Efeito da soldagem elétrica por centelhamento na microestrutura, propriedades mecânicas e resistência à fadiga de um aço para trilhos ferroviários – análise experimental e numérica.

Abstract

As ferrovias são submetidas a condições operacionais que exigem cada vez mais dos materiais, uma vez que o volume de cargas, a velocidade das composições e o fluxo sobre os trilhos têm crescido para atender ao aumento de demanda por transportes. Para a construção das vias, se destaca o processo de soldagem elétrica por centelhamento (Flash Butt Welding - FBW), devido à maior facilidade para controle e obtenção de juntas com qualidade aceitável. No entanto, as alterações estruturais e mecânicas decorrentes dos ciclos térmicos do processo e a introdução de tensões residuais têm sido associadas a falhas prematuras por fadiga em juntas soldadas de trilhos de aços perlíticos. Apesar do problema de redução localizada de dureza ser bem conhecido na literatura, não há trabalhos que aplicam dilatometria para descrever a formação da Zona Termicamente Afetada (ZTA), tendo essa notável lacuna de conhecimento dificultado a evolução do processo FBW. Além disso, dois fatores têm sido descritos como chave para falhas por fadiga na região da alma: tensões residuais e a presença de concentradores de tensão devido ao mau acabamento superficial, não havendo trabalhos que quantifiquem ou comparem os efeitos na vida em fadiga do componente. Neste contexto, detalhada caracterização mecânica e estrutural foi realizada em aço para trilhos ferroviários soldado por centelhamento, juntamente com ensaios de dilatometria para descrever a evolução microestrutural de toda a ZTA e suas correlações com as propriedades. Medidas de tensões residuais superficiais foram obtidas e ensaios de fadiga foram realizados considerando os efeitos das alterações estruturais e de concentração de tensão, dados que alimentaram modelos numéricos pelo Método dos Elementos Finitos (MEF) para quantificar os efeitos destas variáveis de modo comparativo na vida em fadiga do componente real. Os resultados apresentados permitem compreender os mecanismos das alterações morfológicas da perlita em toda a ZTA em termos de transformações de fases e podem ser utilizados para sistematicamente orientar mudanças nos parâmetros do processo ou controlar a taxa de resfriamento de modo a obter melhores condições metalúrgicas/mecânicas. Os resultados de ensaios mecânicos, fadiga e simulações numéricas mostram que há grande potencial de melhoria no comportamento do componente a partir da adoção de medidas de baixo custo relativo, por exemplo, esmerilhamento de todo o perfil soldado, com quantificação relativa dos efeitos das variáveis sobre a vida do componente por fadiga. Os resultados de fadiga obtidos por simulação mostram ainda que o elevado nível de tensões residuais normais no sentido vertical na alma é o fator mais crítico do ponto de vista da vida do componente soldado.