Tecnologia Dos Materiais 2

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FUNDAÇÃO DE APOIO À ESCOLA TÉCNICA Centro de Ensino Técnico e Profissionalizante Quintino ESCOLA TÉCNICA ESTADUAL REPÚBLICA DEPARTAMENTO DE MECÂNICA Tecnologia dos Materiais II Prof: J. E. Guimarães 1 TECNOLOGIA DOS MATERIAIS II Ensaio de Tração Diagrama Tensão / Deformação Quando aplicamos uma força a uma peça, ela sofre uma deformação que é proporcional ao esforço aplicado. Essa deformação pode ser: a) elástica – quando, cessando o esforço, cessa a deformação b) plástica - quando a deformação é permanente; cessando o esforço, a deformação permanece. Se denominarmos o comprimento inicial da peça por “ l ” e a deformação por “Δl “ teremos a deformação unitária: ε = Δl / l Temos também: σ= F/A Podemos então, apresentar o diagrama que representa o ensaio de tração de um corpo de prova, onde vamos aumentando a carga aplicada ao corpo de prova, a partir de zero até o seu rompimento. Onde os pontos: a – é denominado limite de proporcionalidade; que na maior parte das vezes se confunde com o limite elástico b e c – limites de escoamento inferior e superior d – limite de resistência, limite de ruptura - A linha o a é chamada zona elástica - A linha a d é chamada zona plástica 2 O limite de proporcionalidade é definido como a tensão máxima, abaixo da qual o material mantém-se com uma proporcionalidade entre tensão e deformação ( obedece à lei de Hooke ). O limite elástico é a tensão máxima abaixo da qual o material não apresenta deformações residuais uma vez cessada a carga. Quando o material apresenta diferença entre o limite de proporcionalidade e o limite elástico em geral este é maior que aquele. O limite de escoamento é a tensão na qual inicia-se a deformação permanente do material. Materiais podem apresentar dois limites de escoamento a que chamamos inferior e superior, assim como pode não apresentar nenhum deles. Quanto maior a dureza do material, existe a tendência de não apresentar o limite de escoamento, razão pela qual os projetistas, normalmente, utilizam o limite de ruptura desses materiais, como base em seus projetos. O limite de resistência de um material é a tensão máxima que atinge o corpo de prova, em um ensaio de resistência. O limite de ruptura é a tensão que corresponde ao rompimento do corpo de prova. Nota-se, muitas vezes, em gráficos de tensão deformação que aparentemente o limite de ruptura se apresenta menor que o limite de resistência. Existem autores que não aceitam essa anomalia explicando que a tensão sempre cresce nesses limites. Apenas aparecem dessa maneira porque a seção já diminuída pela estricção ocorrida, suporta menor carga. Mas a tensão de ruptura, no material, é sempre maior que a de resistência tornando inócua este limite. Se fossem feitas as devidas correções veríamos o limite de ruptura ser o ponto mais alto no gráfico tensão deformação. Lei de HOOKE A relação entre a tensão e a deformação elástica de um material foi demonstrada em 1678 por Robert Hooke que ficou conhecida como lei de Hooke e podemos escrever: σ=ε.E Sendo a constante “ E “ conhecida como o módulo de elasticidade ou módulo de Young, representada pela tangente do ângulo formado pela linha OA com o eixo da “deformação“ e é uma propriedade de cada material. Então: σ=F/A e σ = ε . E assim: F/A=ε.E mas ε = Δl / l e teremos: F / A = Δl . E / l o que nos dá: Δl = F . l / E . A Notamos então que a deformação elástica de um material é diretamente proporcional à força aplicada e ao seu comprimento e é inversamente proporcional ao 3 módulo de elasticidade do seu material e à área da peça, transversal à direção do esforço aplicado. No teste de tração podemos ainda verificar: a) Estricção – deformação de diminuição de área, no ponto de rompimento em alguns testes (normalmente em materiais dúcteis) b) Alongamento percentual - (ε / l ).100 c) Tenacidade do material (dada pelo valor da área sob a curva) d) Elasticidade – Capacidade do material se deformar elasticamente e) Plasticidade – capacidade do material se deformar plasticamente Preparação do Corpo de Prova A confecção dos corpos de prova obedece à ABNT MB-41 Comparação entre gráficos de Tensão/Deformação de dois materiais Apresentamos abaixo dois gráficos comparativos de dois materiais mostrando as diversas diferenças entre eles. Exercícios 1) Calcule a deformação elástica que acontece em um tirante que está submetido a uma força de tração de 8 000 N. O tirante tem seção circular constante cujo diâmetro vale 4 6 mm, seu comprimento é 0,3 m e seu material tem módulo de elasticidade valendo 2,1 x 105 N / mm2. F 0,3 m Resposta: 0,4 mm 2) No esquema abaixo desejamos calcular o alongamento elástico do cabo de aço que está sob tração. O comprimento do cabo é de 2 metros, o material do cabo tem módulo de elasticidade 2,1 x 105 N /mm2 e o diâmetro desse mesmo cabo é de 20 mm. F = 10 000 N F = 10 000 N Resposta: Alongamento = 0,30 mm Tratamentos Térmicos dos Aços Como já vimos no diagrama de equilibro de ferro-carbono, o aumento do percentual do carbono na liga é o responsável pelo aumento da dureza do aço. Esse aumento do carbono se traduz pelo aumento da cementita na mistura. Com os tratamentos térmicos podemos modificar