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CENTRO UNIVERSITÁRIO ANHANGUERA DE NITERÓI
Trabalho de Conclusão de Curso – TCC / 2019-2
ENGENHARIA MECÂNICA
INTRODUÇÃO
OBJETIVOS
Laerte Corrêa dos Santos
RA ALUNO ORIENTADOR
TÍTULO DA PESQUISA
O meio de transporte de massa e de carga mais eficiente é o transporte ferroviário e metroferroviário. Este modal de
transporte de massas e de cargas gera ciclos repetitivos de operação e estes ciclos geram outros ciclos de tensão,
que por sua vez, contribuem para a fadiga de um material. Toda a via extensa de uma ferrovia é ligada por uma
técnica de soldagem chamada Solda Aluminotérmica, que consiste em uma forma no formato do trilho que tem a
injeção do material de solda dentro desta e o alto aquecimento do material, que gera a fusão dos materiais e a junção
dos trilhos. Como todo processo de soldagem, esta técnica de união dos trilhos gera uma zona frágil chamada ZTA
(zona termicamente afetada), e é o local mais propenso a dar início a propagação de trincas de fadiga.
A fadiga ocorre pelo ciclo repetido de tensões e deformações aplicadas sobre um material, que são sujeitos a uma
ruptura progressiva (trincas) quando a fadiga é iniciada. Este tipo de falha no material sempre ocorre durante a
operação dos serviços, por isto a importância da inspeção contínua por ultrassom. O ultrassom é uma técnica de
inspeção de controle de qualidade que é utilizada para detectar defeitos internos em materiais que não são visíveis a
olho nu. Na manutenção de ferrovias, esta técnica é amplamente utilizada para inspeção dos trilhos para a detecção
de trincas de fadiga para evitar a fratura total do trilho e garantir a segurança do transporte. É possível mapear as
trincas de fadiga de acordo com sua largura, comprimento, grau de abertura, inclinação e grau de propagação. Com
isso, é possível monitorá-las de acordo com sua criticidade, a fim de ser determinado por engenheiros das empresas
de ferrovia o momento certo da troca dos trilhos, a fim de reduzir custos desnecessários com a troca de trilhos bons
para uso.
A metodologia utilizada nesta revisão de literatura foi a pesquisa do dia a dia da manutenção das ferrovias durante
inspeções por ultrassom para entender os tipos de trincas de fadiga, pois o problema lançado sobre o tema nesta
pesquisa foi recorrente à propagação de trincas de fadiga nos trilhos de rolamento, e, se em uma inspeção por
ultrassom em um trilho ferroviário durante a manutenção da via, é possível a continuação da utilização do trilho após
ter sido detectada a trinca.
Istoposto, o desfecho geral que norteou os estudos realizados foi avaliar o mapeamento de trincas de fadiga em
trilhos ferroviários por meio de ensaios não destrutivos pela técnica de inspeção por ultrassom, verificando a
influência dos defeitos na qualidade e durabilidade dos trilhos, que foram detalhados de acordo com os objetivos
específicos a saber: Estudar a criticidade de trincas de fadiga em soldas aluminotérmicas, mapeando-as por inspeção
ultrassônica; Avaliar a qualidade e durabilidade de trilhos ferroviários com trincas de fadigas mapeadas por ultrassom
assegurando a segurança de passageiros evitando descarrilamentos por quebra de trilhos, e; Pesquisar um tempo de
vida útil de trilhos e juntas soldadas visando o capital empregado nas manutenções de via permanente, evitando
desperdício de mão de obra qualificada e troca de trilhos em conformidade para uso.
O desfecho geral que norteou os estudos realizados foi avaliar o mapeamento de trincas de fadiga em trilhos
ferroviários por meio de ensaios não destrutivos pela técnica de inspeção por ultrassom, verificando a influência dos
defeitos na qualidade e durabilidade dos trilhos, que foram detalhados de acordo com os objetivos específicos a
saber:
• Estudar a criticidade de trincas de fadiga em soldas aluminotérmicas, mapeando-as por inspeção ultrassônica;
• Avaliar a qualidade e durabilidade de trilhos ferroviários com trincas de fadigas mapeadas por ultrassom
assegurando a segurança de passageiros evitando descarrilamentos por quebra de trilhos;
• Pesquisar um tempo de vida útil de trilhos e juntas soldadas visando o capital empregado nas manutenções de via
permanente, evitando desperdício de mão de obra qualificada e troca de trilhos em conformidade para uso.
