FUNÇÃO DA INSPEÇÃO LIGADA A MATERIAIS · 2 sumÁrio 1 ensaio por lÍquidos penetrantes ..... 8...

FUNÇÃO DA INSPEÇÃO LIGADA A MATERIAIS

SERRA

2006

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SUMÁRIO

1 ENSAIO POR LÍQUIDOS PENETRANTES .................................................... 8

1.1 INTRODUÇÃO.........................................................................................................8 1.2 FINALIDADE DO ENSAIO .........................................................................................8 1.3 PRINCÍPIOS BÁSICOS.............................................................................................9 1.4 VANTAGENS E LIMITAÇÕES DO ENSAIO EM COMP. COM OUTROS MÉTODOS ..........12

1.4.1 VANTAGENS ................................................................................................................. 12 1.4.2 LIMITAÇÕES.................................................................................................................. 13

1.5 PROPRIEDADES DOS PRODUTOS E PRINCÍPIOS FÍSICOS........................................14 1.5.1 PROPRIEDADES FÍSICAS DO PENETRANTE...................................................................... 14 1.5.2 SENSIBILIDADE DO PENETRANTE ................................................................................... 17 1.5.3 PROPRIEDADES DO REVELADOR.................................................................................... 18

1.6 PROCEDIMENTO PARA ENSAIO.............................................................................20 1.6.1 PREPARAÇÃO DA SUPERFÍCIE ....................................................................................... 20 1.6.2 MÉTODOS DE LIMPEZA DA SUPERFÍCIE .......................................................................... 21 1.6.3 TEMPERATURA DA SUPERFÍCIE E DO LÍQUIDO PENETRANTE ........................................... 21 1.6.4 APLICAÇÃO DO PENETRANTE ........................................................................................ 22 1.6.5 TEMPO DE PENETRAÇÃO............................................................................................... 22 1.6.6 REMOÇÃO DO EXCESSO DE PENETRANTE ...................................................................... 23 1.6.7 REVELAÇÃO ................................................................................................................. 24 1.6.8 SECAGEM E INSPEÇÃO.................................................................................................. 25 1.6.9 ILUMINAÇÃO ................................................................................................................. 25 1.6.10 LIMPEZA FINAL......................................................................................................... 26 1.6.11 IDENTIFICAÇÃO E CORREÇÃO DE DEFICIÊNCIAS DO ENSAIO........................................ 27 1.6.12 REGISTRO DE RESULTADOS...................................................................................... 27

1.7 AVALIAÇÃO E APARÊNCIA DAS INDICAÇÕES .........................................................29 1.7.1 AVALIAÇÃO DA DESCONTINUIDADE................................................................................ 29 1.7.2 FATORES QUE AFETAM AS INDICAÇÕES ......................................................................... 29 1.7.3 CATEGORIAS DE INDICAÇÕES VERDADEIRAS.................................................................. 30 1.7.4 TIPOS E APARÊNCIAS DAS INDICAÇÕES POR PROCESSO DE FABRICAÇÃO ....................... 31

1.8 SEGURANÇA E PROTEÇÃO...................................................................................32 1.8.1 LIMPEZA....................................................................................................................... 32 1.8.2 TOXIDADE, ASPIRAÇÃO EXAGERADA, VENTILAÇÃO, MANUSEIO...................................... 32 1.8.3 LUZ ULTRAVIOLETA ...................................................................................................... 33

1.9 CRITÉRIOS DE ACEITAÇÃO...................................................................................33

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1.9.1 AVALIAÇÃO DAS INDICAÇÕES ........................................................................................ 33 1.9.2 CRITÉRIO DE ACEITAÇÃO .............................................................................................. 34 1.9.3 ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA PARA LÍQUIDOS PENETRANTES - CCH-70 / PT 70-2 ............... 34 1.9.4 AVALIAÇÃO DAS INDICAÇÕES ........................................................................................ 35 1.9.5 CRITÉRIO DE ACEITAÇÃO .............................................................................................. 36 1.9.6 CRITÉRIO DE ACEITAÇÃO DE SOLDAS CONFORME O CÓDIGO AWS D1.1........................ 37 1.9.7 PROCEDIMENTO PARA ENSAIO ...................................................................................... 39

2 ENSAIO POR PARTÍCULAS MAGNÉTICAS............................................................ 40

2.1 DESCRIÇÃO E APLICABILIDADE DO MÉTODO.........................................................40 2.2 MAGNETISMO ......................................................................................................40 2.3 PÓLOS MAGNÉTICOS ...........................................................................................41 2.4 O CAMPO MAGNÉTICO.........................................................................................41 2.5 UNIDADES E GRANDEZAS UTILIZADAS NO MAGNETISMO.......................................43

2.5.1 VETOR INDUÇÃO MAGNÉTICA ........................................................................................ 43 2.5.2 FLUXO MAGNÉTICO....................................................................................................... 45 2.5.3 PERMEABILIDADE MAGNÉTICA ...................................................................................... 45 2.5.4 CLASSIFICAÇÃO MAGNÉTICA DOS MATERIAIS ................................................................ 45 2.5.5 CAMPO DE FUGA .......................................................................................................... 48

2.6 MÉTODOS E TÉCNICAS DE MAGNETIZAÇÃO ..........................................................49 2.6.1 MAGNETIZAÇÃO LONGITUDINAL..................................................................................... 49 2.6.2 MAGNETIZAÇÃO CIRCULAR ........................................................................................... 50 2.6.3 MAGNETIZAÇÃO MULTIDIRECIONAL ............................................................................... 51 2.6.4 TÉCNICAS DE MAGNETIZAÇÃO....................................................................................... 52 2.6.5 TIPOS DE CORRENTE ELÉTRICA UTILIZADA .................................................................... 53 2.6.6 MAGNETIZAÇÃO POR PASSAGEM DE CORRENTE ELÉTRICA PELA PEÇA........................... 55 2.6.7 A TÉCNICA DOS ELETRODOS......................................................................................... 56 2.6.8 A TÉCNICA DE CONTATO DIRETO .................................................................................. 58

2.7 TÉCNICAS DE MAGNETIZAÇÃO POR INDUÇÃO DE CAMPO MAGNÉTICO...................60 2.7.1 A TÉCNICA DA BOBINA ................................................................................................. 60 2.7.2 A TÉCNICA DO IOQUE OU YOKE ..................................................................................... 62

2.8 DESMAGNETIZAÇÃO ............................................................................................66 2.8.1 TÉCNICAS DE DESMAGNETIZAÇÃO................................................................................. 67

2.9 MÉTODOS DE ENSAIO E TIPOS DE PARTÍCULAS ....................................................68 2.9.1 MÉTODOS DE ENSAIO ................................................................................................... 68 2.9.2 ESCOLHA DO TIPO DAS PARTÍCULAS MAGNÉTICAS ........................................................ 71

2.10 PROCEDIMENTO PARA ENSAIO.............................................................................73

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2.11 CALIBRAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS ......................................................................81 2.12 CRITÉRIO DE ACEITAÇÃO DAS INDICAÇÕES ..........................................................82

2.12.1 CRITÉRIO DE ACEITAÇÃO CONFORME O CÓDIGO ASME ............................................ 82 2.12.2 CRITÉRIO DE ACEITAÇÃO DE SOLDAS CONFORME O CÓDIGO AWS D1.1.................... 83

2.13 REGISTRO DAS INDICAÇÕES.................................................................................85 2.13.1 DESCRIÇÃO ESCRITA................................................................................................ 85 2.13.2 FITA TRANSPARENTE................................................................................................ 85 2.13.3 SPRAY PLÁSTICO ..................................................................................................... 85 2.13.4 PROCESSO FOTOGRÁFICO ........................................................................................ 86

2.14 SEGURANÇA NO ENSAIO......................................................................................87 2.14.1 INFLAMABILIDADE..................................................................................................... 87 2.14.2 RISCOS DE INALAÇÃO............................................................................................... 88 2.14.3 RISCOS À ELETRICIDADE .......................................................................................... 88 2.14.4 LUZ ULTRAVIOLETA.................................................................................................. 88 2.14.5 ADAPTAÇÃO AO AMBIENTE ESCURECIDO .................................................................. 88

3 ENSAIO POR ULTRA-SOM................................................................................. 89

3.1 PRINCÍPIOS BÁSICOS DO MÉTODO .......................................................................89 3.1.1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 89 3.1.2 FINALIDADE DO ENSAIO ................................................................................................ 90 3.1.3 CAMPO DE APLICAÇÃO ................................................................................................. 91

3.2 LIMITAÇÕES EM COMPARAÇÃO COM OUTROS ENSAIOS.........................................91 3.2.1 VANTAGENS EM RELAÇÃO A OUTROS ENSAIOS ............................................................. 92 3.2.2 LIMITAÇÕES EM RELAÇÃO A OUTROS ENSAIOS.............................................................. 92

3.3 VIBRAÇÕES MECÂNICAS ......................................................................................93 3.3.1 TIPOS DE ONDAS .......................................................................................................... 93 3.3.2 FREQÜÊNCIA, VELOCIDADE E COMPRIMENTO DE ONDA .................................................. 97 3.3.3 RELAÇÕES ENTRE VELOCIDADE, COMPRIMENTO DE ONDA E FREQÜÊNCIA. ..................... 98 3.3.4 DEFINIÇÕES DE BELL, DECIBELL E GANHO .................................................................... 99 3.3.5 PROPAGAÇÃO DAS ONDAS ACÚSTICAS NO MATERIAL.................................................. 101 3.3.6 CAMPO LONGÍNQUO OU DISTANTE OU ZONA DE FRAUNHOFER...................................... 102 3.3.7 ATENUAÇÃO SÔNICA .................................................................................................. 103 3.3.8 DIVERGÊNCIA DO FEIXE SÔNICO.................................................................................. 104 3.3.9 GERAÇÃO DAS ONDAS ULTRA-SÔNICAS...................................................................... 106 3.3.10 TRANSDUTORES NORMAIS OU RETOS...................................................................... 108 3.3.11 TRANSDUTORES ANGULARES ................................................................................. 109 3.3.12 TRANSDUTORES DUPLO-CRISTAL OU SE ................................................................ 110

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3.3.13 ACOPLANTES ......................................................................................................... 111 3.3.14 DIAGRAMAS AVG OU DGS..................................................................................... 112

3.4 TÉCNICAS DE INSPEÇÃO ....................................................................................115 3.4.1 TÉCNICA DE IMPULSO-ECO OU PULSO-ECO ................................................................. 115 3.4.2 TÉCNICA DE TRANSPARÊNCIA ..................................................................................... 116

3.5 APARELHAGEM..................................................................................................117 3.5.1 DESCRIÇÃO DO APARELHO BÁSICO DE ULTRA-SOM .................................................... 118 3.5.2 CUIDADOS REFERENTES À CALIBRAÇÃO ..................................................................... 123 3.5.3 EXEMPLO DE VERIFICAÇÃO DO CONTROLE DE GANHO DO APARELHO DE ULTRA-SOM .. 126 3.5.4 CUIDADOS NO USO DE TRANSDUTORES ANGULARES ................................................... 127 3.5.5 CUIDADOS NO MANUSEIO DOS CONTROLES DO APARELHO .......................................... 127 3.5.6 CUIDADOS COM AS BATERIAS ..................................................................................... 127 3.5.7 CALIBRAÇÃO E BLOCOS PADRÃO................................................................................ 128 3.5.8 FORMAS DE APRESENTAÇÃO DAS INDICAÇÕES NA TELA DOS APARELHOS.................... 129

3.6 PROCEDIMENTOS ESPECÍFICOS DE INSPEÇÃO ....................................................131 3.6.1 PROCEDIMENTO PARA INSPEÇÃO DE SOLDAS .............................................................. 131 3.6.2 PREPARAÇÃO DAS SUPERFÍCIES DE VARREDURA......................................................... 131 3.6.3 CALIBRAÇÃO DA SENSIBILIDADE DO APARELHO........................................................... 132 3.6.4 PREPARAÇÃO DA CURVA DE CORREÇÃO DISTÂNCIA AMPLITUDE (DAC) E AJUSTE A

SENSIBILIDADE DO ENSAIO....................................................................................................... 134 3.6.5 DETERMINAÇÃO DO FATOR DE CORREÇÃO DA TRANSFERÊNCIA ................................... 135 3.6.6 REALIZAÇÃO DA INSPEÇÃO ......................................................................................... 136 3.6.7 VISUALIZAÇÃO DA ÁREA DE INTERESSE NA TELA DO APARELHO .................................. 137 3.6.8 DELIMITAÇÃO DA EXTENSÃO DA DESCONTINUIDADE..................................................... 138

3.7 AVALIAÇÃO E CRITÉRIOS DE ACEITAÇÃO ...........................................................140 3.7.1 CRITÉRIO DE ACEITAÇÃO DE JUNTAS SOLDADAS, CONFORME CÓDIGO ASME SEC. VIII DIV.1 AP.12. (TRADUÇÃO LIVRE).............................................................................................. 140

4 TRATAMENTOS TÉRMICOS...............................................................................141

4.1 INTRODUÇÃO.....................................................................................................141 4.2 RECOZIMENTO...................................................................................................143

4.2.1 RECOZIMENTO PLENO OU SIMPLESMENTE RECOZIMENTO............................................. 143 4.2.2 RECOZIMENTO SUBCRÍTICO E ALÍVIO DE TENSÕES ....................................................... 145 4.2.3 ESFEROIDIZAÇÃO........................................................................................................ 146 4.2.4 RECOZIMENTO PARA USINABILIDADE ........................................................................... 147 4.2.5 RECOZIMENTO DE PEÇAS FUNDIDAS............................................................................ 147

4.3 PROTEÇÃO DA SUPERFÍCIE ................................................................................148

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4.4 NORMALIZAÇÃO ................................................................................................151 4.5 TÊMPERA ..........................................................................................................153

4.5.1 MEIOS DE TÊMPERA.................................................................................................... 154 4.5.2 TENSÕES NA TÊMPERA ............................................................................................... 158

4.6 TEMPERABILIDADE (HARDENABILITY).................................................................161 4.6.1 TAXA DE RESFRIAMENTO CRÍTICO ............................................................................... 161 4.6.2 ENSAIO GROSSMANN.................................................................................................. 162 4.6.3 ENSAIO JOMINY .......................................................................................................... 163 4.6.4 FATORES QUE AFETAM A TEMPERABILIDADE ............................................................... 165 4.6.5 TÉCNICAS PARA SE REVELAR O CONTORNO DO GRÃO AUSTENÍTICO ............................ 166 4.6.6 CRESCIMENTO DO GRÃO AUSTENÍTICO........................................................................ 167

4.7 REVENIMENTO ...................................................................................................170 4.7.1 EFEITO NAS PROPRIEDADES........................................................................................ 170 4.7.2 TRANSFORMAÇÕES NO REVENIMENTO DE AÇOS CARBONO .......................................... 173 4.7.3 REVENIMENTO MÚLTIPLO............................................................................................ 175 4.7.4 FRAGILIDADE DO REVENIDO ........................................................................................ 175

4.8 MARTÊMPERA ...................................................................................................176 4.9 AUSTÊMPERA....................................................................................................179 4.10 AUSTENITA RETIDA ...........................................................................................181 4.11 TÊMPERA SUPERFICIAL .....................................................................................181

4.11.1 AQUECIMENTO INDUTIVO ........................................................................................ 181 4.11.2 AQUECIMENTO POR CHAMA .................................................................................... 184

4.12 SOLUBILIZAÇÃO (RECOZIMENTO PARA SOLUBILIZAÇÃO) ....................................187 4.13 ENVELHECIMENTO .............................................................................................189 4.14 EXEMPLOS DE MICROESTRUTURAS OBTIDAS COM TRATAMENTOS TÉRMICOS .....191

5 CLASSIFICAÇÃO E SELEÇÃO DE AÇOS .............................................................198

5.1 CLASSIFICAÇÃO E ESPECIFICAÇÃO ....................................................................199 5.2 AÇOS ESTRUTURAIS..........................................................................................202

5.2.1 VERGALHÕES PARA CONCRETO .................................................................................. 204 5.2.2 CHAPAS E PERFIS ESTRUTURAIS................................................................................. 205

5.3 AÇOS DE ALTA RESISTÊNCIA E BAIXA LIGA (ARBL) ..........................................206 5.4 AÇOS PARA EMBUTIMENTO E ESTAMPAGEM.......................................................208 5.5 AÇOS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA ...............................................................210

5.5.1 O SISTEMA ABNT ...................................................................................................... 210 5.5.2 SELEÇÃO BASEADA NA TEMPERABILIDADE.................................................................. 213

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5.5.3 TEOR DE CARBONO DO AÇO ....................................................................................... 221 5.5.4 REVENIMENTO ............................................................................................................ 222 5.5.5 AÇOS LIGADOS X AÇOS CARBONO.............................................................................. 223 5.5.6 EXEMPLOS DE SELEÇÃO POR TEMPERABILIDADE ......................................................... 224 5.5.7 AÇOS DE ULTRA-AITA RESISTÊNCIA............................................................................ 228

5.6 AÇOS PARA CARBONETAÇÃO ............................................................................229 5.7 AÇOS PARA MOLAS...........................................................................................230 5.8 AÇOS PARA FERRAMENTAS...............................................................................232

5.8.1 CLASSIFICAÇÃO.......................................................................................................... 232 5.8.2 SELEÇÃO ................................................................................................................... 234 5.8.3 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DAS FAMÍLIAS AISI ...................................................... 234

5.8.3.1 Aços para Trabalho a Frio ........................................................................................................... 236 5.8.4 A ESCOLHA DO AÇO FERRAMENTA ............................................................................. 243

5.9 AÇOS INOXIDÁVEIS ............................................................................................249 5.9.1 INOXIDÁVEIS MARTENSÍTICOS...................................................................................... 251 5.9.2 INOXIDÁVEIS FERRÍTICOS ............................................................................................ 252 5.9.3 INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICOS ........................................................................................ 253 5.9.4 RESISTÊNCIA À CORROSÃO......................................................................................... 256

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.......................................................................262

7 LEITURAS ADICIONAIS ....................................................................................267

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1 ENSAIO POR LÍQUIDOS PENETRANTES 1.1 INTRODUÇÃO

O ensaio por líquidos penetrantes é um método desenvolvido especialmente para

a detecção de descontinuidades essencialmente superficiais, e ainda que estejam

abertas na superfície do material.

Este método, se iniciou antes da primeira guerra mundial, principalmente pela

indústria ferroviária na inspeção de eixos, porém tomou impulso quando em 1942,

nos EUA, foi desenvolvido o método de penetrantes fluorescentes. Nesta época, o

ensaio foi adotado pelas indústrias aeronáuticas, que trabalhando com ligas não

ferrosas, necessitavam de um método de detecção de defeitos superficiais

diferentes do ensaio por partículas magnéticas (não aplicável a materiais não

magnéticos). A partir da segunda guerra mundial, o método foi se desenvolvendo,

através da pesquisa e o aprimoramento de novos produtos utilizados no ensaio,

até seu estágio atual.