as formas de cristalização do aço e a disposição do carbono na liga, modificando, assim, a dureza do material. Os tratamentos térmicos mais usuais no aço são: a) recozimento b) normalização c) têmpera d) revenimento Recozimento Esse tratamento térmico tem por objetivo o amolecimento do aço, redução da dureza que os aços possam apresentar devido a tratamentos anteriores tais como: conformação a 5 frio (encruamento), tratamentos térmicos de endurecimento anteriores, processos de soldagem, fundição ou outros processos que gerem endurecimento. O tratamento consiste em elevar-se a temperatura da peça até a transformação completa em austenita e resfriar-se lentamente. Os fabricantes de aços sempre indicam as temperaturas e as formas de resfriamento necessárias a cada tipo de aço por ele fabricado mas de uma maneira geral, indica-se o resfriamento com a peça envolvida em areia para os aços de baixo carbono e o resfriamento controlado dentro do forno, para os aços de alto carbono. A microestrutura obtida nesse tratamento é: a) Ferrita e perlita grosseira para os aços hipoeutectoide b) Perlita grosseira para os aços eutectoides c) Perlita grosseira e cementita para os aços hipereutectoides Normalização Pode ser também chamado de recozimento de normalização. O seu objetivo é dotar o aço de suas características normais (material laminado a quente e resfriamento ao ar). A normalização refina a granulação do aço, apaga vestígios de tratamentos térmicos anteriores, elimina microestruturas brutas de fundição, regulariza microestruturas em juntas soldadas. As peças normalizadas apresentam dureza média e uma boa resistência mecânica ao contrário das peças recosidas que são bem macias, maleáveis e pouco resistentes. O tratamento consiste em aquecer o material até a temperatura de transformação da austenita e fazer-se resfriamento ao ar. As microestruturas obtidas na normalização são semelhantes às do recozimento apenas com a diferença de que a perlita se apresenta mais fina resultando daí uma maior dureza e resistência. Têmpera O tratamento de têmpera consiste em elevar-se a temperatura do material à temperatura de transformação da austenita e resfriar-se o material rapidamente. Esse resfriamento deve ser mais rápido quanto menor for o teor de carbono no material. Podemos utilizar como meios de resfriamento desde a salmoura gelada, passando por resfriamento em água gelada, água à temperatura normal, óleo, ar soprado ou ar normal. Utilizamos todos esses devido à variedade de aços que podemos dispor. Os tratamentos de têmpera também podem apresentar diversas maneiras de serem efetuados. Temos a têmpera comum com pouco controle no resfriamento ou as têmperas mais elaboradas que por isso mesmo recebem os nomes de austêmpera ou martêmpera. A microestrutura que se deseja obter na têmpera comum é a martensita. Essa microestrutura apresenta elevada dureza, elevada resistência mecânica e elevada fragilidade. A têmpera comum causa um grau elevado de tensões internas podendo gerar trincas e empenos em peças mais delicadas. Outro resultado dessa têmpera é a perda de tenacidade. Para reduzir esses inconvenientes é indicado a seguir um tratamento de revenimento. 6 Revenimento É um tratamento térmico subcrítico (abaixo da temperatura de transformação da austenita) Tem como objetivo aliviar as tensões na martensita reduzindo significativamente sua fragilidade reduzindo conseqüentemente a dureza obtida na têmpera. A microestrutura obtida é chamada martensita revenida. As temperaturas do revenido podem variar de acordo com o desejo de maior ou menor alívio de tensões internas e a sua conseqüente perda de dureza. Altas temperaturas de revenido podem estar entre 550 650° C e baixas temperaturas estão entre 300 e 400° C. Para se entender os tratamentos térmicos a seguir é necessário conhecer as curvas TTT. As curvas, Temperatura, Tempo, Transformação (TTT) são características que os aços apresentam no resfriamento. Visto em um gráfico x, y (temperatura, tempo) elas assim se apresentam: T austenita perlita grossa 1 2 perlita fina Mi bainita Mf martensita 0 a Mi - início da transformação da martensita Mf - final da transformação da martensita t Vejamos, então como podemos aproveitar essas características dos aços ao serem resfriados. Quando queremos obter uma transformação na estrutura interna de uma peça de aço, devemos aquece-la a uma temperatura acima da linha de transformação da austenita. Ao resfria-la podemos faze-lo mais ou menos lentamente. A distância (tempo) entre o zero e o ponto “a” no gráfico varia para cada tipo de aço podendo ser muito grande ou menor que zero. Por isso devemos conhecer essas curvas do aço que queremos temperar para que possamos utilizar o tipo de têmpera mais adequado. 