De acordo com a Engeteles (2017), ensaios não destrutivos (END) são ensaios realizados em um equipamento ou
material para detectar falhas, de forma que não altere permanentemente suas propriedades físicas, químicas,
mecânicas e dimensionais. Mais utilizados em controle de qualidade de materiais, o ensaio não destrutivo é utilizado
a fim de detectar descontinuidades superficiais, subsuperficiais e internas, a fim de reduzir custos com manutenções
excessivas, garantir segurança operacional e aumentar continuamente a confiabilidade nos processos de
manutenção.
Os ensaios não destrutivos podem ser divididos em: Ensaio Visual e Dimensional, utilizados para detectar
descontinuidades superficiais visíveis a olho nu; Líquidos Penetrantes (LP), utilizado para detectar descontinuidades
superficiais que não são visíveis a olho nu; Partículas Magnéticas, utilizado para detecção de descontinuidades
superficiais e subsuperficiais; Ultrassom, utilizado para detectar descontinuidades internas. Além dos processos já
citados, existem outros processos de END que são mais caros de executar e muito específicos, e por esses fatores
são muito menos utilizados, tais como: Radiografia, Correntes Parasitas, Análises de Vibrações, Termografia,
Emissão Acústica, Ferritoscopia, Estanqueidade e análise de deformações. Como pode ser observado, os ensaios
não destrutivos possuem inúmeras vertentes, porém, esta pesquisa foi direcionada para os estudos dos defeitos a
serem detectados são descontinuidades internas, portanto, este assunto será focado na técnica de inspeção por
ultrassom.
Os trilhos são elementos da via permanente, fabricados em aço com comprimentos de 12 a 36m, sobre os quais
trafegam e são guiadas as rodas dos trens – locomotivas, carros e vagões. Os trilhos são assentados sobre os
dormentes e transferem para estes às solicitações do material rodante da via. Possuem ainda a função de
sustentação e condução dos trens, apresentando características estruturais de uma viga extensa e contínua.
Atualmente, o perfil mais utilizado é o do tipo vignole, cuja geometria proporciona maior resistência à flexão, pois há
maior concentração de massa em regiões onde as solicitações são maiores, o que permite também a economia de
material.
De acordo com Rosa (2008), o perfil do trilho vignole possui três regiões distintas: boleto, patim e alma. O boleto,
corresponde à parte superior do trilho, sendo sujeito ao atrito e desgaste, deve ter quantidade considerável de massa
concentrada a fim de se minimizar os efeitos de contato roda-trilho. O patim é a região inferior ao trilho, sendo
responsável pela estabilidade do componente e transferência dos esforços para os dormentes. A alma é a parte mais
fina do trilho localizada entre o boleto e o patim. A altura e espessura da alma influenciam o momento de inércia,
resistência e rigidez transversal da seção. Dentre as funções do trilho, a sua principal é resistir às tensões de
compressão e de atrito gerados pelo contato roda-trilho para a movimentação da locomotiva do material rodante.
Estes dois tipos de tensões que são dissipadas nos trilhos são as que geram as trincas de fadiga.
Em toda a extensão da ferrovia, os trilhos precisam ser unidos por meio de soldagem, cuja técnica é denominada
soldagem aluminotérmica. A solda aluminotérmica consiste em um grupo de processos que utiliza o calor liberado por
uma reação exotérmica. As duas extremidades dos trilhos a serem soldados são colocados dentro de um molde com
o perfil do trilho e então é utilizado um cadinho que se interliga com o molde onde é colocado um óxido metálico,
conhecido como porção de solda. A porção de solda é incendiada por um fusível de magnésio e a redução do óxido
provocacalor suficiente para a fusão do metal. O metal fundido passa para a cavidade do molde onde se une com os
metais de base efetuando a soldagem dos trilhos.
Fonte: SKYTTEBOL (2005)
Através de aparelhos especiais, detectamos as reflexões provenientes do interior da peça examinada, localizando e
interpretando as descontinuidades. No exemplo abaixo, figura 5, o feixe sônico do transdutor, incidiu na falha
ocorrendo uma reflexão captada pelo mesmo transdutor, enviando o sinal ao aparelho, mostrado na tela em forma de
um pulso ou eco. Sons extremamente graves ou agudos, podem passar desapercebidos pelo aparelho auditivo
humano, não por deficiência deste, mas por caracterizarem vibrações com frequências muito baixas , até 20hz
(infrassom) ou com frequências muito altas acima de 20 khz (ultrassom), ambas inaudíveis.
