Análise de falha de eixo ferroviário de aço
SAE-1050 forjado a quente
Adriana Silva de Pascoli
Orientador: Viliam Sinka
TCC - 2009
FEAU - FACULDADE DE ENGENHARIAS, ARQUITETURA E URBANISMO
Avenida Shishima Hifumi, 2911 - Bairro Urbanova -CEP 12244-000-Tel: (12) 39471004 - São José dos Campos-SP
Análise de falha de eixo ferroviário de aço SAE-1050 forjado a quente
Adriana Silva de Pascoli
Viliam Sinka
Resumo: Este trabalho teve por objetivo análise de falha de um eixo ferroviário (aço SAE-1050)
por meio da caracterização de uma trinca interna identificada através de inspeção por ultrassom,
após os processos de forjamento e tratamentos térmicos. Com o auxílio da inspeção por líquido
penetrante e da microscopia eletrônica de varredura (MEV), foram avaliados os possíveis fatores
que levaram à formação desta trinca, a partir da caracterização da superfície da fratura. A
identificação destes fatores é de fundamental importância para melhorias na obtenção da matériaprima e dos processos de fabricação, evitando assim, perdas de produtos ao longo da fabricação e,
principalmente, eventuais acidentes catastróficos, caso esta trinca não seja identificada nos ensaios
não destrutivos, sendo levada até a aplicação do produto final. Os resultados indicam uma fratura
intergranular na região da borda da trinca que, provavelmente, foi originada a partir de vazios
provenientes do processo de fabricação do aço.
Palavras-chave: análise de falhas, eixos ferroviários, trincas internas, fratura intergranular.
Abstract: The aim of this study was to characterize a internal crack occurred in a railway axle
(steel SAE-1050) and identified through ultrasound inspection, after forging process and heat
treatments. Liquid penetrant inspection and scanning electron microscopy (SEM) evaluated the
possible factors that led to the formation of this crack, through main regions charactrization. The
identification of these factors is significantly relevant for the improvements of raw material
obtainment and also for the manufacturing processes thus avoiding losses of products along the
manufacturing. On top of that, eventual catastrophic accidents can also be prevented since cracks
that would not be eventualy identified by means of non-destructive tests would not be carried to the
final product. The results indicate an intergranular fracture that was probably generated from
voids originated from the steel manufacturing process.
Key words: failure analysis, railway axle, internal cracks, intergranular fracture.
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1.
INTRODUÇÃO
A primeira ferrovia do Brasil foi inaugurada no início de 1854, pelo então Imperador Dom
Pedro II, e ligava a Baía de Guanabara à Serra da Estrela, no Rio de Janeiro. Com a expansão do
setor cafeeiro nas décadas seguintes, houve uma aceleração significativa deste transporte no país,
culminando com a criação da Rede Ferroviária Federal em 1957. Entretanto, diferentemente de
países europeus e da América do norte, cuja malha ferroviária estende-se por todo o território, no
Brasil concentra-se em três estados: São Paulo, Minas Gerais e Rio Grande do Sul, com
predominância no transporte de cargas (JUNIOR, 2007; PORTO, 2004).
De maneira geral, o setor ferroviário apresenta elevada eficiência energética, quando comparado
com os outros meios de transportes terrestres, viabiliza a movimentação de grandes volumes de
cargas a altas velocidades e a grandes distâncias, embora apresente um elevado custo de
implantação e manutenção (ANTT, 2009).
Assim como projetos de engenharia civil, aeronáutica e automobilística, os projetos de itens
ferroviários, como eixos, rodas e trilhos, devem assegurar como fator de segurança a não ocorrência
de fraturas frágeis, que podem levar a falhas catastróficas.
Dentre todos os itens ferroviários, os eixos são considerados os mais importantes para a
segurança do projeto, uma vez que sua ruptura certamente causará um descarrilamento
(OLIVEIRA, 2008).
A análise de falha permite a identificação das causas que ocasionaram o problema. As
características da superfície da fratura podem indicar o sistema de tensões que produziu a fratura
(PIMENTA, 2009; BARBOSA, 2006).