7 T austenita 1 2 recozimento (perlita grossa) normalização (perlita fina) Mi bainita Mf revenimento têmpera comum (martensita) 0 a Mi - início da transformação da martensita Mf - final da transformação da martensita t Quando a curva do resfriamento, devido à sua pouca velocidade corta as curvas “1 “ e “2 “ no seu ponto alto obtemos uma microestrutura no material formada por perlita grosseira (recozimento). Quando a velocidade de resfriamento é um pouco maior temos como microestrutura, no material, a perlita fina (normalização). Quando essa velocidade é muito grande e não corta as curvas temos a formação de martensita (têmpera comum). Temperabilidade Temperabilidade é a capacidade que tem o aço de ser endurecido pelo tratamento de têmpera. A temperabilidade dos aços está ligada às curvas TTT. Quanto mais distantes do eixo “y” estiverem suas curvas “1” e “2” maior temperabilidade terá um aço. Martêmpera A martêmpera tem por objetivo obter na peça tratada uma estrutura de martensita como na têmpera comum porém, devemos controlar o resfriamento para que quando a temperatura alcançar a linha Mi (início da formação da martensita) esse resfriamento é retardado de maneira que a transformação se complete mais lentamente. O meio de resfriamento é normalmente óleo ou sal fundido. O material é mantido maior tempo entre as duas linhas de transformação para que a formação da martensita se dê de maneira uniforme, gerando menores tensões internas. Em seguida a peça é resfriada a qualquer velocidade. Esse tratamento normalmente necessita o tratamento de revenimento para aliviar tensões residuais. Apresentamos a seguir a curva do tratamento de martêmpera. 8 T austenita perlita grossa 1 2 perlita fina Mi bainita Mf martensita 0 a t Mi - início da transformação da martensita Mf - final da transformação da martensita Austêmpera É um tratamento de endurecimento dos aços que consiste em aquecer o material acima da temperatura de formação de austenita manter essa temperatura até a completa transformação e fazer um resfriamento brusco até uma temperatura ligeiramente acima da linha Mi (início da transformação da martensita) mas de maneira que não atinja a curva “1”, na altura da temperatura de formação da bainita. Esse processo é obtido através da manutenção do material em banho de chumbo ou sal (fundidos) (260 a 440° C). Deixando o material a uma temperatura constante durante o tempo em que a linha de resfriamento ultrapassa as curvas “1” e “2” na altura de transformação da bainita(sempre em temperatura constante). A temperatura escolhida depende da dureza que queremos obter. Quanto mais baixo no gráfico atingimos a bainita maior endurecimento vamos conseguir. Esse tratamento dispensa o revenimento por gerar baixas tensões internas. É normalmente indicado para temperar peças delicadas onde os empenos e as deformações são críticos. A desvantagem desse tratamento é que ele não pode ser feito em aços de baixa temperabilidade além de ser um tratamento mais caro. 9 Apresentamos a seguir a curva do tratamento de austêmpera. T austenita perlita grossa 1 2 Mi Mf perlita fina bainita martensita 0 a Mi - início da transformação da martensita Mf - final da transformação da martensita t Cementação A finalidade da cementação é fazer com que um aço de baixo teor de carbono (macio) fique com a superfície dura, reunindo assim as duas características ideais de uma peça. Que seja macia o suficiente para não de partir com a continuidade de choques e não se desgastar por abrasão nos pontos onde se atrite com outras peças, como nos mancais. Esse tratamento é feito aquecendo a peça em um ambiente rico em carbono. O material da ambiente em que fica a peça pode ser sólido, líquido ou gasoso. A peça deve permanecer nesse ambiente por um tempo suficiente para que o carbono migre através do material da peça tornando assim, a superfície rica em carbono. A espessura da camada dura depende do tempo de permanência da peça nesse ambiente. Essa permanência a alta temperatura faz com que cresça demasiadamente a granulação do material cementado. Para que isso não aconteça o aço deve ser especial para cementação, quer dizer, deve ter elementos de liga que iniba o aumento do grão, com a temperatura. Após o tratamento superficial (cementação) a peça deve ser temperada para que a camada superficial, rica em carbono adquira a dureza desejada. Muitas vezes esse endurecimento é feito através da têmpera por indução. Nitretação È um tratamento semelhante à cementação. Apenas em vez do uso da atmosfera de carbono, utiliza-se uma atmosfera rica em nitrogênio. Esse elemento combina-se com alguns elementos de liga do aço (principalmente o alumínio), formando nitretos que têm 10 elevada dureza. Esse tratamento tem como vantagem sobre a cementação o fator de não necessitar têmpera e ainda aumentar a resistência da peca à fadiga e à corrosão. Tem ainda a vantagem de utilizar temperaturas menores que a cementação (entre 500 e 560° C) com menores riscos de empenos da peça nitretada. Tanto na nitretação como na cementação o interior da peça não sofre modificações consideradas. Ensaio Jominy O ensaio Jominy tem por objetivo determinar a temperabilidade de um aço. O ensaio consiste em aquecer um corpo de prova especialmente confeccionado para o teste, à temperatura de têmpera e resfria-lo em um equipamento especial, (veja figura abaixo). O endurecimento do corpo de prova se dá de uma ponta, que recebe o jato de água, para a outra que vai se resfriando mais lentamente conforme mais distante ficar do jato refrigerante. Após esse resfriamento, são tomadas durezas (dureza Rockwell) em intervalos regulares a partir da ponta que recebeu o jato de água refrigerante. O gráfico de