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Title: Efeito da soldagem elétrica por centelhamento na microestrutura, propriedades mecânicas e resistência à fadiga de um aço para trilhos ferroviários – análise experimental e numérica.
Authors: Porcaro, Rodrigo Rangel
metadata.dc.contributor.advisor: Godefroid, Leonardo Barbosa
Cândido, Luiz Cláudio
Faria, Geraldo Lúcio de
Keywords: Metalurgia e soldagem
Trilhos ferroviários
Soldagem por centelho elétrico
Fadiga
Elementos finitos
Issue Date: 2019
metadata.dc.contributor.referee: Godefroid, Leonardo Barbosa
Goldenstein, Hélio
Modenesi, Paulo José
Faria, Geraldo Lúcio de
Citation: PORCARO, Rodrigo Rangel. Efeito da soldagem elétrica por centelhamento na microestrutura, propriedades mecânicas e resistência à fadiga de um aço para trilhos ferroviários – análise experimental e numérica. 2019. 195 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Materiais) – Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2018.
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.
metadata.dc.description.abstracten: The growth in demand for rail transport implies higher speed of compositions, higher number of wagons and higher flow over the rails. Flash Butt Welding is the main process used to build railroads because it allows better control on the welding parameters and, therefore better welding quality. But, welded joints represent a discontinuity on microstructure and in mechanical properties of the railroad besides the introduction of high residual tensile stresses that have been associated with premature fatigue failures. The structural changes resulting from the Flash Butt Welding (FBW) of pearlitic rails have been associated with wear/premature failures due to local hardness variation, despite this, there are no studies applying dilatometry to correlate the welding thermal cycles with the microstructural development of such material. There is a knowledge lack on the mechanisms that control the microstructure development and it has hindered the setting of FBW process parameters in order to improve weld performance. In addition, two variables have been described as key to fatigue failures in the web; residual tensile stresses and stress concentrators due to poor surface finish, however, there are no works that quantify or compare its effects on the fatigue life of the component. In this context, detailed structural and mechanical characterizations of flash butt welded rails were performed, along with dilatometry tests in order to describe the structural evolution of the HAZ regions and correlate them with the properties. Surface residual stress measurements were obtained and fatigue tests were conducted considering the effects of structural changes and stress concentration, the obtained data fed numerical models by the finite element method to quantify the effects of these variables in a comparative way on the fatigue life of the real component. The results allow understanding, in detail, how the pearlite morphology is affected in terms of phase transformations by the weld thermal cycles of the FBW process and its relation with the properties and some failure modes. In addition, the dilatometric results presented have the potential to provide systematic guidance for turning FBW parameters and/or applying controlled accelerated cooling to achieve improved metallurgical features. The results of mechanical tests, fatigue and numerical simulations show that there is great potential for improvement in the mechanical behavior of the component by the adoption of low-cost measures, for example, grinding of the entire welded profile, with relative quantification of the variables effects on the fatigue life. The fatigue life of the welded component is mainly affected by the high level of vertical normal residual stresses at the web of the joint, as obtained by FEM.
Description: Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais. Departamento de Engenharia Metalúrgica, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto.
URI: http://www.repositorio.ufop.br/handle/123456789/11193
metadata.dc.rights.license: Autorização concedida ao Repositório Institucional da UFOP pelo(a) autor(a) em 02/05/2019 com as seguintes condições: disponível sob Licença Creative Commons 4.0 que permite copiar, distribuir e transmitir o trabalho desde que sejam citados o autor e o licenciante. Não permite o uso para fins comerciais..
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