1.2 FINALIDADE DO ENSAIO

O ensaio por líquidos penetrantes presta-se a detectar descontinuidades

superficiais e que sejam abertas na superfície, tais como trincas, poros, dobras,

etc.. podendo ser aplicado em todos os materiais sólidos e que não sejam

porosos ou com superfície muito grosseira.

É muito usado em materiais não magnéticos como alumínio, magnésio, aços

inoxidáveis austeníticos, ligas de titânio, e zircônio, além dos materiais

magnéticos. É também aplicado em cerâmica vitrificada, vidro e plásticos.

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1.3 PRINCÍPIOS BÁSICOS

O método consiste em fazer penetrar na abertura da descontinuidade um líquido.

Após a remoção do excesso de líquido da superfície, faz-se sair da

descontinuidade o líquido retido através de um revelador. A imagem da

descontinuidade fica então desenhada sobre a superfície.

Podemos descrever o método em seis etapas principais no ensaio, quais sejam:

a) Preparação da superfície - Limpeza inicial

Antes de se iniciar o ensaio, a superfície deve ser limpa e seca. Não devem existir

água, óleo ou outro contaminante. Contaminantes ou excesso de rugosidade,

ferrugem, etc, tornam o ensaio não confiável.

Figura 1.1

b) Aplicação do Penetrante:

Consiste na aplicação de um líquido chamado penetrante, geralmente de cor

vermelha, de tal maneira que forme um filme sobre a superfície e que por ação do

fenômeno chamado capilaridade penetre na descontinuidade. Deve ser dado um

certo tempo para que a penetração se complete.

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Figura 1.2

c) Remoção do excesso de penetrante.

Consiste na remoção do excesso do penetrante da superfície, através de

produtos adequados, condizentes com o tipo de líquido penetrante aplicado,

devendo a superfície ficar isenta de qualquer resíduo na superfície.

Figura 1.3

d) Revelação

Consiste na aplicação de um filme uniforme de revelador sobre a superfície. O

revelador é usualmente um pó fino (talco) branco. Pode ser aplicado seco ou em

suspensão, em algum líquido. O revelador age absorvendo o penetrante das

descontinuidades e revelando-as. Deve ser previsto um determinado tempo de

revelação para sucesso do ensaio.

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Figura 1.4

e) Avaliação e Inspeção Após a aplicação do revelador, as indicações começam a serem observadas,

através da mancha causada pela absorção do penetrante contido nas aberturas, e

que serão objetos de avaliação.

A inspeção deve ser feita sob boas condições de luminosidade, se o penetrante é

do tipo visível (cor contrastante com o revelador) ou sob luz negra, em área

escurecida, caso o penetrante seja fluorescente.

A interpretação dos resultados deve ser baseada no código de fabricação da peça

ou norma aplicável ou ainda na especificação técnica do cliente.

Nesta etapa deve ser preparado um relatório escrito que mostre as condições do

ensaio, tipo e identificação da peça ensaiada, resultado da inspeção e condição

de aprovação ou rejeição da peça.

Figura 1.5

12

f) Limpeza pós-ensaio A última etapa, geralmente obrigatória, é a limpeza de todos os resíduos de

produtos, que podem prejudicar uma etapa posterior de trabalho da peça

(soldagem, usinagem, etc.).

1.4 VANTAGENS E LIMITAÇÕES DO ENSAIO EM COMP. COM OUTROS MÉTODOS

1.4.1 VANTAGENS

Poderíamos dizer que a principal vantagem do método é a sua simplicidade. É

fácil de fazer e de interpretar os resultados. O aprendizado é simples, requer

pouco tempo de treinamento do inspetor.

Como a indicação assemelha-se a uma fotografia do defeito, é muito fácil de

avaliar os resultados. Em contrapartida o inspetor deve estar ciente dos cuidados

básicos a serem tomados (limpeza, tempo de penetração, etc), pois a

simplicidade pode se tornar uma faca de dois gumes.

Não há limitação para o tamanho e forma das peças a ensaiar, nem tipo de

material; por outro lado, as peças devem ser susceptíveis à limpeza e sua

superfície não pode ser muito rugosa e nem porosa.

O método pode revelar descontinuidades (trincas) extremamente finas (da ordem

de 0,001 mm de abertura).

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1.4.2 LIMITAÇÕES

Só detecta descontinuidades abertas para a superfície, já que o penetrante tem

que entrar na descontinuidade para ser posteriormente revelado. Por esta razão,

a descontinuidade não deve estar preenchida com material estranho.

A superfície do material não pode ser porosa ou absorvente já que não haveria

possibilidade de remover totalmente o excesso de penetrante, causando

mascaramento de resultados.

A aplicação do penetrante deve ser feita numa determinada faixa de temperatura.

Superfícies muito frias (abaixo de 10oC) ou muito quentes (acima de 52oC) não

são recomendáveis ao ensaio.

Algumas aplicações das peças em inspeção fazem com que a limpeza seja

efetuada da maneira mais completa possível após o ensaio (caso de maquinaria

para indústria alimentícia, material a ser soldado posteriormente, etc).

Este fato pode tornar-se limitativo ao exame, especialmente quando esta limpeza

for difícil de fazer.

Figura 1.6

14

1.5 PROPRIEDADES DOS PRODUTOS E PRINCÍPIOS FÍSICOS

1.5.1 PROPRIEDADES FÍSICAS DO PENETRANTE

O nome “penetrante” vem da propriedade essencial que este produto deve ter, ou

seja, sua habilidade de penetrar em aberturas finas. Um produto penetrante com

boas características deve:

a) ter habilidade para rapidamente penetrar em aberturas finas;

b) ter habilidade de permanecer em aberturas relativamente grandes;

c) não evaporar ou secar rapidamente;

d) ser facilmente limpo da superfície onde for aplicado;

e) em pouco tempo, quando aplicado o revelador, sair das descontinuidades onde

tinha penetrado;

f) ter habilidade em espalhar-se nas superfícies, formando camadas finas;

g) ter um forte brilho (cor ou fluorescente);

h) a cor ou a fluorescência deve permanecer quando exposto ao calor, luz ou luz

negra;

i) não reagir com sua embalagem nem com o material a ser testado;

j) não ser facilmente inflamável;

k) ser estável quando estocado ou em uso;

l) não ser demasiadamente tóxico;

m) ter baixo custo.

Para que o penetrante tenha as qualidades acima, é necessário que certas

propriedades estejam presentes. Dentre elas destacam-se:

a) Viscosidade

Esta propriedade por si só não define um bom ou mal penetrante (quando falamos

em bom ou mal penetrante nos referimos a sua habilidade em penetrar nas

descontinuidades). A intuição nos diz que um líquido menos viscoso seria melhor

penetrante que um mais viscoso. Isto nem sempre é verdadeiro, pois a água que

tem baixa viscosidade não é um bom penetrante. Todavia, a viscosidade tem

efeito em alguns aspectos práticos do uso do penetrante. Ele é importante na

velocidade com que o penetrante entra num defeito. Penetrantes mais viscosos

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demoram mais a penetrar nas descontinuidades. Penetrantes pouco viscosos têm

a tendência de não permanecerem muito tempo sobre a superfície da peça, o que

pode ocasionar tempo insuficiente para penetração.

Líquidos de alta viscosidade têm a tendência de serem retirados dos defeitos

quando se executa a limpeza do excesso.

b) Tensão superficial

A tensão superficial de um líquido é o resultado das forças de coesão entre as

moléculas que formam a superfície do líquido. Observem a figura abaixo, o líquido

1 possui menor tensão superficial que os outros dois, e o líquido 3 é o que possui

a mais alta tensão superficial, lembrando o mercúrio como exemplo.

Figura 1.7 - Comparação entre 3 líquidos com propriedades de tensão superficial diferentes.

Um líquido com baixa tensão superficial é melhor penetrante, pois ele tem a

habilidade de penetrar nas descontinuidades.

Líquido Viscosidade (centistoke)

Tensão Superficial (Din/ cm)

água 1,0 72,8 éter 0,3 17,0 nafta 0,6 21,8 querosene 1,6 23,0 óleo lubrificante 112,3 31,0 álcool etílico 1,5 23,0

Tabela 1.1 - Características de alguns líquidos à 20ºC

c) Molhabilidade

É a propriedade que um líquido tem em se espalhar por toda a superfície, não se

juntando em porções ou gotas. Melhor a molhabilidade, melhor o penetrante.

d) Volatibilidade

Podemos dizer, como regra geral, que um penetrante não deve ser volátil, porém

devemos considerar que para derivados de petróleo, quanto maior a

volatibilidade, maior a viscosidade. Como é desejável uma viscosidade média, os

penetrantes são mediamente voláteis. A desvantagem é que quanto mais volátil o

penetrante, menos tempo de penetração pode ser dado. Por outro lado, ele tende

a se volatilizar quando no interior do defeito.

e) Ponto de fulgor

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Ponto de fulgor é a temperatura na qual há uma quantidade tal de vapor na

superfície do líquido que a presença de uma chama pode inflamá-lo. Um

penetrante bom deve ter um alto ponto de fulgor (acima de 200°C). A tabela 2

mostra os pontos de fulgor de alguns líquidos, para comparação. Esta

propriedade é Importante quando considerações sobre a segurança estão

relacionadas à utilização do produto. Líquido Ponto de Fulgoracetona -18ºC

nafta -1ºC álcool metílico 12ºC álcool etílico 14ºC

glicerina 160ºC Tabela 1.2- Pontos de Fulgor de alguns líquidos

f) Inércia química

É obvio que um penetrante deve ser não inerte e não corrosivo com o material a

ser ensaiado ou com sua embalagem quando possível. Os produtos oleosos não

apresentam perigo. A exceção é quando existem emulsificantes alcalinos.

Quando em contato com água vai se formar uma mistura alcalina.

Numa inspeção de alumínio ou magnésio, caso a limpeza final não seja bem executada, pode haver aparecimento após um certo período de corrosão na forma de “pitting”.

Quando se trabalha com ligas à base de níquel, requer-se um penetrante com

baixos teores de alguns elementos prejudiciais.

g) Habilidade de dissolução

Os penetrantes incorporam o produto corante ou fluorescente que deve estar o

mais possível dissolvido. Portanto, um bom penetrante deve ter a habilidade de

manter dissolvidos estes agentes.

h) Toxidez

Evidentemente um bom penetrante não pode ser tóxico, possuir odor exagerado e

nem causar irritação na pele.

i) Penetrabilidade

Apesar de penetrabilidade (capacidade de penetrar em finas descontinuidades)

não seja a única qualidade do líquido, a penetrabilidade está intimamente ligada

às forças de atração capilar - capilaridade. Estas forças são aquelas que fazem

um líquido penetrar espontaneamente num tubo de pequeno diâmetro. Observem

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a figura abaixo, o líquido 1 consegue penetrar até uma altura h1 no tubo capilar,

enquanto que o líquido 2 consegue penetrar a uma altura h2, menor que h1, no

mesmo tubo capilar. Assim, o líquido 1 possuirá melhor características de

penetrabilidade nas descontinuidades, que o líquido 2, uma vez que as finas

aberturas se comportam como o tubo capilar.

Figura 1.8 - Comparação entre dois líquidos com propriedade de capacidade diferentes.

A capilaridade é função da tensão superficial do líquido e de sua molhabilidade. A abertura da descontinuidade afetará a força capilar - menor a abertura (mais fina uma trinca) maior a força.

1.5.2 SENSIBILIDADE DO PENETRANTE

Sensibilidade do penetrante é sua capacidade de detectar descontinuidades.

Podemos dizer que um penetrante é mais sensível que outro quando, para

aquelas descontinuidades em particular, o primeiro detecta melhor os defeitos que

o segundo.

Os fatores que afetam a sensibilidade são:

Capacidade de penetrar na descontinuidade;

Capacidade de ser removido da superfície, mas não do defeito;

Capacidade de ser absorvido pelo revelador;

Capacidade de ser visualizado quando absorvido pelo revelador, mesmo em

pequenas quantidades.

Algumas normas técnicas classificam os líquidos penetrantes quanto à visibilidade

e tipo de remoção, conforme tabela 3, abaixo: MÉTODOS TIPOS quanto à visibilidade Água Pós-Emulsificável Solvente

“TIPO I” (Fluorescente) A B (hidrofílico) D (lipofílico) C

TIPO II (luz normal) A - C

18

Tabela 1.3- OBS.: Classificação conforme Código ASME Sec. V - SE-165

Os líquidos penetrantes devem se analisados quanto aos teores de

contaminantes, tais como enxofre, flúor e cloro quando sua aplicação for efetuada

em materiais inoxidáveis austeníticos, titânio e ligas a base de níquel. O

procedimento e os limites aceitáveis para estas análises, devem ser de acordo

com a norma aplicável de inspeção do material ensaiado.

Figura 1.9

1.5.3 PROPRIEDADES DO REVELADOR

Um revelador com boas características deve:

ter ação de absorver o penetrante da descontinuidade;

servir com uma base por onde o penetrante se espalhe - granulação fina;

servir para cobrir a superfície evitando confusão com a imagem do defeito

formando uma camada fina e uniforme;

deve ser facilmente removível;

não deve conter elementos prejudiciais ao operador e ao material que esteja

sendo inspecionado;

Classificam-se os reveladores conforme segue:

a) pós-secos.

Foram os primeiros e continuam a ser usado com penetrantes fluorescentes. Os

primeiros usados compunham-se de talco ou giz. Atualmente os melhores

reveladores consistem de uma combinação cuidadosamente selecionada de pós.

Os pós devem ser leves e fofos. Devem aderir em superfícies metálicas numa

camada fina, se bem que não devem aderir em excesso, já que seriam de difícil

remoção. Por outro lado, não podem flutuar no ar, formando uma poeira. Os

cuidados devem ser tomados para proteger o operador. A falta de confiabilidade

deste tipo de revelador torna o seu uso muito restrito.

19

b) Suspensão aquosa de pós

Geralmente usado em inspeção pelo método fluorescente. A suspensão aumenta

a velocidade de aplicação quando pelo tamanho da peça pode-se mergulhá-la na

suspensão. Após aplicação a peça é seca em estufa, o que diminui o tempo de

secagem. É um método que pode se aplicar quando se usa inspeção automática.

A suspensão deve conter agentes dispersantes, inibidores de corrosão, agentes

que facilitam a remoção posterior.

c) Solução aquosa

A solução elimina os problemas que eventualmente possam existir com a

suspensão (dispersão, etc). Porém, materiais solúveis em água geralmente não

são bons reveladores. Deve ser adicionado à solução inibidor de corrosão e a

concentração deve ser controlada, pois há evaporação. Sua aplicação deve ser

feita através de pulverização.

d) Suspensão do pó revelador em solvente

É um método muito efetivo para se conseguir uma camada adequada (fina e

uniforme) sobre a superfície. Como os solventes volatilizam rapidamente, existe

pouca possibilidade de escorrimento do revelador até em superfícies em posição

vertical. Sua aplicação deve ser feita através de pulverização. Os solventes

devem evaporar rapidamente e ajudar a retirar o penetrante das descontinuidades

dando mais mobilidade a ele. Exemplos de solventes são: álcool, solventes

clorados (não inflamáveis). O pó tem normalmente as mesmas características do

método de pó seco.

Os reveladores devem se analisados quanto aos teores de contaminantes, tais

como enxofre, flúor e cloro, quando sua aplicação for efetuada em materiais

inoxidáveis austeníticos, titânio e ligas a base de níquel. O procedimento e os

limites aceitáveis para estas análises, devem ser de acordo com a norma

aplicável de inspeção do material ensaiado.

20

Figura 1.10 - Resultado do ensaio por líquidos penetrantes de uma peça fundida.

1.6 PROCEDIMENTO PARA ENSAIO

Neste capítulo em detalhes as etapas básicas do ensaio, a influência da

temperatura, as correções de deficiências de execução do ensaio e a maneira de

registrar os dados do mesmo. É importante salientar, que a aplicação do método

de inspeção por líquidos penetrantes deve sempre ser feita através de um

procedimento previamente elaborado e aprovado, contendo todos os parâmetros

essenciais do ensaio baseado na norma ou especificação aplicável ao produto a

ser inspecionado. As informações técnicas a seguir estão baseadas no Código

ASME Sec. V Artigo 6.

1.6.1 PREPARAÇÃO DA SUPERFÍCIE

A primeira etapa a ser seguida na realização do ensaio é verificação das

condições superficiais da peça. Deverá estar isenta de resíduos, sujeiras, óleo,

graxa e qualquer outro contaminante que possa obstruir as aberturas a serem

detectadas. Caso a superfície seja lisa, preparação prévia será facilitada. É o caso de peças

usinadas, lixadas, etc.. Este fator é inerente ao processo de fabricação.

Superfícies excessivamente rugosas requerem uma preparação prévia mais

eficaz, pois as irregularidades superficiais certamente prejudicarão a perfeita

aplicação do penetrante, a remoção do excesso e, portanto, o resultado final.

As irregularidades irão dificultar a remoção, principalmente no método manual.

Além do mascaramento dos resultados, há a possibilidade de que partes dos

21

produtos de limpeza fiquem aderidas à peça (fiapos de pano). Numa operação de

esmerilhamento, um cuidado adicional deve estar presente. Deve-se evitar

causar, por exemplo, sulcos sobre a peça, erro muito comum na preparação de

soldas.

1.6.2 MÉTODOS DE LIMPEZA DA SUPERFÍCIE

O sucesso do método depende dos defeitos estarem abertos à superfície. A

limpeza, portanto, é de fundamental importância. Todo produto de corrosão,

escória, pinturas, óleo, graxa, etc... Deve estar removido da superfície.

Pode-se utilizar o solvente que faz parte dos “kits” de ensaio ou solventes

disponíveis no mercado, tal como thinner, ou ainda outro produto qualificado.

Neste caso, deve-se dar suficiente tempo para que o solvente utilizado evapore-

se das descontinuidades, pois sua presença pode prejudicar o teste. Dependendo

da temperatura ambiente e do método utilizado, este tempo pode variar.

Pode-se utilizar o desengraxamento por vapor, para remoção de óleo, graxa; ou

ainda limpeza química, solução ácida ou alcalina, escovamento manual ou

rotativo, removedores de pintura, ultra-som, detergentes.

Peças limpas com produtos a base de água, a secagem posterior é muito

importante. Cuidados também são importantes para evitar corrosão das

superfícies. Os processos de jateamento, lixamento e aqueles que removem

metal (esmerilhamento), devem ser evitados, pois tais processos podem bloquear

as aberturas da superfície e impedir a penetração do produto penetrante.