durezas reveladas nesse ensaio no indica a capacidade de endurecimento do aço conforme o seu resfriamento. Apresentamos abaixo como exemplo, um gráfico de um ensaio Jominy de um aço. 11 Ensaios de Dureza Ensaio de dureza Brinell Foi o primeiro ensaio grandemente aceito e padronizado. Consiste na compressão lente de um penetrador em forma de esfera de aço temperado de diâmetro (D) sobre uma superfície plana, polida e limpa da peça que se deseja verificar a dureza. O penetrador é forçado a penetrar no material pela aplicação de uma carga (P). esse penetrador esférico irá criar, no material a ser testado, uma calota esférica de diâmetro (d). Esse diâmetro (d) será importante para se determinar um número que corresponderá ao valor da dureza Brinell. HB (dureza Brinell) – Força do penetrador/área da calota – P/S HB (dureza Brinell) – 2P / {π D [ D-(D2 – d2)1/2]} kgf / mm2 Obs: O diâmetro (d) impressa é medida com a ajuda de uma pequena luneta com o visor graduado. Toma-se 2 diâmetros (d) perpendiculares entre si e faz-se a média. No ensaio de dureza Brinell, deve-se escolher cargas P e diâmetro D de penetradores tais que verifiquem as seguintes relações: P / D2 = constante O,25 D < d < 0,5 D Usa-se: P / D2 = 30 para aços, ferros fundidos e ligas não ferrosas bastante duras = 10 para ligas de cobre e duro-alumínio = 5 para cobre e alumínio = 2,5 chumbo, estanho, antimônio e outros materiais bastante macios. 12 Diâmetro D do penetrador 10 mm 5 mm 2,5 mm P / D2 30 3 000 kgf 750 kgf 187,5 kgf 10 1 000 kgf 250 kgf 62,5 kgf 5 500 kgf 125 kgf 31,2 kgf P D h d 2,5 250 kgf 62,5 kgf 15,6 kgf 13 Limitações do ensaio de dureza Brinell a) Não pode ser empregado em peças muito finas. As normas indicam que a profundidade de penetração não pode ser maior que 1 / 17 da espessura da peça ensaiada. Nesses casos devem ser empregados penetradores com diâmetros e cargas menores. b) Penetrações feitas perto da borda de uma peça podem gerar distorções nos resultados. c) A recuperação elástica do material ensaiado e deformações elásticas no penetrador podem causar uma imprecisão nos resultados d) O ensaio de dureza Brinell gera uma impressão tão grande na peça que em muitos casos a mesma deve ser inutilizada. e) Só se aplica em superfícies planas. Durezas medidas em superfícies curvas geram medições erradas. f) Não se aplica em medição de durezas em peças cementadas ou nitretadas. 14 g) O método é relativamente lento para ser aplicado em indústrias onde o tempo na obtenção do resultado for importante. h) Não se aplicam em medições de dureza dos metais muito duros (max. de 500 HB) Ensaio de dureza Rockwell É o método de ensaio de dureza mais utilizado industrialmente devido à sua rapidez e facilidade de execução. O princípio do ensaio é semelhante ao Brinell. Força-se um penetrador de forma e dimensões conhecidas, em uma superfície a ser ensaiada, através de uma carga preestabelecida. O valor da dureza, porem, é um número adimensional, proporcional à profundidade de penetração e não mais, como no método Brinell, a relação entre a carga aplicada e a área da impressão obtida. Os penetradores para o ensaio de dureza Rockwell são esféricos de aço temperado ou cones de diamante. Existem três faixas principais de dureza Rockwell: a) Escala Rockwell A (HRA) Utilizada para materiais duros. O penetrador é um cone de diamante com um ângulo de vértice de 120º e a carga é de 60 kgf. b) Escala Rockwell B (HRB) Utilizada para materiais de dureza média como aços de baixa dureza e ligas de alumínio e cobre. Usa-se como penetrador uma esfera de aço temperado de 1 / 16” de diâmetro e uma carga de 100 kgf. c) Escala Rockwell C (HRC) Utilizada para ensaios em aços de elevada resistência à tração (acima de 60 kgf / mm2 ) ou aços endurecidos superficialmente. Emprega-se o mesmo penetrador da escala A e uma carga de 150 kgf. Sistema de aplicação das cargas no ensaio Rockwell (a) (b) (c) (d) 15 a) O penetrador é colocado em contato com a peça a ser ensaiada b) Aplica-se a carga inicial (pré-carga) de 10 kgf. Coloca-se o ponteiro do mostrador da máquina no ponto básico de referência (100 para as escalas C e A e 30 para a escala B). c) Aplica-se, a seguir, a carga maior correspondente à escala adotada de modo a ter a penetração. A carga é mantida até o ponteiro do mostrador parar. d) A carga é então removida de modo a permitir a recuperação elástica do material, mantendo-se a pré-carga de 10 kgf. Procede-se, então, a leitura da dureza no mostrador onde o ponteiro parou. e) Obs.: A existência da pré-carga, garante um menor erro devido à recuperação elástica do material. 