Para a realização da inspeção, são necessários os transdutores, ou cabeçotes, que podem ser classificados em:
normais, duplo cristal ou angulares. Segundo Andreucci (2014), os transdutores normais são construídos a partir de
um cristal piezelétrico colado num bloco rígido denominado de amortecedor e sua parte livre protegida ou uma
membrana de borracha ou uma resina especial. O bloco amortecedor tem função de servir de apoio para o cristal e
absorver as ondas emitidas pela face colada a ele. O transdutor emite um impulso ultrassônico que atravessa o
material a inspecionar e reflete nas interfaces, originando o que chamamos ecos. Estes ecos retornam ao transdutor
e gera, no mesmo, o sinal elétrico correspondente.
A rigor, diferem de os transdutores retos ou normais pelo fato do cristal formar um determinado ângulo com a
superfície do material. O ângulo é obtido, inserindo uma cunha de plástico entre o cristal piezelétrico e a superfície. A
cunha pode ser fixa, sendo então englobada pela carcaça ou intercambiável. Neste último caso temos um transdutor
normal que é preso com parafusos que fixam a cunha à carcaça. Como na prática operamos normalmente com
diversos ângulos (35, 45, 60, 70 e 80 graus) esta solução é mais econômica já que um único transdutor com várias
cunhas é de custo inferior, porem necessitam de maiores cuidados no manuseio.
De acordo com Andreucci (2014), O cristal piezelétrico recebe um pulso de retorno num espaço de tempo curto após
a emissão, não tendo suas vibrações sido amortecidas suficientemente.
Neste caso, somente um transdutor que separa a emissão da recepção pode ajudar. Para tanto, desenvolveu-se o
transdutor de duplo-cristal, no qual dois cristais são incorporados na mesma carcaça, separados por um material
acústico isolante e levemente inclinados em relação à superfície de contato. Cada um deles funciona somente
como emissor ou somente como receptor, sendo indiferente qual deles exerce qual função. São conectados ao
aparelho de ultrassom por um cabo duplo; o aparelho deve ser ajustado para trabalhar agora com 2 cristais.
De acordo com Oliveira (2018) uma trinca de fadiga em um trilho é caracterizada por possuir um ponto de
nucleação interna ao trilho e ter sua propagação a partir deste ponto, se alastrando internamente ou até a
superfície do trilho e chegar a um tamanho finito, levando ou não à divisão do corpo inicial em 2 corpos se
caracterizando em uma trinca abrupta (ruptura completa).
A Trinca Vertical no Boleto (VSH – Vertical Split Head) é uma trinca vertical que se propaga longitudinalmente ao
centro do boleto progressivamente, podendo atingir mais que 2 metros ao longo do comprimento do trilho.
A Trinca de Patinação de Roda (EBF - Engine Burn Fracture) é uma trinca transversal, gerada pelo desgaste
interno na área de patinação das rodas, que se propaga em direção à alma do trilho de e no sentido da superfície
do boleto.
A Trinca no filete (HWJ - Head & Web Separation Joint),é uma trinca na junta boleto/alma que se propaga
horizontalmente podendo atingir até 25 cm de extensão. Sua característica se dá em função do seu direcionamento
para baixo em direção ao patim.
A Fissura na Alma da Junta/Fora da Junta (SWJ/SWO - Split Web Inside/Outside Joint), é trinca horizontal que se
propaga no meio da alma, direcionando-se posteriormente para cima, em direção do boleto numa extremidade e
para o patim na outra extremidade.
A Trinca Transversal (TDT - Transverse Fissure), é uma trinca que se propaga somente na seção transversal do
trilho. Inicia-se a partir descontinuidade interna no boleto ou no patim, propagando-se de forma circular e exibindo
anéis de crescimento até atingir a superfície do boleto ou da alma.
A Trinca de fragmentação (TDD – Detail Fracture), é uma trinca iniciada internamente à linha de bitola do trilho
externo com 10mm de comprimento. Sua propagação é em ângulo reto com a superfície de rolamento, ocorre na
linha de bitola e não deve ser confundida com a trinca transversal, que é nucleada, e nem com trinca composta,
que se propaga em dois planos separados.
A Trinca no Furo de Fixação da Tala (BHJ/BHO – Bolt Hole Crack Inside / Outside Joint) são trincas que se
originam nos furos da fixação das talas e se propagam no sentido longitudinal em direção aos furos seguintes ou
mudam de direção para o patim ou boleto, vide figura 16. Esta trinca específica é uma das mais perigosas, pois seu
desenvolvimento de propagação é errática e pode provocar sérios descarrilamentos.