Entretanto, tais métodos de limpeza podem em alguns processos de fabricação

do material a ensaiar, serem inevitáveis e inerentes a estes processos.

Esta etapa é muito importante e o operador deve ter consciência de que o

material na área de interesse esteja aparente, sem óxidos ou qualquer sujeira que

possa mascarar a observação da descontinuidade.

1.6.3 TEMPERATURA DA SUPERFÍCIE E DO LÍQUIDO PENETRANTE

Poderíamos dizer que a temperatura ótima de aplicação do penetrante é de 20°C

e as superfícies não devem estar abaixo de 10°C. Temperaturas ambientes mais

22

altas (acima de 52°C) aumentam a evaporação dos constituintes voláteis do

penetrante, tornando-o insuficiente. Acima de certo valor (> 100°C) há o risco de

inflamar.

A observação e controle da temperatura é um fator de grande importância, que

deve estar claramente mencionado no procedimento de ensaio. 1.6.4 APLICAÇÃO DO PENETRANTE

O penetrante pode ser aplicado em “spray”, por pincelamento, com rolo de pintura

ou mergulhando-se as peças em tanques. Este último processo é válido para

pequenas. Neste caso as peças são colocadas em cestos. Deve-se escolher um

processo de aplicação do penetrante, condizente com as dimensões das peças e

com o meio ambiente em que será aplicado o ensaio. Por exemplo: peças

grandes,e ambientes fechados, em que o inspetor escolha o método de aplicação

do penetrante por pulverização, certamente isto será um transtorno tanto para as

pessoas que trabalhem próximo ao local, assim como para o próprio inspetor.

Figura 1.11 - Aplicação do penetrante com pincel.

1.6.5 TEMPO DE PENETRAÇÃO

É o tempo necessário para que o penetrante entre dentro das descontinuidades.

Este tempo varia em função do tipo do penetrante, material a ser ensaiado,

temperatura, e deve estar de acordo com a norma aplicável de inspeção do

produto a ser ensaiado.

A tabela 4 abaixo, descreve tempos mínimos de penetração apenas para

referência, Os tempos de penetração corretos devem estar de acordo com a

norma aplicável de fabricação/ inspeção do material ensaiado. A título de

23

ilustração podemos citar que o Código ASME Sec.V Art.6 recomenda

temperaturas de 10 a 52 °C e o ASTM E-165 recomenda temperaturas de 10 a

38oC para penetrantes fluorescentes e de 10 a 52 oC para penetrantes visíveis

com luz normal.

1.6.6 REMOÇÃO DO EXCESSO DE PENETRANTE

Os penetrantes não laváveis em água são quase sempre utilizados para

inspeções locais e estes são mais bem removidos com panos secos ou

umedecidos com solvente. Papel seco ou pano seco é satisfatório para

superfícies lisas. A superfície deve estar completamente livre de penetrante,

senão haverá mascaramento dos resultados.

Deve-se tomar o cuidado para não usar solvente em excesso, já que isto pode

causar a retirada do penetrante das descontinuidades. Geralmente uma limpeza

grosseira com pano e papel levemente embebido em solvente, seguido de uma

limpeza feita com pano ou papel seco ou com pouco de solvente é satisfatória.

Quando as peças são inteiramente umedecidas com solvente a limpeza manual é

demorada e difícil. Neste caso pode-se mergulhar a peça em banho de solvente,

com o inconveniente de que algum penetrante pode ser removido das

descontinuidades. Este método só deve ser usado com muito cuidado e levando-

se em conta esta limitação.

Quando se usa o tipo lavável em água, a lavagem com jato de água é satisfatória.

O jato deve ser grosso para aumentar sua eficiência ou por spray. Após lavagem

com água, a peça deve ser seca com, por exemplo, ar comprimido. A remoção

usando solvente a secagem pode ser feita por evaporação natural.

24

Figura 1.12

1.6.7 REVELAÇÃO

A camada de revelador deve ser fina e uniforme. Pode ser aplicada com spray, no

caso de inspeção manual. Peças que foram totalmente revestidas com penetrante

são mais difíceis para se manter uma camada uniforme de revelador. O melhor

método neste caso é o spray.

Figura 1.13

Tempo de Espera A mín. Material Forma Tipo de

Descontinuidade Penetrante B Revelador C alumínio, magnésio, aço, bronze, titanium, altas ligas

fundidos e soldas

porosidade, trincas, (todas as formas) falta de fusão, gota fria

5 7

plásticos todas as formas trincas 5 7 vidros todas as formas trincas 5 7

cerâmicas todas as formas trincas, porosidade 5 7

A - Para temperaturas de 10 a 52oC B - O tempo necessário para a penetração deve ser conforme a orientação do fabricante. C - A revelação se inicia tão logo a cobertura do revelador estiver seca sobre a superfície da peça. O tempo máximo para revelação deve ser não menor que 10 minutos. O máximo tempo permitido para revelação é de 2 horas para reveladores aquosos e 1 hora para reveladores não aquosos.

25

1.6.8 SECAGEM E INSPEÇÃO

Deve ser dado um tempo suficiente para que a peça esteja seca antes de efetuar

a inspeção. Logo após o início da secagem, deve-se acompanhar a evolução das

indicações no sentido de definir e caracterizar o tipo de descontinuidade e

diferenciá-las entre linear ou arredondadas.

O tempo de revelação é variável de acordo com o tipo da peça, tipo de defeito a

ser detectado e temperatura ambiente. As descontinuidades finas e rasas

demoram mais tempo para serem observadas, ao contrário daquelas maiores e

que rapidamente mancham o revelador.

O tamanho da indicação a ser avaliada, é o tamanho da mancha observada no

revelador, após o tempo máximo de avaliação permitida pelo procedimento. Em

geral, tempos de avaliação entre 7 a 60 minutos são recomendados.

1.6.9 ILUMINAÇÃO

Como todos os exames dependem da avaliação visual do operador, o grau de

iluminação utilizada é extremamente importante. Iluminação errada pode induzir a

erro na interpretação. Além disso, uma iluminação adequada diminui a fadiga do

inspetor.

a) Iluminação com luz natural (branca): A luz branca utilizada é a convencional. Sua fonte pode ser: luz do sol, lâmpada

de filamento, lâmpada fluorescente ou lâmpada a vapor. Dirigindo a luz para a

área de inspeção com o eixo da lâmpada formando aproximadamente 90° em

relação a ela é a melhor alternativa. O fundo branco da camada de revelador faz

com que a indicação se torne escurecida. A intensidade da luz deve ser adequada

ao tipo de indicação que se quer ver, sendo ideal acima de 1000 Lux (conforme

recomendado pelo Código ASME Sec. V). O instrumento correto para medir a

intensidade de iluminação no local é o luxímetro, que deve estar calibrado na

unidade Lux.

b) Iluminação com Luz ultravioleta (“luz negra”): Podemos definir a luz “negra” como aquela que tem comprimento de onda menor

do que o menor comprimento de onda da luz visível. Ela tem a propriedade de

26

causar em certas substâncias o fenômeno da fluorescência. O material

fluorescente contido no penetrante tem a propriedade de em absorvendo a luz

“negra” emitir energia em comprimentos de onda maiores, na região de luz visível.

São usados filtros que eliminam os comprimentos de onda desfavoráveis (luz

visível e luz ultravioleta) permitindo somente aqueles de comprimento de onda de

3500 a 4000 Å. A intensidade de luz ultravioleta que se deve ter para uma boa

inspeção é de 1000 mW/ cm2. O instrumento para medir a luz UV é o radiômetro,

que deve estar calibrado na unidade "mW/ cm2".

Figura 1.14

1.6.10 LIMPEZA FINAL Após completado o exame, é necessário na maioria dos casos executar-se uma

limpeza final na peça, já que os resíduos de teste podem prejudicar o

desempenho das peças. Uma limpeza final com solvente geralmente é

satisfatória. Para peças pequenas a imersão das peças em banho de detergente

solventes, ou agentes químicos, geralmente é satisfatório.

27

1.6.11 IDENTIFICAÇÃO E CORREÇÃO DE DEFICIÊNCIAS DO ENSAIO

Alguns problemas de deficiência de técnicas de ensaio estão indicadas abaixo:

• preparação inicial inadequada da peça

• limpeza inicial inadequada

• cobertura incompleta da peça com penetrante

• remoção de excesso inadequada, causando mascaramento dos resultados

• escorrimento do revelador

• camada não uniforme do revelador

• revelador não devidamente agitado

• cobertura incompleta de revelador

O inspetor experiente deve, fase por fase, avaliar seu trabalho e detectar as

deficiências cujos exemplos são apontados acima. Após detectá-las estas devem

ser imediatamente corrigidas.

Observa-se que a deficiência mais comum consiste na remoção incompleta do

excesso, especialmente em ensaio manual. Esta é uma fase que deve ser

executada com o devido cuidado, especialmente se a superfície é bruta, ou caso

de soldas.

1.6.12 REGISTRO DE RESULTADOS

Ensaios de peças críticas devem ter seu resultado, além dos dados do teste

registrados em relatório, a fim de que haja uma rastreabilidade.

Este registro deve ser executado durante o ensaio ou imediatamente após

concluído o mesmo.

O relatório deve conter (em geral):

28

• descrição da peça, desenho, posição, etc., e estágio de fabricação;

• variáveis do teste; marca dos produtos, número do lote, temperatura de

aplicação tempo de penetração e avaliação;

• resultados do ensaio;

• laudo / disposição;

• assinatura do inspetor responsável e data.

Figura 1.15

29

1.7 AVALIAÇÃO E APARÊNCIA DAS INDICAÇÕES

1.7.1 AVALIAÇÃO DA DESCONTINUIDADE

Relembramos o conceito de descontinuidade e defeito: A descontinuidade deve

ser analisada à luz de algum padrão de aceitação, caso seja reprovável ela se

constituirá em um defeito. Ao se analisar a peça o operador deve ter consciência

de que o ensaio foi executado corretamente e as descontinuidades foram

verificadas contra o padrão de aceitação pré-estabelecido.

1.7.2 FATORES QUE AFETAM AS INDICAÇÕES

Como já foi analisado no capítulo anterior, vários são os fatores que podem afetar

a aparência das indicações tornar o ensaio não confiável. A fonte mais comum de

indicações falsas é a remoção inadequada do excesso de penetrante, o que

causa, às vezes, até impossibilidade de avaliação.

No caso dos métodos laváveis com água e pós emulsificável, a lavagem é de

fundamental importância. O uso da luz ultravioleta durante o processo de lavagem

é recomendado. Após lavagem, existem fontes que podem re-contaminar a peça,

tais como:

• penetrante nas mãos do inspetor

• penetrante que sai das descontinuidades de uma peça e passa para as

áreas boas de outra peça (caso de peças pequenas).

• penetrante na bancada de inspeção.

Deduz-se facilmente que cuidado no manuseio das peças e principalmente

limpeza são necessários para que o ensaio tenha sucesso. Independente das

indicações falsas existem as indicações não relevantes, que o inspetor deve

reconhecer. São indicações de realmente algo que existe no sentido de que elas

são causadas por descontinuidades da superfície da peça.

30

A maioria delas é fácil de reconhecer, porque provém diretamente do processo de

fabricação. Exemplos destas indicações são:

• pequenas inclusões de areia em fundidos

• marcas de esmerilhamento

• depressões superficiais

• imperfeições de matéria-prima

Apesar de facilmente reconhecíveis, há o perigo destes interferirem ou

mascararem um defeito. É necessário que o inspetor tenha o cuidado de verificá-

las cuidadosamente antes de aprová-las.

1.7.3 CATEGORIAS DE INDICAÇÕES VERDADEIRAS

Indicações em linha contínua Podem ser causados por trincas, dobras, riscos ou marcas de ferramentas.

Trincas geralmente aparecerem como linhas sinuosas, dobras de forjamento

como tem a aparência de linha fina.

Linha intermitente Podem ser causadas pelas mesmas descontinuidades acima. Quando a peça é

retrabalhada por esmerilhamento, martelamento, forjamento, usinagem, etc.,

porções das descontinuidades abertas à superfície podem ficar fechadas.

Arredondadas Causadas por porosidade ou por trinca muito profunda, resultante da grande

quantidade de penetrante que é absorvida pelo revelador.

Interrompidas finas e pequenas Causadas pela natureza porosa da peça ou por grãos excessivamente grosseiros

de um produto fundido.

Defeituosas Normalmente não são definidas tornando-se necessário re-ensaiar a peça. Às

vezes provém de porosidade superficial. Podem ser causadas por lavagem

insuficiente (falsas).

31

1.7.4 TIPOS E APARÊNCIAS DAS INDICAÇÕES POR PROCESSO DE FABRICAÇÃO

Fundidos Os principais defeitos que podem aparecer nos produtos fundidos são:

• trincas de solidificação (rechupes)

• micro rechupes

• porosidade

• gota fria

• inclusão de areia na superfície

• bolhas de gás

Forjados Defeitos típicos em forjados são:

• dobras (“lap”)

• rupturas (“tear”)

• fenda (“burst”)

• delaminação

Laminados Os laminados apresentam:

• delaminações,

• defeitos superficiais, como dobras de laminação, fenda, etc.

Roscados Apresentam: trincas

Materiais não metálicos Cerâmicos: trincas, porosidade.

32

Soldas podem apresentar:

• trincas superficiais;

• porosidade superficial;

• falta de penetração;

• mordeduras.

1.8 SEGURANÇA E PROTEÇÃO

1.8.1 LIMPEZA

Podemos dizer que as medidas de proteção pessoal contra eventuais problemas

de saúde causados por produtos utilizados no ensaio por líquido penetrante

iniciam-se como:

• conhecimento do inspetor a respeito do procedimento de ensaio;

• organização pessoal e em decorrência da limpeza da área de trabalho;

Manter a área de trabalho limpa e organizada é fundamental não só para a

proteção pessoal como para o sucesso do ensaio.

1.8.2 TOXIDADE, ASPIRAÇÃO EXAGERADA, VENTILAÇÃO, MANUSEIO

Toxidade é a propriedade de causar dano no corpo humano ou num material.

Praticamente todos os materiais para ensaio com líquidos penetrantes atualmente

disponíveis não apresentam grandes problemas de toxidade, mas certas

precauções são necessárias.

Uma aspiração exagerada dos produtos voláteis pode causar náusea e certas

dermatoses podem ocorrer quando há contato muito prolongado dos produtos

com a pele. Uma precaução básica é manter uma boa ventilação do local de

trabalho. Nestas condições é evitada a aspiração exagerada e elimina-se o

problema de uma eventual inflamação dos gases gerados (ver ponto de fulgor).

Como os materiais utilizados no ensaio apresentam propriedades detergentes,

33

eles tendem a dissolver óleos e gorduras. Portanto, o contato exagerado pode

causar rugosidade e vermelhão na pele.

Isto pode causar uma infecção causando irritações mais fortes. Deve-se tomar o

cuidado de lavar as mãos com bastante água corrente e sabão. O uso de luvas

em contatos prolongados é recomendável.

Se houver início de irritação, deve-se usar sobre o local atingido um creme ou

loção à base de gordura animal (lanolina).

1.8.3 LUZ ULTRAVIOLETA

A luz ultravioleta usada nos ensaios não apresenta sérios problemas de saúde, já

que seu comprimento de onda está por volta de 3600 Å.

1.9 CRITÉRIOS DE ACEITAÇÃO

O critério de aceitação de descontinuidades deve seguir a norma ou especificação

aplicável ao produto ou componente fabricado e inspecionado. A título de

exemplo, o critério de aceitação que segue abaixo, é uma tradução livre do

Código ASME Sec. VIII Div. 1 Apêndice 8, é aplicável para soldas e componentes

inspecionadas por líquidos penetrantes, e da norma CCH-70 aplicável a

superfícies fundidas acabadas.

ASME SEC.VIII DIV. 1 AP.8

1.9.1 AVALIAÇÃO DAS INDICAÇÕES

Uma indicação é uma evidência de uma imperfeição mecânica. Somente

indicações com dimensões maiores que 1/16 pol. (1,6 mm) deve ser considerada

como relevante.

Uma indicação linear é aquela tendo um comprimento maior que três vezes a

largura.

Uma indicação arredondada é aquela na forma circular ou elíptica com

comprimento igual ou menor que três vezes a largura.

Qualquer indicação questionável ou duvidosa deve ser reinspecionada para

34

determinar se indicações relevantes estão ou não presentes.

1.9.2 CRITÉRIO DE ACEITAÇÃO

Toda as superfícies devem estar livres de:

• indicações relevantes lineares;

• indicações relevantes arredondadas maiores que 3/16 pol. (4,8 mm);

• quatro ou mais indicações relevantes arredondadas em linha separadas

por 1/16 pol. (1,6mm) ou menos (de borda a borda);

uma indicação de uma imperfeição pode ser maior que a imperfeição, entretanto,

o tamanho da indicação é a base para a avaliação da aceitação.

1.9.3 ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA PARA LÍQUIDOS PENETRANTES - CCH-70 / PT 70-2

Esta norma é geralmente utilizada na inspeção de fundidos na condição acabado,

ou ainda para inspeção de áreas abertas para reparos.

35

1.9.4 AVALIAÇÃO DAS INDICAÇÕES

Indicações isoladas abaixo de 1,5mm não devem ser consideradas para efeito de

avaliação.

Indicações Lineares: Indicações com comprimento maior ou igual a três vezes a largura será

considerada como linear.

Figura 1.16

Indicações Arredondadas Indicações com comprimento menor que três vezes a largura será considerada

arredondada.

Figura 1.17

Indicações alinhadas: São indicações agregadas em L com dimensões acima de 1,5mm arredondadas,

separadas entre si de 2mm ou menos.

Figura 1.18

36

1.9.5 CRITÉRIO DE ACEITAÇÃO A área inspecionada será avaliada e classificada por comparação com cinco

classes de qualidade numeradas de 1 a 5, em ordem decrescente de qualidade.

A área de referência para avaliação é de 1dm2 (100cm2) na forma quadrada ou

retangular com lado não superior a 250mm.

Classe 1 de Qualidade • Nenhuma indicação arredondada com dimensão a > 3mm ;

• Nenhuma indicação linear;

• Nenhuma indicação alinhada;

• A superfície total de indicações menor ou igual a 10mm2/ dm2

Classe 2 de Qualidade • Nenhuma indicação arredondada com dimensão a > 4mm;








• Classe 4 de Qualidade • Nenhuma indicação arredondada com dimensão a > 6mm ;


• Nenhuma indicação alinhada com L > 10mm;


37


• Nenhuma indicação linear com a > 7mm;

• Nenhuma indicação alinhada com L > 10mm; • A superfície total de indicações menor ou igual a 250mm2/ dm2

1.9.6 CRITÉRIO DE ACEITAÇÃO DE SOLDAS CONFORME O CÓDIGO AWS D1.1

O critério de aceitação conforme AWS D1.1 é o mesmo para inspeção visual e

que apresentamos a seguir. O Código AWS D1.1 requer que a aplicação do

ensaio seja feita de acordo com ASTM E-165.