16 Ensaio de Dureza Vickers Esse processo é empregado, largamente, em pesquisas porque fornece uma escala contínua de durezas para uma determinada carga, podendo determinar durezas desde materiais muito moles (com dureza Vickers correspondente a 5) até materiais extremamente duros (Vickers 1500). O penetrador consiste em uma pirâmide de base quadrada feita de diamante e com ângulo de vértice de 136º entre as faces opostas. As cargas variam de 10 a 120 kgf. A dureza Vickers é dada pelo quociente da carga com a área da impressão. HV – Dureza Vickers P – carga S – área da superfície piramidal impressa na peça L – média das duas diagonais de impressão HV = P / S HV = P / {L2 / [2 sen(136 / 2)]} HV = 1,8544 (P / L2) em kgf / mm2 Obs.: A diagonal L da impressão é medida com o auxílio de uma pequena luneta com o visor graduado e será a média das medidas das duas diagonais. Representação dos resultados: 70 HV 10 => 70 representa 70 kgf / mm2, HV => dureza Vickers, 10 => carga utilizada, em kgf. Vantagens e desvantagens do processo: a) É um processo lento e demorado b) Tem bastante precisão nas medidas c) A escala é contínua podendo medir desde uma material macio até um muito duro d) As impressões são pequenas e na maior parte dos testes não inutiliza a peça e) Mede durezas superficiais f) O penetrador praticamente não se deforma quando da aplicação das cargas g) Aplica-se a quaisquer espessuras mesmo em chapas muito finas. h) Necessita que a superfície ensaiada esteja bem plana e limpa. 17 ENSAIO DE PARTÍCULAS MAGNÉTICA 1 INTRODUÇÃO 1.1 Histórico Data de 1920 o início do desenvolvimento do ensaio não destrutivo hoje denominado “Ensaio de Partículas Magnéticas”, quando observando os efeitos dos campos magnéticos em materiais ferromagnéticos, que V. de Forest realizou os primeiros experimentos que resultaram nos processos fundamentais das técnicas hoje utilizadas. Foi largamente usado durante a 2ª Guerra Mundial, quando então surgiram surgiram novas técnicas que aumentaram sua sensibilidade técnicas[1] 1.2 Finalidade do Ensaio O ensaio de partículas magnéticas é particularmente indicado para a detecção de descontinüidades superficiais e sub-superficiais em materiais ferromagnéticos. [1] 2 PRINCÍPIOS BÁSICOS DO MAGNETISMO O magnetismo é uma força, ainda pouco conhecida, de interação (atração ou repulsão) entre corpos. Os metais, simplificadamente, podemos classifica-los em: ferromagnéticos (aqueles fortemente atraídos por um imã) e paramagnéticos (os demais, que podem ser fracamente atraídos pelo imã ou fracamente repelidos por ele). A atração ferromagnética pode ser explicada com a idéia de domínios magnéticos, que são considerados como sendo minúsculos imãs internos no material, constituídos de 1015 a 1020 átomos. Nos átomos dos materiais ferromagnéticos a teoria considera que existe um número maior de “Spins” num sentido do que no outro e, desta forma, eles tendem a orientar-se paralelamente em relação aos outros, com seus pólos norte apontando em uma mesma direção. [2] Um momento magnético, resultante de um grupo e átomos gera uma polaridade interna. Basicamente, um domínio magnético se comporta como um imã interno muito pequeno, tendo um pólo norte e um pólo sul. Os materiais ferromagnéticos mais comuns são o ferro, o níquel e o cobalto e industrialmente o material mais utilizado são as ligas de ferro como o ferro-silício e alguns aços.[2] 2.1 Campo Magnético O campo magnético pode ser definido como a região em torno de um imã onde atuam as forças magnéticas que esquematicamente são descritas como linhas de fluxo magnético, também denominadas linhas de forças magnéticas, que têm suas formas definidas pela fonte geradora do campo magnético. Essas linhas, convencionalmente, têm sentido sul-norte dentro do imã e norte -sul fora dele fechando um circuito magnético. As linhas não se cruzam e buscam o caminho de menor resistência. Quanto mais próximas estiverem essas linhas maior será a intensidade do campo magnético. 18 2.2 Densidade de Fluxo Magnético Também conhecida como indução magnética; é o numero de linhas de fluxo magnético que atravessam perpendicularmente uma dada seção. O Sistema Internacional de Medidas utiliza a unidade Tesla (T) para indicar a densidade de fluxo magnético. 2.3 Força de Magnetização É a força que estabelece um fluxo magnético, também conhecida por intensidade de campo ou força magnetizante. Unidade do SI - A / m ( Ampère por metro) 2.4 Relutância Magnética’ É a resistência que apresenta os materiais a serem magnetizados 2.5 Retentividade Magnética É a capacidade que têm os materiais de reter parte do campo magnético após a interrupção da força magnetizante. 2.6 Magnetismo Remanente. É o magnetismo que resta no material após a interrupção da força magnetizante. 2.7 Força Coerciva É a força de magnetização contrária necessária para remover o magnetismo remanente. 2.8 Permeabilidade Magnética É a facilidade com que um fluxo magnético pode ser estabelecido num circuito magnético 2.9 Saturação É o estágio no qual qualquer incremento na força de magnetização, aplicada a uma peça, não produz nenhum aumento na densidade de fluxo. 2.10 Curva B – H 9 ou Curva de Magnetização É a relação existente entre a intensidade de campo (H) e a densidade de fluxo (B) para um dado material ferromagnético. Verifica-se que, se aumentarmos a intensidade de campo, a densidade de fluxo também aumenta porem não proporcionalmente. No início a densidade de fluxo tem um pequeno crescimento com o aumento da intensidade do campo magnético, depois tem um crescimento praticamente proporcional e conforme a intensidade de campo continua a crescer a densidade de fluxo passa a ter um crescimento cada vez menor até que verifica-se que esse crescimento passa a e ser praticamente nulo mesmo que continuemos a aumentar a intensidade de campo. Dizemos que o material atingiu a saturação. 