Algumas falhas de componentes podem ocorrer mesmo com a aplicação de tensões inferiores à
tensão de projeto, impulsionadas por concentradores de tensões (defeitos) que restringem a
deformação plástica. Estes defeitos podem (e devem) ser detectados e avaliados em ensaios não
destrutivos, rigorosamente aplicados às peças estruturais (STROHAECKER, 2009).
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2.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
EIXOS FERROVIÁRIOS
Os eixos ferroviários são geralmente fabricados com aço SAE-1050, devido às suas boas
características mecânicas. Entretanto, recentemente, o uso do aço SAE-4130 tem sido muito
aplicado, devido às suas melhores propriedades (OLIVEIRA, 2008).
A Tabela 1 apresenta a composição química deste material.
Tabela 1 - Composição química em porcentagem de peso dos principais elementos do aço SAE1050.
Elemento
%
C
Mn
Si
S
P
Ni
Cr
Mo
V
0,505 0,781 0,212 0,0115 0,0215 0,016 0,057 0,015 0,0017
Podem ser obtidos através da associação de dois tipos de conformação mecânica: fundição e
forjamento ou laminação e forjamento, sendo esta segunda combinação a mais utilizada, por
apresentar microestrutura mais homogênea.
PROCESSO DE FORJAMENTO
O processo de forjamento pode ser realizado a diferentes temperaturas. O forjamento a quente é
realizado a uma temperatura superior à temperatura de recristalização do metal, o que diminui a
força necessária para o forjamento e reduz o surgimento de trincas durante o processo. Entretanto,
ocorre a oxidação da superfície do material, gerando perdas do mesmo. Além disso, o produto final
possui baixa qualidade de acabamento superficial e baixa precisão dimensional (LIMA, 2007).
Já o processo de forjamento a frio possui aplicação limitada, uma vez que necessita de altas
forças de forjamento, o que muitas vezes impede o uso deste tipo de processo para alguns materiais
(LIMA, 2007).
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De uma maneira geral, as propriedades mecânicas das peças forjadas podem ser melhoradas
com a aplicação de tratamentos térmicos antes ou após a operação de conformação:
pré-aquecimento – previne fraturas e distorções do material durante o forjamento.
recozimento – antecede o forjamento, tornando o material mais dúctil e maleável e
reduzindo tensões internas (aquecimento até a temperatura acima da zona crítica e
resfriamento lento dentro do forno).
normalização – semelhante ao recozimento, entretanto, o material é resfriado ao ar, o que
permite o refinamento dos grãos.
endurecimento – aquecimento até a zona austenítica do aço e posterior resfriamento brusco
(em banho de água ou óleo). Em seguida, realiza-se o revenimento, que diminui a dureza do
material, tornando o mais tenaz.
Principais defeitos do forjamento
Assim como outros processos de conformação, o forjamento também ocasiona alguns defeitos
característicos ao material final, como:
trincas superficiais – podem ser causadas por excesso de forças compressivas nas regiões
mais externas da peça, em temperaturas relativamente baixas.
trincas internas – podem ser causadas por tensões internas originárias durante os processos
de conformação.
trincas nas rebarbas – podem surgir devido à presença de impurezas ou pequenas rebarbas.
falta de redução – preenchimento incompleto da matriz pelo material, alterando a
geometria final da peça.
gotas frias – descontinuidades (rugas) na superfície da peça. Podem ser causadas devido à
baixa temperatura de forjamento ou da baixa temperatura de trabalho da matriz.
incrustações não-metálicas – causadas pela camada de óxidos que se forma durante o
aquecimento da peça.
descarbonetação – perda de carbono na superfície do aço, que pode ocorrer durante o
aquecimento do material.
queima – gases oxidantes penetram nos limites dos contornos de grãos, formando películas
de óxidos e acontece devido ao aquecimento muito próximo ao ponto de fusão do material.