Categoria da Descontinuidade e Critério de Inspeção

Conexões não tubulares

carregadas estaticamente


carregadas ciclicamente

Conexões tubulares (para

todos os tipos de carregamento)

(1) Proibição de Trincas Qualquer trinca é inaceitável, independente do tamanho e localização.

X X X

(2) Fusão entre metal base e solda Deve existir fusão entre a parte adjacente do metal base e a solda.

X X X

(3) Cratera Todas as crateras devem ser preenchidas para estabelecer a dimensão específica da solda, exceto nos terminais de soldas de filete intermitente externas aos seus comprimentos efetivos.

X X X

(4) Perfil das Soldas O perfil das soldas devem estar conforme 5.24 da AWS D1.1

X X X

(5) Período de Inspeção Inspeção visual das soldas em todos os aços pode iniciar imediatamente após ter sido a solda completada e resfriada na temperatura ambiente. Critério de aceitação para aços ASTM A514 e A 709 Grau 100 e 100W devem estar baseados na inspeção visual realizada não antes que 48 horas da solda estar completada.

X X X

(6) Soldas Subdimensionadas A dimensão da solda de filete em qualquer trecho contínuo pode ser menor que o valor nominal especificado (L) sem correção pelos seguintes valores de (U):

L U Dimensão nominal

específica da solda (mm) Redução permitida

de L (mm)

X X X

38

≤ 5 ≤ 2

6 ≤ 2,5

≥ 8 ≤ 3

Em todos os casos, a porção de sobreposição não deve exceder a 10% do comprimento da solda. Em soldas de flanges, sobreposição não é permitida nos terminais para um comprimento igual a duas vezes a largura do flange.

Tabela 1.4 - Tradução livre da tabela 6.1 do AWS D1.1:2000








(7) Mordedura (A) Para materiais menores que 1pol. (25,4mm) de espessura, mordeduras não devem exceder a 1/32pol. (1mm), exceto que um máximo de 1/16pol. (1,6mm) sem correção para um comprimento acumulado de 2pol. (50mm) em qualquer 12 pol. (305mm). Para materiais iguais e maiores que 1 pol. De espessura, mordeduras não devem exceder a 1/16pol. (1mm) para qualquer comprimento de solda.

X

(B) Em membros primários, mordeduras não devem ser maiores que 0,01pol. (0,25mm) de profundidade quando a solda for transversal ao esforço de tensão sob qualquer condição de projeto de carga. Mordeduras não devem ser maiores que 1/32pol. (1mm) em profundidade para todos os casos.

X X

(8) Porosidade (A) Juntas de topo com penetração total transversal ao esforço de tensão projetada não deve ter porosidade visível. Para outras soldas com chanfros e soldas de filete a soma dos diâmetros das porosidades visíveis de 1/32pol. (1mm) ou maior não deve exceder 3/8pol. (19mm) em qualquer 12pol. (305mm) de comprimento de solda.

X

(B) A freqüência da porosidade em soldas de filete não deve exceder uma em cada 4pol. (100mm) de comprimento de solda e com máximo diâmetro de 3/32pol. (2mm). Exceção: para juntas de filete em reforços conectado a parte principal, a soma dos diâmetros da porosidade não deve exceder a 3/8 pol. (10mm) em qualquer polegada linear de solda e não deve exceder 3/4pol. (19mm) em qualquer 12pol. (305mm) de comprimento de solda.

X X

(C) Juntas de topo com conexão total transversal ao esforço de tensão projetada não deve ter porosidade visível. Para outras soldas com chanfros, a freqüência da porosidade não deve exceder uma em 4pol. (100mm) de comprimento e o máximo de diâmetro não deve exceder a 3/32pol. (2mm).

X X

39

Tabela 1.5 - Um "X" indica aplicabilidade para o tipo da junta; a área sombreada indica não aplicabilidade.

Conforme pode ser observado, a tabela acima apresenta as dimensões máximas

das indicações permitidas para a inspeção visual e para testes superficiais, não

fazendo nenhuma distinção entre os métodos (partículas magnéticas ou líquidos

penetrantes), e depende da condição de carga da peça a ser inspecionada. Sendo assim, fica sendo muito difícil a aplicação desta especificação, pois a

indicação por líquidos penetrantes é observada através da mancha do penetrante

sobre o revelador e necessariamente a indicação é maior que a descontinuidade,

o que não é considerado pelo critério de aceitação acima. Assim devemos rejeitar

as indicações com dimensões acima do especificado.

1.9.7 PROCEDIMENTO PARA ENSAIO

A aplicação do ensaio por líquidos penetrantes requer um procedimento escrito e

de acordo com a norma ou Código aplicável ao componente inspecionado.

O procedimento para ensaio por líquidos penetrantes deve conter itens julgados

relevantes para sua aplicação. Segue abaixo a itenização requerida pelo Código

ASME Sec. V Art. 6, como segue:

Materiais, formas ou tamanhos das peças a ser inspecionadas e extensão do

ensaio;

Tipo (número ou letra de designação se disponível de cada penetrante,

removedor, emulsificador, e revelador);

Detalhes de processamento para pré-limpeza, e secagem, incluindo materiais de

limpeza usados, e tempo mínimo permitido para secagem;

Detalhes de processamento para aplicação do penetrante, o tempo que o

penetrante deve permanecer na superfície (tempo de penetração), temperatura da

superfície e do penetrante durante o ensaio se diferente da faixa de 100C até

520C;

Detalhes de processamento de remoção do excesso de penetrante da superfície,

e para secagem da superfície antes de aplicar o revelador;

Detalhes de processamento para aplicação do revelador, e o tempo de revelação

antes da interpretação;

40

Detalhes de processamento para limpeza após o ensaio.

O procedimento para ensaio deve ser qualificado ou demonstrado ao cliente,

quando requerido, através da aplicação deste em peça ou padrão contendo

trincas conhecidas e gabaritadas.

Sempre que alterações ou substituições forem feitas no grupo de família de

materiais penetrantes (incluindo reveladores, emulsificadores, etc.) ou na técnica

de processamento, pré-limpeza, o procedimento deverá ser revisado.

2 ENSAIO POR PARTÍCULAS MAGNÉTICAS 2.1 DESCRIÇÃO E APLICABILIDADE DO MÉTODO

O ensaio por partículas magnéticas é utilizado na localização de descontinuidades

superficiais e subsuperficiais em materiais ferromagnéticos. Podem ser aplicadas

tanto em peças acabadas quanto semi-acabadas e durante as etapas de

fabricação.

O processo consiste em submeter à peça, ou parte desta, a um campo

magnético. Na região magnetizada da peça, as descontinuidades existentes, ou

seja, a falta de continuidade das propriedades magnéticas do material, irão causar

um campo de fuga do fluxo magnético. Com a aplicação das partículas

ferromagnéticas, ocorrerá a aglomeração destas nos campos de fuga, uma vez

que serão por eles atraídas devido ao surgimento de pólos magnéticos. A

aglomeração indicará o contorno do campo de fuga, fornecendo a visualização do

formato e da extensão da descontinuidade.

2.2 MAGNETISMO

Todos nós conhecemos os ímãs e dizemos que um material ferromagnético nas

proximidades de um ímã é por este atraído. O magnetismo é um fenômeno de

atração que existe entre esses materiais. Nota-se que por vezes o fenômeno

pode ser de repulsão ou de atração. Os ímãs podem ser naturais, conhecidos

como “pedras-ímãs” e os artificiais, fabricados a partir de aços com propriedades

magnéticas específicas para esse fim. A palavra “magnetismo” vem de Magnésia

41

na Turquia onde séculos atrás se observou o minério magnetita que é um ímã

natural.

Figura 2.1

2.3 PÓLOS MAGNÉTICOS

Quando estudamos uma barra imantada, verificamos que as características

magnéticas da barra não são iguais ao longo da mesma, porém verificamos que

ocorre uma concentração da força magnética de atração ou repulsão nas

extremidades. A estes pontos onde se manifestam a atração com maior

intensidade, damos o nome de pólos magnéticos.

Se dispusermos de duas barras imantadas e colocarmos uma próxima da outra,

deixando uma fixa e a outra livre, verificaremos que ocorrerá uma força de

atração entre as barras de modo a fazer com que se unam. No entanto, se

separarmos as barras e girarmos a barra móvel de 180° e novamente

aproximarmos, verificaremos que ao invés de ocorrer à atração, ocorrerá à força

de repulsão, o que nos leva a concluir que temos duas espécies de pólos. Um que

promove a atração e o outro que promove a repulsão. Isto é, numa mesma barra

os pólos não são iguais. É por isso que se diz que pólos iguais se repelem e pólos

diferentes se atraem. 2.4 O CAMPO MAGNÉTICO

Uma região do espaço que foi modificada pela presença de um ímã recebe a

denominação de campo magnético. O campo magnético pode ser visualizado

quando limalha de material ferromagnético é pulverizada sobre um ímã. Tais

partículas se comportam como minúsculos ímãs e se alinham na direção do

campo magnético, formando o que chamamos de linhas de indução ou linhas de

42

fluxo. As linhas de indução são sempre contínuas e mostram claramente a forma

do campo magnético.

Figura 2.2

43

2.5 UNIDADES E GRANDEZAS UTILIZADAS NO MAGNETISMO

2.5.1 VETOR INDUÇÃO MAGNÉTICA

Para caracterizar a ação de um ímã em cada ponto do campo magnético,

associa-se a esse ponto um vetor, denominado vetor indução magnética

simbolizado por “B”.

A unidade de medida do módulo do vetor indução no sistema internacional

(MKSA) denomina-se Tesla (T) ou Gauss1 (G) que é simplesmente a medida da

concentração das linhas de indução numa pequena região espacial que contém o

ponto considerado. Quando as linhas de indução são paralelas entre si, o vetor

indução naquela região é constante em qualquer ponto.

1 Tesla = 104 Gauss O Sistema Internacional de Unidades – SI defini Tesla (T) como sendo a indução magnética uniforme que produz uma força constante de 1N/ m2 de um condutor retilíneo situado no vácuo e percorrido por uma corrente elétrica invariável de 1A, sendo perpendiculares entre si às direções da indução magnética, da força e da corrente.

A produção de campos magnéticos não se prende somente à presença de ímãs.

Em 1820 o físico Hans Christian Oersted2 descobriu que a passagem de corrente

elétrica por um fio condutor também produzia um campo magnético com a forma

circular ao redor do condutor, com intensidade proporcional ao valor da corrente

elétrica aplicada.

44

Figura 2.3 - Diagrama esquemático da experiência de Oersted2 comprovando que a passagem da

corrente elétrica pelo fio condutor fez oscilar uma agulha de compasso devido à presença do campo magnético produzido pela corrente elétrica.

Quando colocamos um material qualquer num campo magnético de indução ou

força magnetizante "H”, o material formado por infinitos e minúsculos dipolos

magnéticos respondem ao campo de indução e se alinham na direção de "H".

O resultado é que o magnetismo gerado no interior e superfície do material

poderá ser diferente ao campo induzido. A este campo induzido no material

simbolizamos por "B" e chamamos de campo magnético induzido. A força

magnetizante "H" pode ser medida em Oersted (Oe) ou Ampéres/ metro (A/ m). A

razão entre "B" e "H" defini uma característica do material magnetizado ao que

denominamos de permeabilidade magnética do meio.

O Sistema Internacional de Unidades – SI defini a intensidade de campo magnético medido em A/ m e é a intensidade de um campo magnético uniforme, criado por uma corrente elétrica invariável de 1A, que percorre um condutor retilíneo de comprimento infinito e de área de seção transversal desprezível, em qualquer ponto de uma superfície cilíndrica de diretriz circular com 1m de circunferência e que tem como eixo o referido condutor.

1Johann Carl Friedrich Gauss nasceu em 30 de abril de 1777 na cidade de Brunswick, hoje Alemanha.

Trabalhou em diversos campos da matemática e da física dentre eles a teoria dos números, geometria diferencial, magnetismo, astronomia e ótica. Em 1832, Gauss e Weber começaram a investigar a teoria de magnetismo terrestre depois de Alexander Von Humboldt ter tentado obter ajuda de Gauss para fazer um grid de pontos de observação magnética ao redor da Terra. Gauss estava entusiasmado por este projeto e, antes de 1840, já tinha escrito trÊs documentos importantes sobre o assunto: Intensitas vis magneticae terrestris ad mensuram absolutam revocata (1832), Allgemeine Theorie des Erdmagneismus (1839), eAllgemeine Lehrsätze in Beziehung auf ie im verkehrten Verhältnisse des Quadrats der Entfernung wirkenden Anziehungs- und Abstossungskräfte (1840) Estes documentos que tratavam das teorias atuais sobre o magnetismo terrestre, incluindo as idéias de Poisson, medida absoluta da força magnética e uma definição empírica de magnetismo terrestre. A saúde dele deteriorou lentamente, e Gauss morreu na manhã cedo de 23 de fevereiro de 1855.

45

2.5.2 FLUXO MAGNÉTICO O fluxo magnético no SI é expresso na unidade de Weber, símbolo Wb.

1 Wb = 1 T.m2

O Sistema Internacional de Medidas – SI defini o Weber (Wb) como sendo o fluxo magnético através de uma superfície plana de área igual a 1m2, perpendicular à direção de uma indução magnética uniforme de 1 Tesla.

2.5.3 PERMEABILIDADE MAGNÉTICA

A permeabilidade magnética é definida como sendo a facilidade com que um

material pode ser magnetizado, e é representado pela letra “m”. É um número

adimensional, isto é, não possui unidade, pois é uma relação entre duas

grandezas. A permeabilidade magnética de um material é a relação entre a

condutividade magnética do material e a condutividade magnética do ar, ou ainda

a relação entre o magnetismo adquirido pelo material (B) pela presença de um

magnetismo externo e a força de magnetização externa (H). É importante

salientar que a permeabilidade magnética de um material não é constante e

depende da força externa de magnetização.

2.5.4 CLASSIFICAÇÃO MAGNÉTICA DOS MATERIAIS

De acordo com a permeabilidade magnética podemos classificar os materiais em

três grandes grupos:

a) Ferromagnéticos: μ > 1.

Hans Christian Oersted era professor de Ciências na Universidade de Copenhagen. Em 1821 ele demonstrou em sua residência uma experiência para seus alunos e amigos, provando um aquecimento de um fio por passagem de corrente elétrica assim como também demonstrar o magnetismo a partir de uma agulha de compasso. Enquanto ele fazia a demonstração elétrica.

Oersted notava que todas às vezes que ligava a corrente elétrica a agulha se movia. Neste período concentrou sua atenção para desvendar este fenômeno.

46

São assim definidos os materiais que são fortemente atraídos por um ímã

exemplo: ferro, cobalto e quase todos os tipos de aço. São ideais para inspeção

por partículas magnéticas.

b) Paramagnéticos: μ = 1.

São os materiais que são levemente atraídos por um ímã. Exemplo: platina,

alumínio, cromo, estanho, potássio. Não são recomendados para inspeção por

partículas magnéticas.

c) Diamagnéticos: μ < 1.

São os materiais que são levemente repelidos por um ímã. Exemplo: prata, zinco,

chumbo, cobre, mercúrio. O ensaio por partículas magnéticas não é aplicável a

estes materiais.

A permeabilidade magnética dos materiais não é constante, pois dependem da

dos valores de B e H. Porém muitos livros trazem valores da permeabilidade

magnética de vários materiais, porém esta se aplica na condição de total

saturação magnética dos mesmos. A saturação magnética é conseguida quando

ao aumentarmos o campo magnetizante H não ocorre nenhuma alteração de B.

Figura 2.4 - Curva de Histerese - Variação de B x H

A permeabilidade magnética do vácuo é μ 0 = 4.¶ x 10-7 T.m/ A (MKSA), que é a base para cálculos de campos magnéticos formado a partir de condutores elétricos.

47

Figura 2.5 - Intensidade do Campo Magnético em função de alguns materiais magnéticos.

Variação da Indução B com a Força magnetizante H de alguns materiais:

H B (Gauss) (Oersted) Ferro Níquel Cobalto

20 15.500 5.100 1.200 40 16.200 5.500 2.800 60 16.800 5.700 4.40 80 17.300 5.800 6.000

100 17.7000 5.900 6.800 120 17.900 6.000 7.500

Tabela 2.1 - Fonte: ABM - Aços carbono e Aços Liga, Chiaverini.

Outras características magnéticas dos materiais são:

Retentividade: é definida como sendo a habilidade de um material em reter uma

parte do campo magnético após a interrupção da força magnetizante.

48

Força Coercitiva: é a magnetização inversa que se aplicada ao material, anula o

magnetismo residual.

2.5.5 CAMPO DE FUGA

O desvio das linhas de força dá origem a novos pólos, provocando a dispersão

das linhas de fluxo magnético que dão origem ao “Campo de Fuga”. A figura

demonstra como as linhas de força são perturbadas pela presença de uma

descontinuidade dando origem ao campo de fuga.

Figura 2.6

No ensaio por partículas magnéticas, ao aplicarmos um pó ferromagnético,

constituído de partículas finamente divididas, as quais denominadas de pó

magnético, no local onde surgir um campo de fuga, devido à formação de um

dipolo magnético, provocará o agrupamento das partículas, ou seja, as partículas

se acumulam em todo contorno de um campo de fuga. Desta forma, poderíamos

dizer que o ensaio por partículas magnéticas é um “detetor” de campos de fuga,

que são “evidenciados” pela presença de acúmulos de partículas.

Verificamos na prática que, para ocorrer um campo de fuga adequado na região

das descontinuidades, a intensidade de campo, deve atingir valores adequados e

as linhas de força devem ser o mais perpendicular possível ao plano da

descontinuidade, caso contrário não será possível o acúmulo das partículas de

forma nítida.

Enfatizamos que é necessário que haja, na região inspecionada, intensidade de

campo suficiente e que as linhas de força do campo magnético estejam o mais

perpendicular possível em relação ao plano formado pelo contorno da

49

descontinuidade para que ocorra a detecção, caso contrário, isso não será

possível.

Figura 2.7

Outro aspecto interessante que podemos observar é que o campo de fuga

somente ocorre quando existe uma diferença na continuidade das características

magnéticas do material base inspecionado. Assim, todas as descontinuidades a

serem detectadas, trincas, escórias, falta de fusão, porosidade, inclusões, etc.

possuem características magnéticas bem diferente do metal base, o que atribui ao

ensaio grande sensibilidade de detecção.