19 2.11 Curva de Histerese A curva de histerese é um gráfico que nos indica a atuação de um campo magnético em um material ferromagnético. Quando submetemos um desses materiais a um campo magnético esse material vai adquirindo uma intensidade de fluxo que se comporta conforme a Curva de Magnetização. Caso retiremos o campo magnético o material retém uma certa intensidade de campo que é chamado de magnetismo residual. Essa curva de histerese é a responsável por algumas medidas ( que veremos adiante) que devemos tomar caso tenhamos que desmagnetizar uma peça de material ferromagnético (vide figura 1). Figura 1- curvas de magnetização e curva de histerese [2] 3 ELETROMAGNETISMO Os imãs podem ser encontrados em estado natural em certos minerais e podem ser industrializados com técnicas diversas formando os imãs permanentes. Esses imãs não atendem aos nossos objetivos de ensaios por meio de partículas magnéticas devido a algumas dificuldades de manuseio e sua pequena intensidade de campo magnético. Normalmente são utilizados os chamados eletroimãs que são equipamentos que utilizam os princípios do eletromagnetismo. Quando, por um condutor, flui uma corrente elétrica, há a formação de um campo magnético em torno desse condutor e esse campo magnético é proporcional à corrente elétrica que aí circula. Daí, então que podemos ter campos magnéticos com intensidades tais, conforme variemos a corrente que fizermos passar, no condutor de nosso eletroimã. Nos ensaios por meio de partículas magnéticas são utilizados diversos equipamentos, todos com o princípio do eletromagnetismo tais como; yokes, bobinas, condutores, eletrodos, equipamentos estacionários, etc. 20 4 DISPERSÃO DO FLUXO MAGNÉTICO ASSOCIADO À DESCONTINÜIDADE Quando em uma peça de material ferromagnético acontece a atuação de um campo magnético forma-se, em torno dela, o que chamamos espectro magnético, que o conjunto das linhas de fluxo magnético. As linhas ligam os polos norte e sul como já dito anteriormente, no sentido convencionado do sul para o norte no interior do imã, mantendose um paralelismo entre si caso o material seja sem descontinuidades. Havendo falhas (descontinuidades), elas criam uma perturbação no espectro magnético interno gerando os chamados campos de fuga (vide fig. ) que podem aflorar ou não à superfície da peça. Esses campos de fuga é que são os responsáveis pelos efeitos que utilizamos para detectar descontinuidades em materiais ferromagnéticos. Devido a esses efeitos é que podemos detectar trincas ou outras falhas nos materiais, apenas superficiais ou subsuperficiais; porque somente essas falhas criam campos de fuga que afloram à superfície da peça podendo serem detectados com o Ensaio com o Uso de Partículas Magnéticas, (figura 2). Figura 2 - campos de fuga gerados por defeitos profundos e por defeitos sub-superficiais. Notar que somente o campo de fuga de um defeito sub-superficial aflora à superfície da peça 5 ELETRICIDADE A corrente elétrica, cuja unidade é o Ampère (símbolo A) pode ser entendida como o fluxo de elétrons que percorre um condutor quando fechamos um circuito entre uma diferença de potencial elétrico e um consumidor, que pode ser por exemplo, uma lâmpada elétrica. Dependendo da forma como se comporta a diferença de potencial, e conseqüentemente a corrente, podemos classificar as correntes elétricas em: 5.1 Corrente Alternada Comumente a corrente alternada pode ser representada por uma senoide onde a diferença de potencial varia com o tempo criando com isso uma variação da corrente de um valor máximo que convencionou-se chamar de positivo e um valor mínimo negativo. É uma corrente periódica cujo valor médio, em um período é igual a zero.[2] 21 5.2 Corrente Alternada Retificada de Meia Onda É a corrente que, através de certos dispositivos elimina-se o meio ciclo negativo da onda, passando a corrente a ter apenas o aspecto positivo com os intervalos referentes ao meio ciclo negativo reduzido ao valor zero.[2] 5.3 Corrente Alternada Retificada de Onda Completa É semelhante ao caso anterior somente que ao meia onda negativa em vez de ser eliminada é transformada em positiva[2] Podemos também encontrar outros tipos de corrente alternada retificadas cujas características são muito aproximadas da corrente contínua. 5.4 Corrente Contínua A corrente contínua pode ser gerada em geradores mecânicos próprios, através de processos químicos, por métodos foto-voltaicos, etc. Também pode ser acumulada em acumuladores químicos. Neste tipo de corrente não ocorre a inversão do sentido da corrente e o seu valor é mantido constante com o tempo. 