%. Ligas dessa composição, elevadas até o campo austenítico (fase γ) e em seguida resfriadas lentamente, atravessam a reação eutetóide, reação onde a austenita transforma-se em perlita, microestrutura constituída de lamelas de cementita (Fe3C) envoltas em uma matriz ferrítica (fase α). Ponto eutético – Ponto correspondente à composição de carbono de 4,3%. Trata-se do ponto de mais baixa temperatura de fusão ou solidificação, 1147°C. Ligas dessa composição são denominadas ligas eutéticas.
Ferrita primária de contorno de grão: É o primeiro produto a se formar na decomposição da austenita, formando-se a taxas de resfriamento muito lento.
Ferrita poligonal intragranular: Aparece na forma de grãos, normalmente poligonais, e nucleia quase que exclusivamente no interior dos grãos austeníticos. Se a austenita tiver um tamanho de grão muito maior que a ferrita que está sendo formada nos seus contornos e houver sítios para nucleação intragranular, grãos de ferrita podem ser formados no interior da austenita. Quando se forma a temperaturas
elevadas, a ferrita apresenta grãos equiaxiais que são facilmente identificados com o microscópio ótico.
Ferrita acicular: Corresponde ao tipo mais frequente de ferrita nucleada no interior dos grãos austeníticos. Este constituinte pode ser formado a temperaturas tão baixas, quantas aquelas de formação da bainita em aços baixo carbono e baixa liga resfriados continuamente, tendo sido indicadas, como exemplo de faixas de temperatura de formação deste constituinte, temperaturas como 510-440°C e 560-500°C (OHKITA, 1995). Características da formação da ferrita acicular fazem com que esta seja considerada por alguns autores como uma forma de bainita nucleada intragranularmente. A nucleação da ferrita acicular ocorre de forma heterogênea, no interior dos grãos de austenita, em sítios como inclusões (ou próxima a estas), precipitados e outras irregularidades nos grãos austeníticos (COCHRANE, 1982). A sua formação é favorecida pela presença de precipitados e, particularmente, de numerosas inclusões resultantes da presença de oxigênio, em geral, em teores superiores aos do metal base. Esta forma de ferrita possui granulação muito fina e maior densidade de deslocações. Devido ao seu pequeno tamanho de grão e diferença de orientação cristalina entre os grãos, este constituinte é considerado um dos melhores para garantir uma tenacidade elevada (COCHRANE, 1982).
Perlita: é uma fase em forma de lamelas, intermediária entre a ferrita (mole e dúctil) e cementita (dura e frágil). Com o resfriamento, a austenita, que possui uma concentração de carbono intermediária, se transforma em uma fase ferrita, que possui um teor de carbono muito mais baixo, e também em cementita, com uma concentração de carbono muito mais elevada. A temperatura desempenha um papel importante na taxa de transformação da austenita em perlita (CALLISTER JR, 2000).
O refinamento da perlita afeta as propriedades mecânicas do aço através do aumento do limite de escoamento, como mostra a equação 3.2 (KRAUSS, 1989).
Onde LE é o limite de escoamento do aço, dado em MPa; S é o espaçamento interlamelar da perlita, dado em mm-1/2; P é o tamanho da colônia de perlita, dado em mm-1/2, e d é o tamanho de grão da austenita, dado em mm-1/2.
A perlita existe como grãos, frequentemente chamados de "colônias", dentro de cada colônia, as camadas estão orientadas essencialmente na mesma direção, a qual varia de uma colônia para oura. As camadas claras mais grossas representam a fase ferrita, enquanto a fase cementita aparece como lamelas finas. Na Figura 22 mostra a representação esquemática da perlita a partir da austenita, ferrita acicular, ferrita de contorno de grão, ferrita poligonal intraganular e ferrita com 2° fase.
Figura 22 – (a) Fotomicrografia de um aço eutetóide mostrando a microestrutura perlita. (b) e (c) Fotomicrografias com diferentes constituintes microestruturais, sendo: AF - ferrita acicular, PF(G) – ferrita de contorno de grão, PF(I) – ferrita poligonal intraganular, FS(A) e FS(NA) – ferrita com 2° fase.
Fonte: (a) CALLISTER JR (2000); (b) e (c) (IIW, 1988).
Os átomos de carbono se difundem para longe das regiões da ferrita, com 0,022%p, e em direção às camadas de cementita, com 6,7% C, à medida que a perlita se estende do contorno do grão para o interior do grão de austenita não reagido. Na Figura 23 mostra a representação esquemática da formação da perlita a partir da austenita.
20 µm 20 µm
20 µm
Figura 23 – Representação esquemática da formação da perlita a partir da austenita.
Fonte: Callister JR (2000).
Martensita: Constituinte formado como produto final de transformação da austenita sob condições de alta taxa de resfriamento e elevado teor de C. É uma solução sólida supersaturada de carbono (não se forma por difusão) tem forma acicular de agulhas, é dura, frágil, com estrutura tetragonal cúbica. (CALLISTER JR, 2000).
Durante o tratamento de têmpera, o aço tem sua dureza elevada devido à não ocorrência do fenômeno de difusão, ou seja, o carbono fica retido na martensita, o que aumenta a dureza do material. Com o revenimento é possível corrigir as durezas, pois neste tratamento térmico ocorre a difusão, ou seja, o carbono é difundido para o material, não ficando retido apenas na martensita, o que permite que a dureza diminua. (CALLISTER JR, 2000)
O revenido é um tratamento posterior à têmpera, que consiste em elevar a temperatura até certo nível e manter por algum tempo, conforme restante da curva verde da Figura 24. A linha indicativa do processo no diagrama TTT na Figura 24 dá uma ideia das etapas de martensita e revenido. Na Em razão das posições das linhas de início e de fim da transformação (Mi e Mf no diagrama), há necessidade de um rápido resfriamento para que ela ocorra. Na prática, isso é obtido através da imersão da peça em um meio adequado (água ou óleo, por exemplo). Em alguns casos, jatos de ar são suficientes para a operação.