Outro aspecto também é a não existência de um tamanho mínimo da

descontinuidade para que ocorra o campo de fuga, o que faz com que o método

de ensaio por partículas magnéticas seja mais eficiente dos métodos superficiais

até mesmo que o ensaio por líquidos penetrantes, para materiais ferromagnéticos.

2.6 MÉTODOS E TÉCNICAS DE MAGNETIZAÇÃO

2.6.1 MAGNETIZAÇÃO LONGITUDINAL

É assim denominado o método de magnetização que produz um campo

magnético longitudinal da peça e fechando o circuito através do ar. Portanto,

recomendamos para a detecção de descontinuidades transversais na peça A

magnetização longitudinal é obtida por indução de campo por bobinas ou

eletroímãs.

50

Figura 2.8

2.6.2 MAGNETIZAÇÃO CIRCULAR

Neste método, que pode ser tanto por indução quanto por passagem de corrente

elétrica através da peça, as linhas de força que formam o campo magnético,

circulam através da peça em circuito fechado, não fazendo uma “ponte” através

do ar. É usada para a detecção de descontinuidades longitudinais.

Figura 2.9

51

2.6.3 MAGNETIZAÇÃO MULTIDIRECIONAL

Também conhecida como combinada ou vetorial, é um método em que

simultaneamente são aplicados na peça dois ou mais campos magnéticos: um

pelo método longitudinal e o outro pelo método circular ou ainda campos

circulares em várias direções. É, portanto a combinação de duas técnicas que

produzem um vetor rotativo, que permite observar, de uma só vez, as

descontinuidades com diversas orientações. Algumas normas recomendam o uso

de corrente trifásica retificada de onda completa para magnetização nesta técnica.

As vantagens dessa técnica são:

• Na inspeção de componentes seriados onde se reduz substancialmente o

tempo de inspeção;

• Economia de partículas magnéticas;

• Cada peça ou componente é manuseado apenas uma vez;

• Menor possibilidade de erros por parte do inspetor, uma vez que, observa-

se ao mesmo tempo, tanto as descontinuidades longitudinais quanto as

transversais;

• Rapidez no ensaio por partículas magnéticas;

• Grande produtividade.

Figura 2.10 - Máquina para ensaio por partículas magnéticas de uma peça fundida para indústria

hidroelétrica, usando a técnica multidirecional. (foto cedida pela empresa VOITH SIEMENS)

52

Podemos concluir que a magnetização simultânea possibilita menor tempo de

execução trazendo como benefício maior produção. Contudo, é limitada pelo

ajuste da intensidade dos campos magnéticos que é necessário para obtenção de

uma resultante capaz de detectar adequadamente as descontinuidades nas duas

direções da peça em ensaio, descontinuidade longitudinal e transversal.

Na prática este ajuste é conseguido realizando testes com peças ou corpos de

prova contendo defeitos conhecidos. No entanto, ressaltamos que a

magnetização simultânea apresenta resultados mais confiáveis na detecção de

descontinuidades de diferentes direções. A sua desvantagem é que aumenta

mais uma etapa no ensaio.

Figura 2.11 - Ensaio de uma peça pela técnica de magnetização multidirecional. Observe os

grampos dos terminais de contato elétrico em cada lado da peça. (foto cedida pela empresa VOITH SIEMENS)

2.6.4 TÉCNICAS DE MAGNETIZAÇÃO

Mencionamos que podemos obter campos magnéticos por diversas técnicas,

contudo, o processo de magnetização só é obtido através de indução de campo

magnético ou por indução de corrente elétrica. Dizemos que há indução de campo

quando o campo magnético gerado na peça é induzido externamente. Já no

processo de magnetização por passagem de corrente, a peça em inspeção faz

parte do circuito elétrico do equipamento de magnetização, isto é, a corrente de

magnetização, circula pela própria peça. É por esta razão que se recomenda

bastante cuidado na utilização da técnica de magnetização por passagem de

corrente, pois poderá ocorrer a abertura de um arco elétrico nos pontos de

entrada e saída de corrente, queimando a peça nesta região, o que, em se

tratando de peça acabada, pode ser inaceitável, ou mesmo poderá representar

53

risco de explosão ou incêndio se no ambiente houver gases ou vapores

inflamáveis.

2.6.5 TIPOS DE CORRENTE ELÉTRICA UTILIZADA

As correntes elétricas utilizadas na magnetização para inspeção por partículas

magnéticas poderão ser das mais variadas fontes existentes, como segue:

corrente contínua (CC): somente obtida através de baterias, e que na prática não

é aplicável em processos industriais;

Figura 2.12

corrente alternada (AC): usada para detecção de descontinuidades superficiais. A

corrente alternada, devido ao ciclo alternado da corrente, promove maior

mobilidade às partículas, tem pouca penetração, as linhas de força são mais

concentradas na superfície e, portanto é mais recomendada para a detecção de

descontinuidades superficiais;

54

Figura 2.13

corrente alternada retificada de meia onda: usada para detecção de

descontinuidades subsuperficiais, o que na prática representa poucos milímetros

de profundidade. O uso de algumas técnicas pode representar até 6 a 10mm de

profundidade .

Figura 2.14

Corrente Alternada Retificada de Onda Completa: usada para detecção de

descontinuidades subsuperficiais, o que na prática representa poucos milímetros

de profundidade. O uso de algumas técnicas pode representar até 12mm de

profundidade.

55

Figura 2.15

Corrente trifásica: pode ser utilizada na forma retificada de meia onda ou onda

completa. A corrente elétrica trifásica retificada de onda completa é a que mais se

aproxima às características de uma corrente contínua.

Figura 2.16

As correntes elétricas alternadas, acima mencionadas, poderão ser ainda obtida

na forma monofásica ou trifásica o que representa diferenças no rendimento do

sistema de inspeção.

2.6.6 MAGNETIZAÇÃO POR PASSAGEM DE CORRENTE ELÉTRICA PELA PEÇA

É a técnica de magnetização, em que a corrente circula pela peça, onde temos as

técnicas de eletrodos e de contato direto.

56

2.6.7 A TÉCNICA DOS ELETRODOS

É a técnica de magnetização pela utilização de eletrodos, também conhecida

como pontas que quando apoiadas na superfície da peça, permitem a passagem

de corrente elétrica pela peça. O campo magnético criado é circular. Esta técnica

é geralmente aplicada em peças brutas fundidas, em soldas, nas indústrias de

siderurgia, caldeiraria e outros.

Figura 2.17

A técnica dos eletrodos induz um campo magnético que é dependente da

distância entre os eletrodos e a corrente elétrica que circula por eles. Em geral,

estes valores são tabelados e disponíveis nas normas técnicas de inspeção

aplicáveis ao produto ensaiado.

Como referência, podemos citar que para o Código ASME Sec.V Art.7, os valores

de corrente elétrica a ser aplicada na peça devem estar entre os valores

seguintes:

Limitação da Corrente Elétrica na Técnica de Eletrodos Espessura da

Peça Corrente Elétrica por Polegada de Espaçamento entre os

eletrodos < 3/4pol. (19mm)

mínimo de 90 até 110 A/ pol.

≥ 3/4pol. mínimo de 100 até 125 A/ pol.

Tabela 2.2 - Fonte: Código ASME Sec. V Art.7

57

O espaçamento entre os eletrodos não deve ultrapassar a 8 polegadas.

Espaçamentos menores podem ser utilizados para acomodar limitações

geométricas na área que está sendo examinada, porém espaçamentos menores

que 3 polegadas devem ser evitadas. Os pólos de contato dos eletrodos devem

estar limpos.

Exemplo de aplicação: Uma junta soldada com espessura do metal base de 15mm, deverá ser

inspecionada por partículas magnéticas pela técnica dos eletrodos. Se o operador

for utilizar 150mm de espaçamento, qual deverá ser o valor da corrente elétrica a

ser aplicada?

Solução: Pela tabela, aplica-se a regra seguinte: de 90 a 110 Ampéres/ polegadas de

espaçamento ou 3,54 a 4,33 Ampéres/ mm de espaçamento.

Portanto: 150mm de espaçamento x 3,54 = 531,0 A (corrente elétrica mínima)

150mm de espaçamento x 4,33 = 649,5 A (corrente elétrica máxima)

A técnica de eletrodos freqüentemente produz faíscas nos pontos de contato dos

eletrodos com a peça, o que impede a utilização desta técnica em ambientes

onde existem gases explosivos ou ainda quando a peça a ser examinada está na

sua fase final usinada, não admitindo qualquer dano nas suas superfícies.

Aparelho típico para magnetização por passagem de corrente elétrica denominada técnica de eletrodos. Estes equipamentos são portáteis, permitindo atingir até 1500 Ampéres utilizando corrente contínua ou alternada. Cuidados devem ser tomados quanto ao meio ambiente de operação destes equipamentos, pois estes produzem faíscas elétricas que podem causar explosões na presença de gases ou produtos inflamáveis.

58

Figura 2.18 - Uso da técnica de eletrodos para inspeção de uma solda de conexão.

2.6.8 A TÉCNICA DE CONTATO DIRETO

Também conhecida como magnetização por placas ou cabeçotes de contato.

Devido sua aplicação maior ser através de máquinas estacionárias, é definida

como sendo a técnica de magnetização pela passagem de corrente elétrica de

extremidade a extremidade da peça. O campo magnético formado é circular.

Esta técnica se difere da técnica por eletrodos descrita, pois é aplicável em

sistemas de inspeção automáticos ou semi-automáticos, para inspecionar barras,

eixos, parafusos, principalmente nas indústrias automobilísticas ou em fabricas de

produtos seriados de pequeno porte.

59

Figura 2.19

Nesta técnica, corrente elétrica contínua ou alternada poderá ser utilizada, sendo

recomendado pelo Código ASME Sec.V Art.7 uma limitação de 300 até 800

Ampéres/ pol. de diâmetro externo quando a geometria for redonda. Outras

limitações de corrente elétrica podem ser requeridas, dependendo da norma ou

especificação aplicável na inspeção.

Para peças outras que não redondas, a corrente elétrica pode ser determinada

pelo diâmetro maior da peça na seção perpendicular ao fluxo da corrente elétrica.

Se o nível de corrente elétrica não pode ser obtido por limitações técnicas dos

equipamentos utilizados, então deve ser empregado o padrão indicativo de campo

magnético para certificação de que a máxima corrente elétrica aplicada é

satisfatória.

Exemplo de Aplicação: Uma barra com diâmetro externo maior de 10pol. (254mm), deverá ser

inspecionado por partículas magnéticas pela técnica de contato direto. Qual

deverá ser a corrente elétrica a ser aplicada?

Solução:

De acordo com o recomendado pelo ASME Sec. V Art. 7, a limitação deverá ser

de 300 a 800 Ampéres por pol. de diâmetro da peça. Assim teremos:

300 A x 10 pol. de diâmetro da barra = 3000 Ampéres (corrente elétrica mínima);

800 A x 10 pol. de diâmetro da barra = 8000 Ampéres (corrente elétrica máxima).

60

Figura 2.20 - Fotos mostrando a técnica de magnetização circular por contato direto. Na foto esquerda o técnico pulveriza o pó magnético seco num eixo magnetizado por passagem de

corrente elétrica. Na foto direita o técnico posiciona uma barra para a técnica de contato direto. (Fotos extraídas do filme “Ensaio por partículas magnéticas”)

2.7 TÉCNICAS DE MAGNETIZAÇÃO POR INDUÇÃO DE CAMPO

MAGNÉTICO

2.7.1 A TÉCNICA DA BOBINA

Nessa técnica a peça é colocada no interior de uma bobina ou solenóide,

ocorrendo um campo longitudinal na peça. A bobina ou solenóide é formado por

um enrolamento de fios condutores da corrente elétrica alternada ou contínua,

que originam o campo magnético de intensidade que dependerá da corrente

elétrica que passa pela bobina e o número de voltas que o enrolamento da bobina

foi formado (Ampéres-volta).

Figura 2.21

61

Para peças onde a razão L / D, onde L é o comprimento da peça sendo no

máximo 18 polegadas e D o seu diâmetro, for maior ou igual a 4, a intensidade do

campo pode ser calculada através da fórmula:

Ampére-volta = 35000 / (L/ D) + 2 ( ± 10%) (fonte: ASME Sec.V Art.7)

(Para peças não cilíndricas, D deve ser a máxima seção transversal da peça.)

Figura 2.22 - Ensaio de um vibranequim pela técnica da bobina.

Exemplo de Aplicação: Seja um eixo com comprimento de 10pol. e 2pol. de diâmetro, qual a corrente de

magnetização necessária se for usada uma bobina enrolada no eixo com 5

voltas?

Solução: A relação neste caso é de: L/ D = 5, portanto aplicando a fórmula teremos:

Ampéres-Volta = 35000/ 5 + 2 = 5000

Sendo a bobina formada por 5 voltas, então a corrente necessária será 5000

ampéres-volta/ 5 voltas = 1000 Ampéres ± 10%

Para peças onde a razão L/ D for menor que 4 mas não menor que 2, a

intensidade do campo pode ser determinada através da fórmula:

Ampéres-Volta = 45000/ (L/ D) ( ± 10%) (fonte: ASME Sec.V Art. 7)

Para peças grandes, a intensidade de magnetização deve estar entre 1200

ampéres-volta e 4500 ampéres-volta. A utilização de padrões indicativos de

campo pode estabelecer a corrente elétrica mais indicada.

Conjunto da bobina e sistema de spray

de água contendo pó magnético.

62

Figura 2.23 - Foto mostrando a técnica de magnetização longitudinal de um eixo, por bobinas.

(foto extraída do filme "Ensaio por Partículas Magnéticas")

2.7.2 A TÉCNICA DO IOQUE OU YOKE

É a técnica de magnetização pela indução em campo magnético, gerado por um

eletroímã, em forma de "U" invertido, que é apoiado na peça a ser examinada.

Pelo eletroímã circula a corrente elétrica alternada ou contínua.

É gerado na peça um campo magnético paralelo à linha imaginária que une as

duas pernas do Yoke.

Figura 2.24

Os ioques produzem campos magnéticos longitudinais, podendo ser de pernas

fixas ou de pernas articuláveis, conhecidos como ioques de pernas articuladas.

Os de pernas articuláveis são mais eficientes por permitirem uma série de

posições de trabalho com garantia de um bom acoplamento dos pólos

magnéticos.

A sua vantagem está em não aquecer os pontos de contato, já que a técnica usa

63

corrente elétrica magnetizante que flui pelo enrolamento da bobina do Ioque, e

não pela peça.

A recomendação básica de algumas normas para calibração deste equipamento é

que o campo magnético formado na região de interesse definida como área útil,

esteja entre os valores de 17 a 65 A/ cm. Para simplificar e permitir a

comprovação periódica da intensidade do campo magnético durante os trabalhos

de campo é estabelecido nas normas, que a verificação da força de magnetização

do Ioque pode ser comprovada através de sua capacidade mínima de

levantamento de massa calibrada equivalente a 4,5 kg (10 lb) de aço, no máximo

espaçamento entre os pólos a ser utilizado em corrente alternada e de 18,1 kg (40

lb) em corrente elétrica contínua (fonte: ASME Sec. V Art.7) .

Estes limites apresentados para o teste de levantamento de peso podem ser

alterados dependendo da especificação ou norma aplicável. Por exemplo, a

norma ASTM E-709 estabelece outros limites, assim como a norma Petrobrás N-

1598.

Figura 2.25 - Magnetização utilizando o YOKE.A Técnica do Condutor Central

A técnica do condutor central é caracterizada pela passagem de um fio condutor

ou conjunto de cabos condutores pelo centro da peça a inspecionar. A passagem

da corrente elétrica através do condutor, permitirá induzir um campo magnético

circular na superfície interna e/ ou externa da peça. Assim sendo, a peça a ser

inspecionada por este processo, deve ter geometria circular, tais como: flanges,

anéis, porcas, e outras.

64

Figura 2.26

Quando grandes diâmetros de peças devem ser inspecionadas, o condutor pode

ser posicionado perto da superfície interna da peça, deslocado do centro. Neste

caso, as superfícies devem ser inspecionadas em incrementos, e a intensidade do

campo magnético verificado com auxílio do padrão indicativo do campo para

saber qual a extensão do arco da circunferência a ser considerada.

Em geral, a corrente elétrica de magnetização é determinada da mesma forma

como descrita na técnica de contato direto, considerando que apenas um

condutor passe internamente à peça. O campo magnético irá aumentar na

proporção que o número de cabos condutores centrais passem internamente à

peça. Como exemplo podemos citar, que se 6000 Ampéres são necessários para

ensaiar uma peça usando um simples condutor central, então 3000 Ampéres

serão requeridos para ensaiar a mesma peça usando 2 condutores centrais, ou

1200 Ampéres se usados 5 condutores centrais.

O uso do padrão indicativo de campo é sempre um requisito recomendado para

certificação da intensidade do campo magnético gerado.

65

Figura 2.27 - Indicação de trinca detectada pela técnica do condutor central. Observe a linha

circular formada na superfície do anel pelo acúmulo do pó magnético. (Foto extraída do filme "Ensaio por Partículas Magnéticas")

MÉTODO TÉCNICAS DE MAGNETIZAÇÃO

Longitudinal Indução de campo Bobina (solenóide) Yoke Ímã permanente

Passagens de corrente elétrica Eletrodos (pontas) Contato Direto (placas)

Circular Indução de Campo

Condutor Central - Barra - Cabo enrolado

Multidirecional Indução e/ ou passagem de corrente elétrica

Combinação das Técnicas de campo longitudinal com o circular.

Figura 2.28 - Medidor típico de campo magnético utilizando a sonda de Hall. Pode medir de 10

até 30.000 Gauss, muito útil para verificação do valor do campo magnético efetivo na peça a ser inspecionado por partículas magnéticas ou ainda campos residuais. (Foto extraída do catálogo de

Magnaflux).

66

2.8 DESMAGNETIZAÇÃO

Verificamos que alguns materiais, devido as suas propriedades magnéticas, são

capazes de reter parte do magnetismo após a interrupção da força magnetizante.

Conforme a aplicação subseqüente destes materiais, o magnetismo residual ou

remanescente poderá criar problemas, sendo necessária a desmagnetização da

peça.

Podemos resumir as razões para desmagnetização de uma peça como sendo:

Interferência nos processos de Usinagem: Uma peça com magnetismo residual poderá interferir nos processos futuros de

usinagem, pois o magnetismo da peça induzirá a magnetização das ferramentas

de corte afetando o acabamento da peça.

A retenção de limalha e partículas contribuirá para a perda do fio de corte da

ferramenta.

Interferência nos processos de Soldagem: A interferência em operação de soldagem se faz sentir com a deflexão do arco

elétrico, desviando-o da região de soldagem, interferência conhecida como sopro

magnético, que prejudicará em muito o rendimento e a qualidade da solda.