6 PARTÍCULAS MAGNÉTICAS São partículas produzidas de material ferromagnético que possuem alta permeabilidade e baixa retentividade magnética. Devem ter diversas características de acordo com o ensaio a que iremos utiliza-las. O tamanho e a forma das partículas deverá ser escolhido de acordo com a descontinüidade que queremos detectar. As grandes e pesadas têm menor grau de sensibilidade pois são mais difícil de serem retidas por pequenos campos de fuga originados por pequenas descontinüidades, as finas podem ser retidas por pequenas rugosidades da superfície mascarando o nosso ensaio. As partículas alongadas são mais sensíveis a se alinharem rapidamente com os campos magnéticos sendo propícias a serem aplicadas a seco uma vez que não temos um veículo que as movimente com facilidade. O tipo de corrente que produzirá nosso campo magnético também tem influencia na escolha do tipo de partículas uma vez que, por exemplo, a corrente alternada produzindo um vibração no campo magnético, favorece a mobilidade das partículas. As partículas também podem ser pintadas com coloração que ajude no contraste com a superfície a ser inspecionada, favorecendo a detecção das falhas. As partículas magnéticas podem ser aplicadas por via seca ou via úmida. Para aplicação por via seca o veículo que as carrega é o ar e por isso eles devem ter tamanho entre 20 e 250 μm que as torna menos passíveis de dispersão enquanto por via úmida devem ter medidas entre 3 e 10 μm. Defeitos sub-superficiais são melhor detectados por via seca enquanto por via úmida detecta-se melhor defeitos superficiais. A via úmida é também responsável por maior sensibilidade na detecção de trincas. Para inspeções subaquáticas, naturalmente, vamos utilizar o processo de via úmida e o fato de que normalmente encontramos correntes d’agua no local, o ensaio torna-se favorecido no tocante à mobilidade das partículas magnéticas, conseguindo-se bons resultados nos ensaios. 22 7 ILUMINAÇÃO Como o Ensaio com Partículas Magnéticas depende da visualização ou do registro por meio de fotografias, o nível de iluminamento no local é fator importante. A visibilidade é extremamente influenciada pela quantidade e qualidade de luz no local do ensaio. Assim, de acordo com os resultados que pretendemos obter, devemos prever o tipo de iluminação no local onde será efetuado o ensaio. Podemos adotar a faixa do espectro eletromagnético visível ao olho humano ( figura )de acordo com a coloração das partículas que iremos adotar ou podemos utilizar a luz ultravioleta (luz negra) que ao incidir em partículas de coloração adequada produzira luz visível ao olho humano criando assim uma maior sensibilidade que com outro tipo de iluminação. Para Ensaios com Partículas Magnéticas subaquáticas, em águas profundas, onde o nível de iluminação natural é precário, o uso de lâmpadas de luz ultravioleta é muito utilizado uma vez que o seu uso requer um nível de iluminação natural ou artificial (normal) de no máximo 32 lux no local do ensaio. As lâmpadas de luz ultravioletas devem operar com radiação emitida com comprimento de onda na faixa de 320 a 400 nm e deve-se garantir um nível mínimo de 800 μW/cm 2 de intensidade luminosa na superfície ensaiada. Para uma utilização de luz normal (branca) é requerido um mínimo de 540 lux de iluminamento e deve-se tomar cuidado com o ângulo do feixe luminoso para que não possibilite reflexos danosos à inspeção. As medições desses parâmetros devem ser feitas pelo menos a cada oito horas de serviço e sempre que se trocar de local de trabalho. Quando ocorrer alguma anormalidade deve-se repetir todos os ensaios feitos após a última medição satisfatória. Para a medição de iluminamento utiliza-se o luxímetro e as medições devem ser feitas com a fotocélula colocada sobre a superfície de trabalho, com a iluminação que se usa durante o ensaio. Para a avaliação de iluminação com luz ultravioleta, as lâmpadas devem estar afastadas de no mínimo 380 mm (15”) das respectivas fotocélulas e em um eixo normal a elas. A temperatura da peça não deve ser superior a 300º C para o ensaio por via seca e de 60º C para o ensaio por via úmida. 8 INDICADORES DE CAMPO MAGNÉTICO Para garantirmos uma inspeção adequada temos necessidade de intensidades de campo magnético no local de trabalho entre 17 e 65 A / cm. Como a densidade de fluxo (B) é função da permeabilidade magnética (μ) da peça e d força de magnetização (H) temos a representação B = μ.H e podemos medir a intensidade com aparelhos que nos indique esses valores de A / cm. Mas de uma forma mais prática utilizamos os padrões que são peças com defeitos típicos que de forma rápida nos indique essas variáveis. Esses defeitos podem ser furos de diversos diâmetros e de profundidades variáveis, onde os campos de fuga terão efeitos diversos e com a aplicação das partículas magnéticas sobre eles, indicam essa variação dos campos de 23 fuga servindo para avaliação da intensidade de campo no local. Temos, por exemplo, o indicador padrão da Petrobrás N-1598 mostrado na figura 3 que, se colocado no local a ser medida a intensidade de campo magnético e através da aspersão de partículas magnéticas sobre ele nos indica se a intensidade naquele local está dentro dos padrões previstos de 17 a 65 A / cm além de nos indicar a direção das linhas de força . Outros padrões também são adotados por outras normas com a finalidade de medições diferentes como por exemplo o da figura 4 adotado pela norma americana MIL 1-6868 que é utilizado para controle de campos magnéticos circulares. Figura 3 – indicador de intensidade de campo Norma Petrobrás N-1598 [2] 9 Figura 4 – Indicador de intensidade de campo Norma MIL-1-6868 [2] YOKE O yoke é um dos equipamentos utilizados em ensaios com o uso de partículas magnéticas como dito anteriormente usam a eletricidade como forma de produção do campo magnético. É