A Trinca Vertical na Alma (PRJ/PRO – Piped Rail Joint /Outside) é uma trinca originária de uma cavidade vertical na
alma. Com o excesso de cargas pesadas no contato roda x trilho, o boleto sofre achatamentos em consequência
da separação vertical da alma, podendo partir o trilho em várias partes.
A Trinca Composta (TDC – Compound Fissure) é uma trinca que se inicia como um Trinca Horizontal no Boleto
(HSH), que muda de direção indo para cima ou para baixo, ou em ambas as direções. Esta característica de
propagação forma um defeito em ângulo reto com a superfície de rolamento. Sua propagação é lenta até atingir
35% da área do boleto no sentido transversal e depois disso se propaga abruptamente.
A falha por fadiga sempre é preocupante, pois ela inicia a sua propagação de trincas sem que possamos perceber
à olho nu, mesmo havendo aprovação da qualidade do trilho em uma inspeção visual, por exemplo. Segundo
Limberger (2000), grande parte dos componentes estruturais da engenharia estão submetidos à ciclos repetidos de
tensões, variáveis com o tempo, que são capazes de provocar alterações estruturais localizadas, permanente e
progressiva ao material, mesmo que estas tensões estejam dentro do regime elástico. A este fenômeno de
degradação mecânica a que os materiais são submetidos em serviço chama-se de fadiga. As trincas de fadiga
podem ter vários tipos e fatores as quais a influenciam desde o seu aparecimento até a sua contínua propagação
até se tornar uma fratura abrupta.
O estudo das falhas por fadiga em materiais, foi motivada por um grave acidente ocorrido por volta do ano 1840 em
Versalhes, na França, quando um eixo frontal de uma locomotiva fraturou abruptamente devido à fadiga.
Precisamente no ano de 1843, o engenheiro ferroviário inglês W.J.M Rankine analisou a superfície da fratura e
determinou que havia concentrações de tensão próximo à trinca de fadiga do eixo.
Segundo Shigley (2005), existem três estágios nas falhas
por fadiga: o início da trinca, propagação da trinca e
ruptura repentina devido ao crescimento instável da
trinca.
Acordando com a revisão bibliográfica feita por Abrahão
(2008), o primeiro estágio corresponde ao início de uma
ou mais microtrincas, causadas por deformação plástica
seguida de propagação cristalográfica estendendo-se por
dois a cinco grãos relativamente à origem. Neste estágio
as trincas não são normalmente visíveis a olho nu.
O segundo estágio compreende a progressão de micro a
macrotrincas, formando superfícies de fratura com platôs
paralelos, separados por sulcos também paralelos. Tais
platôs são normalmente lisos e normais na direção da
máxima tensão de tração. Essassuperfícies podem ser
onduladas e escuras e ter bandas leves conhecidas como
marcas de praia ou marcas de concha de ostra, se
macroscópicas; e estrias, se microscópicas. Durante o
carregamento cíclico, tais superfícies fissuradas abrem e
fecham, roçando-se umas nas outras, e a aparência das
marcas de praia depende das mudanças no nível e na
frequência do carregamento, bem como da natureza
corrosiva do meio.
O terceiro estágio ocorre no ciclo de carga final, quando o material remanescente não pode suportar as cargas,
resultando em fratura rápida e repentina. Uma falha de estágio III pode ser frágil, dúctil ou uma combinação de
ambas. Para Modesi (2001), as trincas são consideradas as mais gravas em relação às outras descontinuidades
pois elas possuem concentradores de tensão. As trincas resultam da atuação de tensões de tração (tensões
transientes, residuais ou externas) sobre um material incapaz de resistir a elas, em geral, devido a algum problema
de fragilização. De acordo com Limberger (2000), as trincas de fadiga detectadas por ultrassom nas vias férreas
atingem seu tamanho crítico, o limite máximo do tamanho de uma trinca para determinar a troca de um trilho, em
um tempo de vida útil bem próximo quando se comparado um trilho com uma trinca já mapeada ou trilho novo com
uma nova propagação de trinca, sendo consideradas as mesmas condições de tráfego de trens. Após o processo
de soldagem por aluminotermia, a ZTA criada pelo calor gerado pelo processo exotérmico gera o aumento dos
grãos, por isso, de acordo com GILIOLI (2018), o ensaio por ultrassom é de suma importância durante a
manutenção da ferrovia, pois há garantia da confiabilidade da manutenção e da operação na inspeção dos trilhos.