Interferência com Instrumentos de Medição: O mecanismo residual interfere com instrumentos sensíveis de medição ou

navegação, colocando em risco a operação dos equipamentos uma vez que, as

leituras obtidas não correspondem à realidade. Há registros de acidentes aéreos

por interferências de campos magnéticos de trens de pouso nos instrumentos de

navegação da aeronave.

Portanto, em razão destas interferências acima descritas, em alguns casos

existem necessidades de desmagnetização das peças através da passagem

destas por campos magnéticos alternados e decrescentes. Geralmente a

passagem das peças por bobinas magnetizadas, é suficiente.

Quando peças ou equipamentos serão submetidos a tratamento térmico, estas

não necessitam de serem desmagnetizadas, pois a temperatura elevada será

capaz de remover o magnetismo residual. Esta temperatura é denominada ponto

Curie, a tabela abaixo mostra este valor de temperatura para alguns materiais:

67

Material Ponto Curie ºCNíquel 372

Ferro Puro 774 Cobalto 1.131

Tabela 2.3 - Fonte: ABM - Aços Carbono e Aços Liga - Chiaverini.

Quando elevamos a temperatura de um material acima da temperatura Curie, o

comportamento destes passam a ser paramagnético. A temperatura Curie

depende da liga do material.

A desmagnetização é dispensável quando:

Os materiais possuem baixa retentividade;

As peças forem submetidas a tratamento térmico. As peças de aço que estiverem

magnetizadas, ao atingir a temperatura de 750°C, chamado ponte Curie, perdem

a magnetização;

As peças forem novamente magnetizadas.

2.8.1 TÉCNICAS DE DESMAGNETIZAÇÃO

São várias as técnicas de desmagnetização sendo que todas são baseadas no

princípio de que, submetendo a peça a um campo magnético que é

continuamente invertido e gradualmente reduzindo a zero, após um determinado

período e um número de ciclos, a peça será desmagnetizada. Isto pode ser obtido

fazendo a peça passar pelo interior de bobinas percorridas por corrente alternada.

68

2.9 MÉTODOS DE ENSAIO E TIPOS DE PARTÍCULAS

2.9.1 MÉTODOS DE ENSAIO

As partículas magnéticas podem ser fornecidas na forma de pó, em pasta ou

dispersas em líquido. Em todos os casos, as partículas se constituem de um pó

ferromagnético de dimensões, forma, densidades e cor adequadas ao exame.

Denominamos de via ou veículo, o meio no qual a partícula está sendo aplicada:

Via Seca: Dizemos que as partículas são para via seca, como o próprio nome indica,

quando aplicadas a seco. Neste caso é comum dizer que o veículo que sustenta a

partícula até a sua acomodação é o ar. Na aplicação por via seca usamos aplicadores de pó manuais ou bombas

aspersoras que pulverizam as partículas na região do ensaio, na forma de jato de

pó.

As partículas para via seca devem ser guardadas em lugares secos e ventilados

para não se aglomerarem. É muito importante que sejam de granulometria

adequada para serem aplicadas uniformemente sobre a região a ser

inspecionada.

Comparando com o método por via úmida, as partículas por via seca são mais

sensíveis na detecção de descontinuidades próximas a superfície, mas não são

mais sensíveis para pequenas descontinuidades superficiais. Também, para uma

mesma área ou região examinada, o consumo é maior. Por outro lado, é possível

a reutilização das partículas, caso o local de trabalho permitir e que seja isenta de

contaminação.

Via Úmida: É método de ensaio pela qual as partículas encontram-se em dispersão em um

líquido, denominado de veículo. Este líquido pode ser a água, querosene ou óleo

leve.

No método por via úmida as partículas possuem granulometria muito fina, sendo

possível detectar descontinuidades muito pequenas, como trincas de fadiga.

69

Devemos ressaltar que neste método de ensaio, as partículas que estão em

dispersão, mesmo na presença do campo magnético, têm maior mobilidade do

que na via seca, e podem percorrer maiores distâncias enquanto se acomodam

ou até serem aprisionadas por um campo de fuga. Da mesma forma, nas

superfícies inclinadas ou verticais requerem menor esforço para remoção do

excesso.

Os aplicadores por via úmida são na forma de chuveiros de baixa pressão no

caso de máquinas estacionárias ou manuais, tipo borrifadores, que produzem

uma névoa sobre a região em exame. Contudo, nada impede que na aplicação

manual, a suspensão seja derramada sobre a peça.

A escolha do aplicador tipo borrifo tem finalidades econômicas e de execução do

ensaio, visto que a quantidade aplicada é menor, e para o inspetor a visualização

imediata das indicações, enquanto ocorre a acomodação das partículas e pouco

excesso para remoção.

Embora já exista no mercado suspensão em forma de spray, a aplicação mais

usual é a que é preparada pelo próprio inspetor.

O método por via úmida exige uma constante agitação da suspensão para

garantir a homogeneidade das partículas na região de exame. Essa agitação é

automática nas máquinas estacionárias. Na aplicação manual, o próprio inspetor

deverá fazê-la, agitando o aplicador antes de cada etapa de aplicação.

Preparação das Partículas Via Úmida: As partículas para serem aplicadas pelo método por via seca não requerem

preparação e são retiradas diretamente das embalagens para os aplicadores de

pó. Já as partículas para via úmida requerem a preparação da suspensão ou

banho. Estas partículas podem estar na forma de pó ou pasta.

A preparação da suspensão por via úmida é muito importante para garantia da

homogeneização do banho e dispersão das partículas na região em ensaio, após

aplicação. Os fabricantes indicam nas próprias embalagens os valores de

concentração adequada para a suspensão. Algumas partículas são utilizadas

tanto em querosene quanto em água, fazendo com que o banho tenha uma

composição homogênea, evitar a formação de espuma e a oxidação da superfície

da peça logo após o ensaio.

Deve-se salientar que no preparo da suspensão a partícula, que é um pó muito

70

fino, tem dificuldade de se misturar no líquido caso seja adicionada a este de uma

única vez. Na prática, o que faz é o inverso: o veículo da suspensão é adicionado aos

poucos a um copo contendo o pó e no início em pouquíssima quantidade, com

objetivo de permitir que sejam bem misturadas todas as partículas.

Só depois que o inspetor conseguir “quebrar” bem a aglomeração das partículas,

formando um “mingau”, é que se adiciona aos poucos o restante do veículo até

completar um litro, sem deixar de mexer ou agitar toda suspensão.

A verificação da concentração pode ser realizada de acordo com a norma ASTM

E-709, usando-se um tubo decantador padronizado graduado, que tem a forma de

pêra. Com ele, são retirados da suspensão pronta 100 ml, e aguarda-se 30

minutos.

Após esse tempo, verifica-se na base do tubo, a quantidade também em ml de

partículas decantadas, que se estiverem dentro da faixa recomendada pelas

normas, indicam que a suspensão está pronta para uso.

Os valores recomendados são de 1,2 a 2,4 ml para a inspeção por via úmida de

partículas observadas sob luz branca ou natural, e de 0,1 a 0,4 ml para as

partículas fluorescentes, que são observadas sob luz ultravioleta (ou luz negra).

Tais limites de concentração dependem da norma ou especificação aplicável.

71

Figura 2.29

2.9.2 ESCOLHA DO TIPO DAS PARTÍCULAS MAGNÉTICAS

A escolha da cor das partículas fica associada ou definida em função da cor de

fundo, cor da superfície da peça em exame, temperatura da superfície, posição da

peça. Procuramos usar uma partícula cuja cor produza com a superfície o melhor

contraste possível, garantindo-se dessa forma maior sensibilidade visual. A

temperatura pode ser um parâmetro para opção entre partículas via seca ou via

úmida. O Código ASME Sec. V Art.7 estabelece que partículas via seca podem

ser utilizadas em superfícies com temperatura até 3150C (6000F) e ainda que

partículas via úmida podem ser utilizadas em superfícies com temperatura até

57,20C (1350F).

A cor da partícula é uma pigmentação que tem também a finalidade de promover

um balanceamento das condições de densidade da mesma. No caso das

partículas para aplicação pelo método de via úmida é importante que a

pigmentação ou recobrimento da partícula acumulada nas indicações sem cor que

produza contraste suficiente com a superfície em exame. No mercado podemos encontrar partículas a serem aplicadas por via seca nas

cores: branca, cinza, amarela, vermelha e preta, conhecidas como partículas para

observação sob luz negra ou ultravioleta. Também sob as mesmas condições de

luz, as partículas por via úmida nas cores, preto, vermelho e fluorescente. As

fluorescentes podem, de acordo com o fabricante, apresentaram-se nas cores

72

amarelo-esverdeado ou alaranjado.

Figura 2.30 - Inspeção por partículas magnéticas fluorescentes de um anel contendo inúmeras

trincas. Foto extraída do catálogo da Karl Deutsch.

Com a finalidade de promover melhor visualização das partículas, foram

desenvolvidos mais recentemente os líquidos de contraste, que é uma tinta

branca em embalagem spray que é aplicada de forma uniforme sobre a superfície

de teste, garantindo um fundo uniforme que vai contrastar com a cor da partícula,

aumentando-se a sensibilidade da visualização.

A tinta de contraste é aplicada de maneira a criar um fundo branco sem, no

entanto interferir na mobilidade das partículas ou mesmo na intensidade dos

campos de fuga. A espessura do filme de tinta após seco é da ordem de 15mm

podendo variar até 50mm, não necessitando de ser verificada a espessura real.

O uso da tinta de contraste atribui grande segurança ao ensaio devido ao

contraste mantido em relação à cor das partículas magnéticas. No entanto, o

procedimento técnico de ensaio por partículas magnéticas deve ser verificado/

qualificado para certificar que a sensibilidade não está sendo prejudicada. Para

tanto se podem usar corpos de prova contendo indicações conhecidas, o próprio

padrão oitavado do ASTM A -709.

73

2.10 PROCEDIMENTO PARA ENSAIO

Seqüência básica para Aplicação do Ensaio:

a) Preparação da superfície; b) Seleção do equipamento para magnetização e das partículas

ferromagnéticas; c) Planejamento do ensaio; d) Magnetização da peça; e) Aplicação das partículas; f) Eliminação do excesso de partículas na superfície; g) Observação das indicações; h) Avaliação e registro dos resultados; i) Desmagnetização.

Preparação da Superfície: De acordo com a seqüência de execução do ensaio, o ensaio por Partículas

magnéticas, começa pela limpeza e/ ou preparação da superfície. O método de

preparação da superfície depende do tipo de peça, tamanho e quantidade. São

métodos de limpeza:

• Jato de areia ou granalha

• Escova de aço

• Solvente e panos umedecidos em solventes ou secos

• Limpeza química

• Vapor desengraxante

• Esmerilhamento

O objetivo desses métodos de limpeza é de retirar da superfície em exame toda a

sujeira, oxidação, carepas, respingos ou inclusões superficiais que prejudiquem o

ensaio com a formação de campos de fuga falsos, ou que, contaminem a

suspensão, caso o ensaio seja executado com via úmida, ou ainda que dificultem

a mobilidade das partículas sobre a superfície.

O jato de areia ou granalha é comumente utilizados na preparação de peças

automotivas ou componentes de máquinas, que, são colocados em cabines para

74

jateamento.

Escovas de aço que tanto podem ser rotativas, ou manuais são mais utilizadas na

preparação de peças soldadas. O solvente é empregado como uma

complementação aos métodos de limpeza anteriores, com o objetivo de promover

na região a ser inspecionada uma superfície isenta de graxas, óleo ou outro tipo

de contaminante que impeça ou prejudique o ensaio, mascarando os resultados.

É necessário garantir uma boa mobilidade das partículas. Caso as partículas

sejam aplicadas dispersas em água, a superfície deve estar isenta de óleo ou

graxa, caso contrário à peça não ficará “molhada”.

Seleção do Equipamento, Técnica para Magnetização e das Partículas

Magnéticas:

Como vimos, a escolha do equipamento para magnetização e do tipo de

partículas magnéticas, dependerá da forma da peça a ser ensaiada, do local para

execução do ensaio, do acabamento superficial da peça, e da especificação

técnica para inspeção. O ensaio por partículas magnéticas deve ser sempre

executado com base em um procedimento qualificado e aprovado, com finalidade

de estabelecer e fixar as variáveis essenciais do ensaio. Assim, a técnica de

magnetização, o método de ensaio, e outros, não necessitam serem

determinadas pelo inspetor responsável, no momento do ensaio.

Figura 2.31 - Inspeção por partículas magnéticas pela técnica do Yoke, de um chanfro preparado

para soldagem, em uma pá tipo “Francis” fundida em aço carbono, para usina hidroelétrica. Técnica do Campo Contínuo: É uma técnica utilizada na maioria dos casos em materiais com baixa

retentividade, onde a magnetização, aplicação do pó magnético, remoção do

excesso de pó, e a observação das descontinuidades são realizadas

seqüencialmente e simultaneamente, ou seja, de forma contínua.

Técnica do Campo Residual:

75

Nesta técnica, o material a ser inspecionado deve obrigatoriamente ter

características de alta retentividade, pois as operações de magnetização,

aplicação do pó magnético, remoção do excesso de pó, e a observação das

descontinuidades são efetuadas de forma separadas e sucessivas. Em geral,

apenas a técnica de contato direto para magnetização produz resultados

satisfatórios com campos residuais acima de 70 A/ m.

Planejamento do Ensaio e Magnetização da Peça: Escolhida a técnica de magnetização a ser empregada ou disponível para o

ensaio, é importante que o Inspetor procure visualizar ou esquematizar a peça,

como será o campo magnético formado, se longitudinal ou circular.

Essa visualização é importante, pois como não conhecemos a orientação das

descontinuidades vamos começar a fazer o ensaio por um ponto e, para

garantirmos que a inspeção foi adequada, capaz de detectar qualquer

descontinuidade em qualquer orientação, é preciso que, de acordo com a técnica

de magnetização utilizada, uma outra varredura, defasada de mais ou menos 90°

do eixo da anterior, seja realizada na mesma região.

Figura 2.32

A técnica de varredura descrita anteriormente é empregada na inspeção de peças

utilizando-se de um Ioque ou através da técnica de eletrodos, onde se

recomenda, para garantir uma varredura perfeita e com sobreposição adequada

entre uma e outra varredura, que o inspetor trace com giz de cera na peça os

pontos onde serão apoiadas as pernas do Ioque ou eletrodos, obtendo-se assim,

uma varredura seqüencial e com garantia de inspeção em 100% da região de

interesse, a posição dos pólos de contato 1-1 e 4-4 ou 2-2 e 3-3.

Já nas máquinas estacionárias, onde as peças a serem inspecionadas, como por

76

exemplo: pinos, bielas, engrenagens, disco, virabreguins, são submetidas, na

maioria das vezes, a dois campos magnéticos aplicados simultaneamente, sendo

um por corrente alternada - CA e outro, por corrente alternada retificada, ou

ambos por correntes alternadas defasadas, é necessário garantir a varredura de

toda a peça ou de uma região de interesse. Nesse caso, é importante verificar se

a intensidade do campo é adequada para se fazer a inspeção de toda a peça de

uma vez só. Caso isso não seja possível, é necessário inspecionar a peça em

partes, ou seções.

Portanto, de acordo com o equipamento disponível, em função de seus recursos e

capacidade, fazemos os ajustes nos campos de modo a obter um valor adequado.

O valor adequado para o campo magnético poderá, em alguns casos, ser

verificado através de padrões indicativos de campo magnético, ou padrão para

verificação do sistema de inspeção por partículas magnéticas citado pelo ASTM-

E-1444.

Figura 2.33 - Padrão indicativo de campo magnético recomendado pelo código ASME sec v art.7

e ASTM-E1444.

Influência do tipo de Corrente Elétrica Selecionada A Corrente Elétrica Alternada: este tipo de corrente elétrica promove uma maior

mobilidade das partículas, o que atribui uma maior sensibilidade para

descontinuidades superficiais, com pouca penetração no material.

A Corrente Elétrica Contínua promove pouca mobilidade das partículas, porém

atribui ao ensaio uma profundidade maior de detecção, sendo, portanto mais

indicada para descontinuidades subsuperficiais.

Estudos feitos com corpos de prova plano e circular contendo furos cilíndricos

dispostos a diversas profundidades em relação à superfície mostraram que a

sensibilidade de detecção destes defeitos artificiais variam em função da

77

magnitude e tipo da intensidade da corrente elétrica, da profundidade e do tipo de

pó ferromagnético utilizado. O gráfico da figura abaixo mostra os dados obtidos na

prática.

78

Figura 2.34

É interessante notar que o gráfico acima demonstra na prática que o uso da

técnica de magnetização por passagem de corrente elétrica retificada (DC) e pó

ferromagnético via seca corresponde à técnica que melhor detecta

descontinuidades subsuperficiais, que no caso foi de 2,0 a 12mm de

profundidade.

Aplicação das Partículas e Observação das Indicações: A aplicação das partículas ferromagnéticas deve ser feita de forma que seja

coberta toda a área de interesse, quer seja por via seca ou úmida. A remoção do

excesso de partículas sobre a superfície deve ser feita de modo a não eliminar as

indicações que se formam. Se as partículas forem por via seca, um leve sopro

deve ser aplicado. Se as partículas forem via úmida, o próprio veículo promove o

arrasto do excesso das partículas.

A observação das indicações se dará pela visualização dos pontos de acúmulo do

pó ferromagnético. Esta fase não é tão fácil, pois o inspetor pode confundir um

acúmulo de pó devido a uma ranhura ou mordedura, com uma descontinuidade,

levando a erros no julgamento dos resultados.

Para facilitar a visualização das indicações, pode ser aplicada uma fina camada

de tinta branca especial sobre a região a ser inspecionada, antes da aplicação

das partículas ferromagnéticas.

79

Avaliação e Registro dos Resultados: Como um ensaio por partículas magnéticas é um tanto quanto subjetivo, torna-se

necessário que, mesmo seguidos os critério e requisitos recomendados para o

ensaio com base nas normas aplicáveis, os resultados obtidos no ensaio na

mesma peça sob as mesmas condições. Para tal, além de ser seguido um

procedimento específico para cada tipo de trabalho que se fez, torna-se

necessário implementar uma correlação entre o mapa de registro dos resultados e

os relatórios emitidos, bem como a localização física da peça ou equipamento

submetido ao ensaio. Como orientação, sugerimos que seja elaborado um

relatório detalhando todas as características e parâmetros do ensaio, tais como:

• Peça ensaiada, desenho, posição, etc;

• Área de interesse;

• Norma de aceitação;

• Aparelho de magnetização;

• Tipo e intensidade da corrente elétrica utilizada;

• Tipo de pó magnético usado;

• Veículo, se aplicável;

• Concentração das partículas, se aplicável;

• Croquis da peça e das indicações observadas;

• Assinatura e identificação do inspetor responsável.