constituído de lâminas de alta permeabilidade magnética e de baixa retentividade magnética, normalmente ligas de ferro-silício, encapsuladas por uma bobina multiespiras, alimentada diretamente pela rede elétrica, normalmente corrente alternada. É um equipamento de baixo custo inicial, baixo custo de manutenção, grande facilidade de manuseio, pode ter pernas articuladas que o torna adaptável a diversas situações de ensaio e que produz bons resultados devido ao campo magnético que produz com resultados de grande sensibilidade. Estes fatores são determinantes na difusão do seu uso que tem como 24 ponto negativo de maior monta a sua impossibilidade de uso automatizado. Seu peso é aproximadamente 3 kg (figura 5). Figura 5 – Yoke de pernas articuladas [2] O campo magnético que produz é longitudinal e tem o seu campo de utilização (teórico) indicado pela área em forma de oito em torno das pernas do yoke que está compreendido as áreas onde a intensidade de campo está entre 17 e 65 A / cm (fig ... ) 25 Este campo foi dito teórico porque, como o campo magnético que produz é longitudinal, somente as descontinuidades que estiverem transversais a esse campo serão detectadas então é necessário que se faça uma rotação de 90º no yoke para que possamos garantir uma inspeção total na área. Com isso, a área inspecionada, torna-se na prática, um quadrado que resulta da superposição das duas áreas em forma de oito colocadas uma sobre a outra a 90º. Ainda mais; como normalmente a inspeção deve-se dar por uma extensão muito maior que esse referido quadrado ( em um cordão de solda por exemplo) vamos, na prática, ter o nosso quadrado anterior transformado em um quadrado de área um pouco menor e que gira em 45º como na figura 6. Figura 6 – Área útil de ensaio de um yoke [2] para que possamos dar continuidade, sem risco de deixarmos área não coberta em uma inspeção de uma área longa como na figura 7 [1]. Figura 7 – Esquema que deve ser adotado para inspeção de uma área longa (por exemplo um cordão de solda) com a utilização de um yoke. [2] 26 Assim, podemos garantir que realizando inspeções seguidas, em seqüência, com distâncias A, B e C convenientemente determinadas, para que tenhamos certeza de que as áreas dos quadrados anteriormente mencionadas, sejam, no mínimo, adicionadas (até mesmo ligeiramente superpostas em partes) umas às outras formando um retângulo contínuo em toda a área a ser inspecionada.Com essa medida estaremos certos de não termos deixado para traz nenhuma área que não foi coberta pelo nosso teste. Essas marcações de posicionamento das pernas do yoke devem ser marcadas antes do início da inspeção, cobrindo assim as áreas que desejamos inspecionar dentro do previsto de forma que não possa deixar de cobrir todos os requisitos da inspeção. Outro cuidado que devemos tomar é que nosso equipamento esteja devidamente testado antes de iniciarmos o ensaio. O yoke deve ter a capacidade mínima de levantamento de uma massa de 5,5 kg que corresponde a intensidade de campo mínima de 17 A / cm, assim como, quando sob a tensão nominal da rede produzir uma intensidade de campo de 65 A / cm. O yoke deve ser testado a cada oito horas de trabalho e, em se constatando defeitos devem ser repetidos todos os ensaios posteriores ao último teste em que se constatou o bom funcionamento do equipamento. 10 DESMAGNETIZAÇÃO 10.1 Necessidade da Desmagnetização Sempre que aplicamos um campo magnético em um material ferromagnético, um magnetismo residual ficará presente mesmo após a retirada do campo. Esse magnetismo residual será maior ou menor dependendo do tipo do material magnetizado. Esse magnetismo remanente pode causar problemas sendo, muitas vezes necessário retira-lo. Os problemas que podem ocorrer são entre outros: a) interferência na usinagem b) interferência na soldagem c) interferência com Instrumentos de medição, de navegação, etc A desmagnetização é dispensável quando: a) os materiais possuem baixa retentividade b) as peças tiverem que sofrer tratamento térmico posterior c) as peças tiverem que sofrer nova magnetização [2] 10.2 Princípios da Desmagnetização Observando uma curva de histerese típica de um material ferromagnético (figura 1), depois que uma força de desmagnetização inicial é aplicada e então removida, nota-se que é praticamente impossível terminar o ensaio com uma densidade de fluxo zero. Mesmo se uma força coerciva negativa for aplicada, ela apenas vai manter a densidade de fluxo zero enquanto estiver sendo aplicada.[2] 10.3 Desmagnetização Existem várias maneiras de desmagnetização a) remoção do interior da bobina b) bobina operando com corrente contínua revertendo a polaridade c) eletroímã operando com corrente contínua revertendo a polaridade 27 d) yoke operando com corrente alternada [2] A desmagnetização feita com o yoke pode ser aplicada no final do trabalho Uma vez que estamos operando com corrente alternada, fazemos com que a força magnetizante vá decrescendo até zero, diminuindo a corrente gradativamente até zero. Bibliografia: 1 – Ensaios não Destrutivos – Partículas Magnéticas Associação Brasileira de Ensaios não Destrutivos - ABENDE. 2 – Ensaios não Destrutivos – Partículas Magnéticas Joaquim José Moreira da Silva – Petrobrás, 1995.