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Além dos defeitos típicos do processo de forjamento, devem ser considerados os defeitos
provenientes do processo de laminação. Tais defeitos também podem se tornar concentradores de
tensões e serem a origem de falhas frágeis. Abaixo seguem alguns dos principais defeitos
provenientes do processo de laminação, durante a fabricação do lingote:
vazios – regiões onde há ausência do produto laminado, devido a rechupes ou gases retidos
no metal durante sua solidificação.
gotas frias – respingos do metal que se solidificam na parede das lingoteiras, durante o
vazamento do metal líquido. Podem se aderir ao bloco laminado, formando defeitos na
superfície do mesmo.
trincas – rachaduras que aparecem nas peças laminadas devido a temperaturas inadequadas
de laminação.
dobras – provenientes de reduções excessivas de espessura.
segregações – acontecem pela concentração de alguns elementos nas regiões mais quentes
do lingote, que posteriormente se solidificam.
inclusões – podem ser formadas por partículas resultantes da combinação de elementos
presentes na composição química do lingote ou do desgaste de refratários.
ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS
Como mencionado anteriormente, a presença de defeitos provenientes do processo de
conformação (laminação e/ou forjamento) pode provocar fraturas frágeis, levando os eixos
ferroviários a falhas catastróficas. Assim, os processos de fabricação devem garantir a ausência de
defeitos considerados significativos para a aplicação final da peça (CASTELO, 2007).
A fim de evitar que peças com defeitos sejam utilizadas, as empresas de eixos ferroviários
dispõem de técnicas de ensaios não-destrutivos como inspeção por líquido penetrante, por
ultrassom, por partículas magnéticas e por radiografia.
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INSPEÇÃO POR LÍQUIDO PENETRANTE
Ensaio não destrutivo utilizado para detectar descontinuidades essencialmente superficiais, com
aberturas na superfície do material. Muito utilizado em materiais não magnéticos como ligas de
alumínio, ligas de titânio e em cerâmicas vitrificadas, vidros e plásticos. Este método pode revelar
descontinuidades extremamente finas, da ordem de 0,001 mm de abertura (NETO, 2007).
O método pode ser descrito em seis etapas principais:
1. Preparação e limpeza da superfície;
2. Aplicação do líquido penetrante;
3. Remoção do excesso de líquido penetrante;
4. Revelação;
5. Inspeção.
Uma das principais vantagens deste tipo de inspeção é a simplicidade de aplicação e de
interpretação dos resultados. Entretanto, uma perfeita limpeza da superfície antes da aplicação dos
produtos é fundamental para o sucesso do ensaio. Além disso, os tempos de penetração e de
revelação devem ser respeitados, para que o líquido tenha tempo suficiente de percorrer toda a
superfície do material (NETO, 2007).
INSPEÇÃO POR ULTRASSOM
Este método pode detectar defeitos ou descontinuidades internas presentes tanto em materiais
metálicos e não metálicos por meio da introdução de um feixe sônico. O feixe que percorre o
material é refletido pelas interfaces e detectado, determinando assim a presença e a localização de
descontinuidades internas e superficiais, além da medição de espessuras e determinação de algumas
propriedades físicas e mecânicas do material inspecionado (NETO, 2007; SANTOS, 2007,
FONSECA, 2005).
Uma das principais vantagens deste método é a alta sensibilidade para detectar pequenas
descontinuidades internas, como trincas e fissuras, geralmente provenientes dos processos de
fabricação. Além disso, seus resultados são de fácil interpretação. Entretanto, requer grande
conhecimento técnico e experiência por parte do inspetor (SANTOS, 2007; FONSECA, 2005).
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ANÁLISE DE FALHA
De acordo com a literatura, diversas pesquisas sobre eixos ferroviários tratam do conceito de
“vida segura”, ou seja, intervalos seguros de inspeção nas peças, de maneira a garantir que um
defeito não atinja um tamanho crítico que possa levar o componente à ruptura, antes que seja
detectado por inspeções de rotina (OLIVEIRA, 2008).