Uma das formas adequadas de registro das descontinuidades no caso de soldas,

é a de desenhá-las em fita crepe ou, caso disponha de maiores recursos, utilizar-

se de fotografias.

Conforme já mencionado, desde que todos os requisitos do ensaio, forem

cumpridos, torna-se fácil avaliação das indicações. O inspetor deverá,

naturalmente, estar familiarizado com os requisitos ou critérios de aceitação

recomendados pela norma aplicável.

80

Figura 2.35 - Técnica de Inspeção de fundidos usando Yoke com pernas articuláveis.

A observação e avaliação das indicações são processadas imediatamente após a

aplicação da suspensão ou do pó e durante a remoção do excesso, uma vez que

o comportamento da mobilidade das partículas, distribuição, contraste, etc.,

indicará a necessidade ou não de reinspeção da área. Notar que muitas vezes

poderão surgir indicações falsas ou não relevantes, sendo recomendado ao

inspetor muito cuidado na perfeita avaliação dos resultados obtidos. As condições

de iluminação são essenciais para êxito desta etapa.

Desmagnetização

Verificamos que alguns materiais possuem propriedades diferentes de

retentividade magnética, assim conforme a aplicação deste o magnetismo

residual contido na peça poderá provocar problemas das mais diferentes ordens. Para comprovarmos o nível de magnetismo residual, podem ser utilizados

aparelhos calibrados e especialmente projetados para isso, denominados

indicadores de campo residual ou gaussímetro. Níveis da ordem de 3 a 8 Gauss

de densidade de fluxo magnético residual são geralmente aceitáveis.

81

2.11 CALIBRAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS

A recomendação básica de todo sistema de garantia da qualidade, é que todos os

instrumentos de medição, inspeção e ensaio precisam estar calibrados. Para os

equipamentos que incorporam miliamperímetros, estes devem estar calibrados;

por outro lado os Yokes devem ser calibrados com o teste de elevação de carga

e/ ou terem a sua distribuição de campo magnético mapeado (magnetograma).

Em geral as normas e códigos estabelecem que os equipamentos de

magnetização devem ser calibrados de forma periódica de acordo com os

seguintes critérios:

Freqüência: Os equipamentos contendo amperímetro devem ser calibrados no

mínimo uma vez ao ano, ou quando ocorrer reparos elétricos ou danos.

Procedimento: Os amperímetros podem ser verificados por comparação com um

padrão rastreável a outro reconhecido. Leituras comparativas podem ser feitas no

mínimo em três níveis de saída de corrente dentro da faixa usual.

Tolerância: A medida realizada não deve variar mais do que ± 10% do fundo da

escala, relativa ao valor real da corrente.

É importante lembrar ao leitor que as calibrações e ajustes são válidos se padrões

calibrados e rastreáveis a entidades reconhecidas usadas nestes processos,

forem utilizados.

Figura 2.36 - Instrumentos de medição/ indicação de campo magnético residual denominado

Gaussímetro. Quando colocado sobre a superfície do material inspecionado, o instrumento deve indicar, com pouca precisão, o campo magnético residual. (Foto extraída do Catálogo Magnaflux)

82

2.12 CRITÉRIO DE ACEITAÇÃO DAS INDICAÇÕES

Descontinuidades próximas à superfície são indicadas pela retenção das

partículas ferromagnéticas na posição da descontinuidade, entretanto marcas de

usinagem, e irregularidades superficiais podem produzir falsas indicações,

devendo ser limpas ou reinspecionadas para saber se descontinuidades

inaceitáveis estão presentes. O critério para análise das indicações deve estar

baseado no código de projeto e construção do componente inspecionado.

2.12.1 CRITÉRIO DE ACEITAÇÃO CONFORME O CÓDIGO ASME

O critério de aceitação que segue abaixo, é uma tradução do Código ASME Séc

VIII Div.1 Apêndice 6, é aplicável para superfícies inspecionadas por partículas

magnéticas, projetadas conforme este código.

Avaliação das indicações: Uma indicação é uma evidência de uma imperfeição mecânica. Somente

indicações com dimensões maiores que 1/16 pol. (1,6mm) deve ser considerada

como relevante.

Uma indicação linear é aquela tendo um comprimento maior que três vezes a

largura.

Uma indicação arredondada é aquela na forma circular ou elíptica com

comprimento igual ou menor que três vezes a largura.

Qualquer indicação questionável ou duvidosa deve ser reinspecionada para

determinar se indicações relevantes estão ou não presentes.

Aceitação: Toda as superfícies devem estar livres de:

Indicações relevantes lineares;

Indicações relevantes arredondadas maiores que 3/ 16pol. (4,5mm);

Quatro ou mais indicações relevantes arredondadas em linha separadas por 1/16

pol. (1,6mm) ou menos (de borda a borda);

Uma indicação de uma imperfeição pode ser maior que a imperfeição, entretanto,

o tamanho da indicação é a base para a avaliação da aceitação.

83

2.12.2 CRITÉRIO DE ACEITAÇÃO DE SOLDAS CONFORME O CÓDIGO AWS

D1.1

O critério de aceitação conforme AWS D1.1 é o mesmo para inspeção visual e

que apresentamos a seguir:








(1) Proibição de Trincas Qualquer trinca é inaceitável, independente do tamanho e localização.

X X X

(2) Fusão entre metal base e solda Deve existir fusão entre a parte adjacente do metal base e a solda.

X X X

(3) Cratera Todas as crateras devem ser preenchidas para estabelecer a dimensão específica da solda, exceto nos terminais de soldas de filete intermitente externas aos seus comprimentos efetivos.

X X X

(4) Perfil das Soldas O perfil das soldas devem estar conforme 5.24 da AWS D1.1

X X X

(5) Período de Inspeção Inspeção visual das soldas em todos os aços pode iniciar imediatamente após ter sido a solda completada e resfriada na temperatura ambiente. Critério de aceitação para aços ASTM A514 e A 709 Grau 100 e 100W devem estar baseados na inspeção visual realizada não antes que 48 horas da solda estar completada.

X X X

(6) Soldas Subdimensionadas A dimensão da solda de filete em qualquer trecho contínuo pode ser menor que o valor nominal especificado (L) sem correção pelos seguintes valores de (U):

L U Dimensão nominal

específica da solda (mm) Redução permitida

de L (mm)

≤ 5 ≤ 2

6 ≤ 2,5

≥ 8 ≤ 3

Em todos os casos, a porção de sobreposição não deve exceder a 10% do comprimento da solda. Em soldas de flanges, sobreposição não é permitida nos terminais para um comprimento igual a duas vezes a largura do flange.

X X X

Tabela 2.4 - Tradução livre da tabela 6.1 do AWS D1.1:2000

Categoria da Descontinuidade e Critério de Conexões não

tubulares Conexões não

tubulares Conexões

tubulares (para

84

Inspeção carregadas estaticamente



(7) Mordedura (A) Para materiais menores que 1pol. (25,4mm) de espessura, mordeduras não devem exceder a 1/32pol. (1mm), exceto que um máximo de 1/16pol. (1,6 mm) sem correção para um comprimento acumulado de 2pol. (50mm) em qualquer 12 pol. (305mm). Para materiais iguais e maiores que 1 pol. De espessura, mordeduras não devem exceder a 1/16pol. (1mm) para qualquer comprimento de solda.

X

(B) Em membros primários, mordeduras não devem ser maiores que 0,01pol. (0,25mm) de profundidade quando a solda for transversal ao esforço de tensão sob qualquer condição de projeto de carga. Mordeduras não devem ser maiores que 1/32pol. (1mm) em profundidade para todos os casos.

X X

(8) Porosidade (A) Juntas de topo com penetração total transversal ao esforço de tensão projetada não deve ter porosidade visível. Para outras soldas com chanfros e soldas de filete a soma dos diâmetros das porosidades visíveis de 1/32pol. (1mm) ou maior não deve exceder 3/8pol. (19mm) em qualquer 12pol. (305mm) de comprimento de solda.

X

(B) A freqüência da porosidade em soldas de filete não deve exceder uma em cada 4pol. (100mm) de comprimento de solda e com máximo diâmetro de 3/32pol. (2mm). Exceção: para juntas de filete em reforços conectado a parte principal, a soma dos diâmetros da porosidade não deve exceder a 3/8 pol. (10mm) em qualquer polegada linear de solda e não deve exceder 3/4pol. (19mm) em qualquer 12pol. (305mm) de comprimento de solda.

X X

(C) Juntas de topo com conexão total transversal ao esforço de tensão projetada não deve ter porosidade visível. Para outras soldas com chanfros, a freqüência da porosidade não deve exceder uma em 4pol. (100mm) de comprimento e o máximo de diâmetro não deve exceder a 3/32pol. (2mm).

X X

Tabela 2.5- tRadução livre da tabela 6.1 do AWS D1.1:2000 (Cont.) 1. Um “X” indica aplicabilidade para o tipo da junta; a área sombreada indica não aplicabilidade.

Conforme pode ser observado, a tabela acima apresenta as dimensões máximas

das indicações permitidas para a inspeção visual e para testes superficiais, não

fazendo nenhuma distinção entre os métodos (partículas magnéticas ou líquidos

penetrantes), e depende da condição de carga da peça a ser inspecionada. Sendo assim, fica sendo muito difícil a aplicação desta especificação, pois a

indicação por partículas magnéticas é observada através do acúmulo do pó

85

ferromagnético sobre a descontinuidade e necessariamente a indicação é maior

que a descontinuidade, o que não é considerado pelo critério de aceitação acima.

Assim devemos rejeitar as indicações com dimensões acima do especificado.

2.13 REGISTRO DAS INDICAÇÕES

O registro das indicações produzidas por partículas magnéticas não é uma tarefa

simples de ser elaborada. Quando o registro é requerido por especificações ou

procedimento escrito, não somente a forma geométrica das indicações deverá ser

registrada no relatório, como também a localização física destas na peça

ensaiada, para uma perfeita rastreabilidade entre o documento e a peça. As

formas possíveis de serem registradas as indicações produzidas por partículas

magnéticas são as recomendadas pela norma ASTM E-1444, que segue:

2.13.1 DESCRIÇÃO ESCRITA

É a descrição escrita no relatório de ensaio da direção, comprimento, e número

das indicações nos croquis da peça.

2.13.2 FITA TRANSPARENTE

Para partículas via seca, pode ser utilizada uma fita adesiva transparente aplicada

sobre a indicação, em que as partículas irão ficar aderidas, podendo ser

transferidas para o relatório contendo informações adicionais sobre cada

indicação.

2.13.3 SPRAY PLÁSTICO

Uma outra forma de fazer com que as partículas ferromagnéticas fiquem aderidas

é através da aplicação de um spray de forma a ser obtido um filme plástico

transparente sobre a superfície inspecionada. O filme plástico contendo as

indicações é removido da peça e transferido para o relatório de ensaio,

introduzindo maiores detalhes e informações da inspeção.

86

2.13.4 PROCESSO FOTOGRÁFICO

Uma das formas mais utilizadas para registro das indicações produzidas por

partículas magnéticas é a utilização da fotografia ou vídeo. Este método permite

reproduzir com mais fidelidade a disposição das indicações de um modo geral,

podendo ainda ser transferidas ao relatório de ensaio. A fotografia pode ser por

meio de filme fotográfico ou pela utilização de câmaras digitais que agilizam mais

o processo, pois não requer revelação e permite imprimir as fotos diretamente no

relatório. O inconveniente deste método é que o inspetor necessita de ter noções

de fotografia para maior nitidez do registro.

É importante lembrar ao leitor que o requisito de registro de indicações produzidas

por partículas magnéticas são incomuns nesta inspeção, pois dada à facilidade

com que a técnica não destrutiva pode ser aplicada, os reparos podem ser

efetuados de imediato, reinspecionando a seguir, evitando assim o registro

detalhado das indicações produzidas. A prática de registro é mais comum quando

se trata de assistência técnica e manutenção, onde o relatório do ensaio contendo

todas as indicações serão objetos integrantes do orçamento para reparo ou ainda

cobertura proporcionada pela garantia da peça.

87

Figura 2.37 - Equipamento para iluminação por luz ultravioleta (luz negra) para uso com

partículas magnéticas fluorescentes. De acordo com a norma aplicável o nível mínimo da intensidade de luz na superfície deve ser de 1000 μ W/ cm2, medido com instrumento calibrado

e adequado a este tipo de luz. (Foto extraída do catálogo da Magnaflux)

Figura 2.38 - Indicação típica de trinca num eixo automotivo, obtido pela técnica de

magnetização por contato direto - método via seca com partículas visíveis com luz branca. (Foto extraída do filme “Ensaio por Partículas Magnéticas”)

2.14 SEGURANÇA NO ENSAIO

A segurança no manuseio das partículas magnéticas, secas ou úmidas, óleo,

condicionadores, solventes, devem ser descritos pelos fabricantes destes

produtos, no entanto devemos chamar a atenção para algumas características

ligadas à segurança no manuseio, tais como:

2.14.1 INFLAMABILIDADE

O ponto de fulgor dos produtos envolvidos no ensaio devem ser objetos de testes

pelos fabricantes destes, para prevenir a combustão de produtos na área de

inspeção.

88

2.14.2 RISCOS DE INALAÇÃO

Precauções contra inalação dos produtos, principalmente aqueles que serão

pulverizados, ou ainda proteção para pele, e exposição dos olhos. Estas

instruções devem ser relatadas pelos fabricantes destes produtos. 2.14.3 RISCOS À ELETRICIDADE

Os equipamentos de magnetização devem sofrer manutenção periódica no

sentido de prevenir quanto ao risco de choques elétricos, e ainda abertura de

arcos e ignição.

2.14.4 LUZ ULTRAVIOLETA

Como foi visto, é recomendado uma intensidade de luz negra sobre a superfície

da peça de 1000 µW/ cm2, e este deve também ser o limite máximo para

exposição da pele e olhos. Filtros trincados devem ser trocados imediatamente.

2.14.5 ADAPTAÇÃO AO AMBIENTE ESCURECIDO

O inspetor que realizará inspeção por partículas magnéticas usando partículas

fluorescentes, devem aguardar no mínimo 1 minuto após de ter entrado numa

área escurecida para que seus olhos se adaptem ao baixo nível de iluminação

antes de iniciar o ensaio.

89

3 ENSAIO POR ULTRA-SOM 3.1 PRINCÍPIOS BÁSICOS DO MÉTODO

3.1.1 INTRODUÇÃO

Sons extremamente graves ou agudos podem passar desapercebidos pelo

aparelho auditivo humano, não por deficiência deste, mas por caracterizarem

vibrações com freqüências muito baixas, até 20Hz (infra-som) ou com freqüências

muito altas acima de 20kHz (ultra-som), ambas inaudíveis.

Como sabemos, os sons produzidos em um ambiente quaisquer, refletem-se ou

reverberam nas paredes que consistem o mesmo, podendo ainda ser transmitidos

a outros ambientes.

Fenômenos como este apesar de simples e de serem freqüentes em nossa vida

cotidiana constituem os fundamentos do ensaio ultra-sônico de materiais.

No passado, testes de eixos ferroviários, ou mesmos sinos, eram executados

através de testes com martelo, em que o som produzido pela peça, denunciava a

presença de rachaduras ou trincas grosseiras pelo som característico.

Assim como uma onda sonora reflete ao incidir num anteparo qualquer, a

vibração ou onda ultra-sônica ao percorrer um meio elástico refletirá da mesma

forma, ao incidir num anteparo qualquer, a vibração ou onda ultra-sônica ao

percorrer um meio elástico, refletirá da mesma forma, ao incidir numa

descontinuidade ou falha interna a este meio considerado. Através de aparelhos

especiais, detectamos as reflexões provenientes do interior da peça examinada,

localizando e interpretando as descontinuidades.

90

Figura 3.1

3.1.2 FINALIDADE DO ENSAIO

O ensaio por ultra-som caracteriza-se num método não destrutivo que tem por

objetivo a detecção de defeitos ou descontinuidades internas, presentes nos mais

variados tipos ou forma de materiais ferrosos ou não ferrosos.

Tais defeitos são caracterizados pelo próprio processo de fabricação da peça ou

componentes a ser examinada como, por exemplo: bolhas de gás fundidos, dupla

laminação em laminados, micro-trincas em forjados, escorias em uniões soldadas

e muitos outros. Portanto, o exame ultra-sônico, assim como todo exame não destrutivo, visa

diminuir o grau de incerteza na utilização de materiais ou peças de

responsabilidades.

91

Figura 3.2 - Inspeção por ultra-som de um virabrequim.

Foto extraída de trabalho técnico da Krautkramer.

3.1.3 CAMPO DE APLICAÇÃO

Em 1929 o cientista Sokolov, fazia as primeiras aplicações da energia sônica para

atravessar materiais metálicos, enquanto que 1942 Firestone, utilizara o princípio

da ecosonda ou ecobatímetro, para exames de materiais. Somente em 1945 o

ensaio ultra-sônico iniciou sua caminhada em escala industrial, impulsionado

pelas necessidades e responsabilidades cada vez maiores. Hoje, na moderna

indústria, principalmente nas áreas de caldeiraria e estruturas marítimas, o exame

ultra-sônico, constitui uma ferramenta indispensável para garantia da qualidade

de peças de grandes espessuras, geometria complexa de juntas soldadas,

chapas.

Na maioria dos casos, os ensaios são aplicados em aços-carbonos, em menor

porcentagem em aços inoxidáveis. Materiais não ferrosos são difíceis de serem

examinados, e requerem procedimentos especiais.

3.2 LIMITAÇÕES EM COMPARAÇÃO COM OUTROS ENSAIOS

Assim como todo ensaio não-destrutivo, o ensaio ultra-sônico, possui vantagens e

limitações nas aplicações, como segue:

92

3.2.1 VANTAGENS EM RELAÇÃO A OUTROS ENSAIOS

O método ultra-sônico possui alta sensibilidade na detectabilidade de pequenas

descontinuidades internas, por exemplo:

Trincas devido a tratamento térmico, fissuras e outros de difícil detecção por

ensaio de radiações penetrantes (radiografia ou gamagrafia).

Para interpretação das indicações, dispensa processos intermediários, agilizando

a inspeção.

No caso de radiografia ou gamagrafia, existe a necessidade do processo de

revelação do filme, que via de regra demanda tempo do informe de resultados.

Ao contrário dos ensaios por radiações penetrantes, o ensaio ultra-sônico não

requer planos especiais de segurança ou quaisquer acessórios para sua

aplicação. A localização, avaliação do tamanho e interpretação das descontinuidades

encontradas são fatores intrínsecos ao exame ultra-sônico, enquanto que outros

exames não definem tais fatores. Por exemplo, um defeito mostrado num filme

radiográfico define o tamanho, mas não sua profundidade e em muitos casos este

é um fator importante para proceder a um reparo.