Fonte – Google (2017) 
O problema desta revisão literária lançado sobre o tema é uma realidade no mundo ferroviário. A qualidade de um
trilho é o ponto mais importante de uma malha ferroviária, onde é ele que suportará as cargas geradas pelos trens,
sejam eles de carga ou de mobilidade urbana.
Ao realizar todas as pesquisas sobre este tema, pode-se perceber que o ensaio por ultrassom nos trilhos
ferroviários já é adotado pela grande maioria das empresas que operam trens durante suas manutenções, pois de
acordo com a pesquisa, é um método de inspeção relativamente com um excelente custo benefício e de fácil
operação quando se tem um profissional qualificado.
Observando todos os resultados das literaturas pesquisadas, foi considerado que uma trinca por fadiga é
relativamente imensurável, pois não se pode determinar seu comportamento de acordo com sua propagação, por
isso as empresas adotam a forma de inspeção por ultrassom para o mapeamento e monitoramento das trincas, a
fim de determinar suas criticidades, e, isso mudará de empresa por empresa sendo determinados por suas
respectivas engenharias.
Nestes casos onde são mapeadas as trincas e determinadas suas criticidades pela engenharia, esta determinará a
periodicidade em que esta trinca será monitorada por ultrassom, a fim de determinar se houve seu alastramento ou
sua estabilização; Determinará o período de troca correto de acordo com seus critérios de aceitação de criticidade
de trincas, que geralmente são mapeadas como P (pequenas – monitoramentos mais longos), M (médias –
monitoramentos mais curtos) e G (grandes – troca imediata dos trilhos), para evitar a fratura dos trilhos por trincas
abruptas a fim de evitar graves acidentes e; Determinará a o tempo de troca certo do trilho em algumas trincas que
não são de troca imediata mas que houve um alastramento mais atenuado entre P e M para redução de mão de
obra em caso de uma troca emergencial com uma trinca crítica.
Portanto, foi considerado que este trabalho acadêmico teve um resultado satisfatório ao tema proposto, onde foi
possível observar que nem pelo fato de um trilho propagar uma trinca de fadiga ele está reprovado, nem
oferecendo risco às cargas nas ferrovias e ao transporte diário de mobilidade urbana.
ABRAHÃO, Rodrigo Rebelo Ribeiro. Fadiga em Materiais: Uma Revisão Bilbiográfica. Uberlândia: UFU, 2008.
ANDREUCCI, Ricardo. Ensaio por Ultrassom. 1. ed. São Paulo: Abendi, 2014.
LIMBERGER, Inácio da Fontoura. Estudo da Propagação de Trincas Transversais por fadiga em trilhos
ferroviários. Porto Alegre: UFRGS, 2000.
NDTBrasil. Ensaio por Ultrassom em Trilhos e Uniões Soldadas. Especificações Técnicas. São Paulo, 2014
SKYTTEBOL, A. JOSEFSON, B.L. RINGSBERGER, J.W. Fatigue Crack Growth in a Welded Rail Under the
influence of Residual Stresses. Engineering Facture Mechanics, 2005.
INTRODUÇÃO
RESULTADOS E CONCLUSÃO
OBJETIVOS
REFERÊNCIAS
DESENVOLVIMENTO
Augusto Barbosa Maia159932311046
ESTUDO SOBRE MAPEAMENTO DE TRINCAS DE FADIGA EM SOLDAS ALUMINOTÉRMICAS DE TRILHOS FERROVIÁRIOS POR MEIO DE INSPEÇÃO ULTRASSÔNICA
Como em todo processo de soldagem, existe uma região
com cerca de 25mm bilateralmente adjacente à solda
chamado ZTA, que significa zona termicamente afetada. Esta
região é conhecida pelo fato de que ela não foi fundida junto
com o cordão de solda, mas que teve sua microestrutura
cristalina e propriedades mecânicas alteradas pelo alto calor
dissipado na exortermia da solda aluminotérmica.
Com isso, esta região pode se tornar uma zona de
concentração de tensões na junta dos trilhos, onde também
ocorre a incidência da propagação das trincas de fadiga.
Segundo Andreucci (2014), assim como uma onda sonora,
reflete ao incidir num anteparo qualquer, a vibração, ou onda
ultrassônica, ao percorrer um meio elástico, que pode ser um
metal, plástico, concreto, etc., refletirá da mesma forma ao
incidir numa descontinuidade ou falha interna neste meio
considerado.
Fonte: ENDINSPECTION.