Uma vez que os eixos ferroviários são expostos a tensões consideradas relativamente baixas (da
ordem de 100 MPa), a fadiga é quase sempre a causa de falhas destes componentes, devido à
presença de defeitos no material (OLIVEIRA, 2008).
Nesse sentido, é de fundamental importância que os eixos ferroviários estejam livres de defeitos
internos, provenientes tanto do seu processamento quanto de sua aplicação. Evitando assim, falhas
catastróficas.
3.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
METODOLOGIA
O trabalho seguiu a metodologia usual de análise de falhas.
A amostra estudada partiu de um eixo ferroviário SAE-1050, cuja trinca interna foi identificada
através da inspeção por ultrassom, realizada após o processo de forjamento e de tratamentos
térmicos. Em seguida, foram realizados os processos de lixamento (lixas com seqüência de
granulometria 400, 600 e 1200) e polimento (suspensão de alumina) e a inspeção por líquido
penetrante, com o objetivo de verificar a existência de microtrincas ao redor da trinca principal.
Após este ensaio, a amostra foi cortada com disco diamantado (e óleo refrigerante) na região da
trinca e, em seguida, realizou-se a limpeza por ultrassom e as análises de Microscopia Eletrônica de
Varredura associada à Espectroscopia de Energia Dispersiva - MEV/EDS (ZEISS modelo EVO 40).
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4.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Após a identificação da trinca interna, através do ensaio de ultrassom, realizou-se o ensaio de
inspeção por líquido penetrante, com o qual foi possível verificar a ausência de microtrincas ao
redor da trinca principal, conforme mostra a Figura 1.
Fig. 1 - Macrografia da região da trinca, após inspeção por líquido penetrante.
A Figura 2 apresenta uma imagem macroscópica da amostra já cortada.
Fig. 2 - Macrografia da região da trinca.
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A análise por MEV permitiu observar a trinca com maiores detalhes, conforme mostra a Fig. 3.
(a)
(b)
Fig. 3 - Micrografias da região da trinca. (a) regiões de fratura frágil e dúctil e (b) região de fratura
frágil em maior aumento.
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A Figura 3-a evidencia a caracterização de fratura intergranular na região próxima à borda,
enquanto que a região central possui características de fratura com deformação dúctil. Na Figura 3b pode ser observada, em maior aumento, a região de fratura frágil da amostra. A fratura
intergranular caracteriza-se pela baixa energia, na qual a trinca percorre os contornos de grão do
material.
Além disso, as análises de EDS não evidenciaram a presença de inclusões não-metálicas na
região da trinca. Assim, pode-se concluir que a trinca provavelmente foi ocasionada a partir de
vazios procedentes do processo de fabricação do aço. No posterior processo de forjamento, a
aplicação de pressão para conformar o eixo ferroviário, provavelmente provocou o crescimento
desta trinca.
5. CONCLUSÕES
Os resultados obtidos permitiram a caracterização da trinca, indicando uma fratura intergranular
provavelmente originada a partir de vazios provenientes do processo de fabricação do aço. Durante
a etapa de forjamento houve um crescimento da trinca, provocado pela pressão exercida sobre o
eixo.
A caracterização desta trinca permitiu identificar sua origem, evidenciando problemas durante a
fabricação do aço. Assim, a empresa que realiza o processo de forjamento poderá exigir, a partir de
agora, maiores garantias da matéria-prima, evitando assim, perdas de produto durante o processo de
conformação e, principalmente, acidentes catastróficos, caso a peça defeituosa não seja identificada
durante os ensaios não destrutivos, levando a trinca para o produto final.
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6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Disponível em: http://www.antt.gov.br/carga/ferroviario/ferroviario.asp. Acesso em: 12 out. 2009.
BARBOSA, C., et al. Análise de falha de anel de desgaste de aço inoxidável martensítico. In:
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LIMA D. R. S. Desenvolvimento de tecnologia de forjamento de aço AISI 8640 destinado à
produção de brocas de perfuração. Tese (Mestrado) – Engenharia de Minas, Metalúrgica e de
Materiais, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2007.
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[apostila].
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