3.2.2 LIMITAÇÕES EM RELAÇÃO A OUTROS ENSAIOS

Requer grande conhecimento teórico e experiência por parte do inspetor.

O registro permanente do teste não é facilmente obtido.

Faixas de espessuras muito finas constituem uma dificuldade para aplicação do

método.

Requer o preparo da superfície para sua aplicação. Em alguns casos de inspeção

de solda, existe a necessidade da remoção total do reforço da solda, que

demanda tempo de fábrica.

93

Nenhum ensaio não destrutivo deve ser considerado o mais sensível ou o mais

completo, pois as limitações e as vantagens fazem com que aplicação de cada

ensaio seja objeto de análise e estudo da viabilidade de sua utilização, em

conjunto com os Códigos e Normas de fabricação. 3.3 VIBRAÇÕES MECÂNICAS

3.3.1 TIPOS DE ONDAS

Como já vimos, o teste ultra-sônico de materiais é feito com o uso de ondas

mecânicas ou acústicas colocadas no meio em inspeção, ao contrário da técnica

radiográfica, que usa ondas eletromagnéticas. Qualquer onda mecânica é

composta de oscilações de partículas discretas no meio em que se propaga. A

passagem de energia acústica no meio faz com que as partículas que compõem o

mesmo, execute o movimento de oscilação em torno na posição de equilíbrio,

cuja amplitude do movimento será diminuído com o tempo em posição de

equilíbrio, cuja amplitude do movimento será diminuído com o tempo em

decorrência da perda de energia adquirida pela onda. Se assumirmos que o meio

em estudo é elástico, ou seja, que as partículas que o compõem rigidamente

ligadas, mas que podem oscilar em qualquer direção, então podemos classificar

as ondas acústicas em quatro tipos:

Ondas longitudinais (Ondas de compressão): São ondas cujas partículas oscilam na direção de propagação da onda, podendo

ser transmitidas a sólidos, líquidos e gases.

94

Figura 3.3

No desenho acima se nota que o primeiro plano de partículas vibra e transfere

sua energia cinética para os próximos planos de partículas, e passam a oscilar.

Desta maneira, todo o meio elástico vibra na mesma direção de propagação da

onda (longitudinal), e aparecerão “zonas de compressão” e “zonas diluídas”. As

distâncias entre duas zonas de compressão determinam o comprimento de onda

(l).

Em decorrência do processo de propagação, este tipo de onda possui uma alta

velocidade de propagação, característica do meio.

Velocidades de Propagação das Ondas Longitudinais

Material Velocidade m/ s Ar 330

Alumínio 6.300Cobre 4.700Ouro 3.200Aço 5.900

Aço Inoxidável 5.800Nylon 2.600

Óleo (SAE 30) 1.700Água 1.480Prata 3.600

Titânio 6.100Níquel 5.600

Tungstênio 5.200Magnésio 5.800Acrílico 2.700

Aço Inoxidável 5.800Aço Fundido 4.800

Tabela 3.1

95

Ondas transversais (ou ondas de cisalhamento): Uma onda transversal é definida, quando as partículas do meio vibram na direção

perpendicular ao de propagação. Neste caso, observamos que os planos de

partículas, mantém-se na mesma distância um do outro, movendo-se apenas

verticalmente.

Figura 3.4

As partículas oscilam na direção transversal a direção de propagação, podendo

ser transmitidas somente a sólidos. As ondas transversais são praticamente

incapazes de se propagarem nos líquidos e gases, pelas características das

ligações entre partículas, destes meios. O comprimento de onda é à distância

entre dois “vales” ou dois “picos”.

Velocidades de Propagação das Ondas Transversais

Material Velocidade m/ s Ar -

Alumínio 3.100Cobre 2.300Acrílico 1.100

Alumínio 3.100Ouro 1.200Aço 3.200

Aço Inoxidável 3.100Aço Fundido 2.400

Nylon 1.100Óleo (SAE 30) -

Água -Prata 1.600

Titânio 3.100Níquel 3.000

Magnésio 3.000

Tabela 3.2 - - Fonte: Ultrasonic Testing, Krautkramer.

96

Ondas superficiais ou Ondas de Rayleigh São assim chamadas, pelas características de se propagar na superfície dos

sólidos. Devido ao complexo movimento oscilatório das partículas da superfície, a

velocidade de propagação da onda superficial entre duas fases diferentes é de

aproximadamente 10% inferior que a de uma onda transversal.

Para o tipo de onda superficial que não possui a componente normal, portanto se

propaga em movimento paralelo a superfície e transversal em relação à direção

de propagação recebe a denominação de ondas de “Love”.

Sua aplicação se restringe ao exame de finas camadas de material que recobrem

outros materiais.

Para ondas superficiais que se propagam com comprimento de onda próxima a

espessura da chapa ensaiada, neste caso a inspeção não se restringe somente a

superfície, mas todo o material e para esta particularidade denominamos as

ondas de “Lamb”.

As ondas de “Lamb” podem ser geradas a partir das ondas longitudinais incidindo

segundo um ângulo de inclinação em relação à chapa. A relação entre o ângulo e

velocidade é feita pela relação:

O ensaio ultra-sônico de materiais com ondas superficiais são aplicados com

severas restrições, pois somente são observados defeitos de superfícies e nestes

casos, existem processos mais simples para a detecção destes tipos de

descontinuidades, dentro dos ensaios não destrutivos como, por exemplo, de

líquidos penetrantes e partículas magnéticas, que em geral são de custo e

complexidade inferior ao ensaio ultra-sônico.

97

3.3.2 FREQÜÊNCIA, VELOCIDADE E COMPRIMENTO DE ONDA

Freqüência As ondas acústicas ou som propriamente dito, são classificados de acordo com

suas freqüências e medidos em ciclos por segundo, ou seja, o número de ondas

que passam por segundo pelo nossos ouvidos. A unidade “ciclos por segundos” é

normalmente conhecida por “Hertz”, abreviatura “Hz”.

Assim sendo se tivermos um som com 280Hz, significa que por segundo passam

280 ciclos ou ondas por nossos ouvidos. Note que freqüências acima de

20.000Hz são inaudíveis denominadas freqüências ultra-sônica.

Figura 3.5

Considera-se 20kHz o limite superior audível e denomina-se a partir desta,

freqüência ultra-sônica.

Velocidade de propagação Existem várias maneiras de uma onda sônica se propagar, e cada uma com

características particulares de vibrações diferentes.

Definimos “Velocidade de propagação” como sendo a distância percorrida pela

onda sônica por unidade de tempo. É importante lembrar que a velocidade de

propagação é uma característica do meio, sendo uma constante, independente da

freqüência.

98

Comprimento de Onda Quando atiramos uma pedra num lago de águas calmas, imediatamente criamos

uma perturbação no ponto atingido, formando assim, ondas superficiais circulares

que se propagam sobre a água. Neste simples exemplo, podemos imaginar o que

definimos anteriormente de freqüência como sendo o número de ondas que

passam por um observador fixo, também podemos imaginar a velocidade de

propagação pela simples observação e ainda podemos estabelecer o

comprimento entre dois picos de ondas consecutivos. A esta medida

denominamos comprimento de onda, e representaremos pela letra grega Lambda

“l“. 3.3.3 RELAÇÕES ENTRE VELOCIDADE, COMPRIMENTO DE ONDA E

FREQÜÊNCIA.

Considerando uma onda sônica se propagando num determinado material com

velocidade “V”, freqüência “f”, e comprimento de onda “ λ “, podemos relacionar

estes três parâmetros como segue:

V = λ . f

A relação acima permite calcular o comprimento de onda, pois a velocidade é em

geral conhecida e depende somente do modo de vibração e o material, por outro

lado à freqüência depende somente da fonte emissora, que também é conhecida.

Exemplo de aplicação: Uma onda longitudinal ultra-sônica, com freqüência 2 MHz é utilizada para

examinar uma peça de aço. Qual o comprimento de onda gerado no material?

Solução: Como vimos anteriormente, a faixa de freqüência normal utilizada para aplicações

industriais, compreende entre 1 MHz até 5 MHz. No exemplo acima a freqüência

de 2 MHz corresponde a 2 milhões de ciclos por segundos ou seja 2 x 106 Hz.

Teremos:

V= λ . f ou λ = fV

sendo V = 5900 m/ s vem que:

99

λ = 5900 m/ s metros 2 x 106 Hz

λ = 2950 x 106m ou λ = 2,95 mm

O conhecimento do comprimento de onda é de significante importância, pois se

relaciona diretamente com o tamanho do defeito a ser detectado. Em geral, o

menor diâmetro de uma descontinuidade a ser detectada no material deve ser da

ordem de λ / 2. Assim se inspecionarmos um material de velocidade de

propagação de 5900 m/s com uma freqüência de 1 MHz , a mínima

descontinuidade que poderemos detectar será de aproximadamente 2,95 mm de

diâmetro.

3.3.4 DEFINIÇÕES DE BELL, DECIBELL E GANHO

Nível de Intensidade Sonora: O “Bell” abreviado “B” é uma grandeza que define o nível de intensidade sonora

(NIS) que compara as intensidades de dois sons quaisquer, como segue:

N.I.S. = log 0II B

Onde I e 0I são duas intensidades sonoras medidas em Watts por centímetros quadrados (W/cm2).

Por outro lado, o decibell equivale a 1/10 do Bell e em geral é normalmente

utilizado para medidas de N.I.S., e, portanto a equação será:

N.I.S. = 10log 0II dB

Entretanto, a teoria dos movimentos harmônicos na propagação ondulatória nos

ensina que a intensidade de vibração é proporcional ao quadrado da amplitude

sonora, I = (A)2 ,e portanto devemos reescrever na forma de N.A.S (nível de

amplitude sonora):

N.A.S. = 10log 2

0

2

)A()A( dB (Nível de amplitude sonora).

N.A.S. = 20log 0A

A dB

Esta relação pode ser entendida como sendo a comparação efetuada por um

100

sistema eletrônico de duas amplitudes de sinais, emitida e recebida pelo

transdutor ultra-sônico, ou simplesmente conhecido por “Ganho”.

Exemplo de aplicação: Quais são os ganhos correspondentes a uma queda de 50% e 20% nas

amplitudes de dois sinais na tela do aparelho de ultra-som, como mostrado na

figura abaixo?

Figura 3.6

a) para variação de 50%

G = 20log 0,50 dB

G = - 6 dB

b) para variação de 20%

G = 20log 0,20 dB

G = -14 dB

101

3.3.5 PROPAGAÇÃO DAS ONDAS ACÚSTICAS NO MATERIAL

Campo Próximo ou Zona de Fresnel Para o entendimento dos fenômenos que iremos descrever a seguir, imaginemos

que o cristal piezelétrico gerador de ondas ultra-sônicas, seja formado por infinitos

pontos oscilantes de forma que cada ponto produz ondas que se propagam no

meio.

Tal qual uma pedra que caindo num lago de águas calmas produzirá ondas

circulares na superfície, cada ponto do cristal também se comportará da mesma

forma, ou seja, produzirá ondas esféricas no meio de propagação, como mostra a

figura seguinte. Os pontos selecionados 1, 2 e 3 do cristal emitem ondas esféricas

que se propagam no meio.

Figura 3.7

Note que nas proximidades do cristal existe uma interferência ondulatória muito

grande entre as ondas provenientes dos pontos 1, 2 e 3 do cristal. À medida que

nos afastamos do cristal, as interferências vão diminuindo e desaparecendo,

tornando uma só frente de onda. À região próxima do cristal onde os fenômenos

acima se manifestam denomina-se Campo Próximo com uma extensão N que

depende do diâmetro do cristal, e do comprimento de onda λ da vibração,

podendo ser calculado pela fórmula:

102

onde:

Def = diâmetro efetivo do cristal. É a área acusticamente efetiva do cristal, que

depende da sua forma geométrica. Para cristais circulares, Def = 0,97 x diâmetro do cristal.

Para cristais retangulares, Def = 0,97 x metade do comprimento do lado maior do

cristal.

f = freqüência ultra-sônica

λ = comprimento de onda

v = velocidade de propagação do som = λ x f

Exemplo de aplicação: Calcule o campo próximo de um transdutor normal com diâmetro 10mm e

freqüência de 4MHz, quando inspecionando aço.

Solução: Para o cálculo é necessário que as unidades estejam coerentes, ou seja: “D” em mm, “f” em Hz, “ λ ” em mm e “v” em mm/ s

Sendo: v = 5900m/ s ou 5900.000mm/ s, para o aço.

N = Def.2/ 4. λ ou N = Def.2.f / 4.v = 102 x 4.000.000 / 4 x 5900.000mm

N = 16mm

O campo próximo representa para efeitos práticos, uma dificuldade na avaliação

ou detecção de pequenas descontinuidades, isto é, menores que o diâmetro do

transdutor. Portanto o inspetor de ultra-som deve ficar atento a este problema.

3.3.6 CAMPO LONGÍNQUO OU DISTANTE OU ZONA DE FRAUNHOFER

A região que vem a seguir do campo próximo é o campo longínquo também

denominado pela literatura especializada de Campo Distante. Nesta região a onda

sônica se diverge igual ao facho de luz de uma lanterna em relação ao eixo

central e ainda diminui de intensidade quase que com o inverso do quadrado da

distância.

Em razão da existência do campo próximo, do campo distante, e do fenômeno da

divergência, na literatura o campo sônico tem a forma geral visualizada conforme

103

o desenho abaixo.

Figura 3.8

Campo sônico de um transdutor, representado pela região (1) onde pequenas

descontinuidades são difíceis de serem detectadas (campo próximo), a região (2)

descontinuidades maiores podem ser detectadas e na região (3) onde qualquer

descontinuidade compatível com o comprimento de onda pode ser detectada. As

linhas limítrofes do campo no desenho são didáticas, e não significa que não

existe nenhuma vibração sônica nestas regiões. 3.3.7 ATENUAÇÃO SÔNICA

A onda sônica ao percorrer um material qualquer sofre, em sua trajetória efeitos

de dispersão e absorção, resultando na redução da sua energia ao percorrer um

material qualquer.

A dispersão deve-se ao fato da matéria não ser totalmente homogênea, contendo

interfaces naturais de sua própria estrutura ou processo de fabricação. Por

exemplo, fundidos, que apresentam grãos de grafite e ferrita com propriedades

elásticas distintas. Para esta mudança das características elásticas de ponto num

mesmo material denominamos anisotropia, que é mais significativo quando o

tamanho de grão for 1/10 do comprimento de onda.

O fenômeno da absorção ocorre sempre que uma vibração acústica percorre um

meio elástico. É a energia cedida pela onda para que cada partícula do meio

execute um movimento de oscilação, transmitindo a vibração às outras partículas

do próprio meio.

Portanto, o resultado dos efeitos de dispersão e absorção quando somados

resultam na atenuação sônica. Na prática, este fenômeno poderá ser visualizado,

quando observamos na tela do aparelho de ultra-som, vários ecos de reflexão de

104

fundo provenientes de uma peça com superfícies paralelas. As alturas dos ecos

diminuem com a distância percorrida pela onda.

O fenômeno da atenuação é importante quando inspecionamos peças em que

este fator pode inviabilizar o ensaio. É o caso de soldas em aços inoxidáveis

austeníticos, peças forjadas em aços inoxidáveis, que são exemplos clássicos

desta dificuldade. O controle e avaliação da atenuação nestes casos é razão para

justificar procedimentos de ensaio especiais.

A tabela abaixo apresenta alguns valores de atenuação.

Material aço Cr-Ni Atenuação sônica em dB/ mm forjados 0,009 a 0,010

laminados 0,018 fundidos 0,040 a 0,080

Tabela 3.3

A avaliação da atenuação do material na prática pode ser feita através do uso dos

diagramas AVG ou DGS mostrados a seguir.

3.3.8 DIVERGÊNCIA DO FEIXE SÔNICO

Outro fenômeno físico que é responsável pela perda de parte da intensidade ou

energia da onda sônica é a divergência que se pronuncia à medida que

afastamos da fonte emissora das vibrações acústicas.

Tal fenômeno pode ser observado quando detectamos um defeito pequeno com o

feixe ultra-sônico central do transdutor, em que nestas condições a amplitude do

eco na tela do aparelho é máxima. Porém quando afastamos o transdutor

lateralmente ao defeito, a amplitude diminui, indicando uma queda da

sensibilidade de detecção do mesmo defeito. Este fenômeno é medido pelo fator

"k" na fórmula da divergência, e assume valores mostrados na tabela abaixo.

Quanto mais a borda do feixe sônico incide na descontinuidade, menor será a

amplitude do eco e que está relacionado ao fator "k".

105

Figura 3.9

Valores de K em função da redução da intensidade sônica

K % dB 0,37 71 -3,0 0,51 50 -6,0 0,70 25 -12,0 0,87 10 -20,0 0,93 6 -24,0 1,09 1 -40,0 1,22 0 0

Tabela 3.4 A figura abaixo mostra a diferença de sensibilidade (altura do eco de reflexão)

quando detectamos o defeito com o feixe ultra-sônico central (1) e quando

detectamos o mesmo defeito com a borda do feixe ultra-sônico (2).

106

Figura 3.10

3.3.9 GERAÇÃO DAS ONDAS ULTRA-SÔNICAS

Efeito Piezelétrico: As ondas ultra-sônicas são geradas ou introduzidas no material através de um

elemento emissor com uma determinada dimensão e que vibra com uma certa

freqüência. Este emissor pode se apresentar com determinadas formas (circular,

retangular). Tanto o elemento emissor e receptor, são denominados transdutores,

também designados por cabeçotes.

Diversos materiais (cristais) apresentam o efeito piezelétrico. Se tomarmos uma

lâmina de certo formato (placa) e aplicarmos uma pressão sobre o mesmo,

surgem em sua superfície cargas elétricas. O efeito inverso também é verdadeiro:

se aplicarmos dois eletrodos sobre as faces opostas de uma placa de cristal

piezelétrico, de maneira que possamos carregar as faces eletricamente, a placa

comporta-se como se estivesse sobre pressão e diminui de espessura.

O cristal piezelétrico pode transformar a energia elétrica alternada em oscilação

mecânica e transformar a energia mecânica em elétrica.

107

cristal piezoelétrico revestido com prata metálica em ambos os lados.

Contatos elétricos –1000 V, AC

Cargas elétricas geradas na superfície do cristal

Vibrações mecânicas

cristal piezoelétrico revestido com prata metálica em ambos os lados.

Contatos elétricos –1000 V, AC

Cargas elétricas geradas na superfície do cristal

Vibrações mecânicas Figura 3.11 - Figura mostrando a contração e expansão do cristal quando submetido a uma alta tensão alternada na mesma freqüência ultra-sônica emitida pelo cristal. É um

processo de transformação da energia elétrica em energia mecânica.

Tal fenômeno é obtido aplicando-se eletrodos no cristal piezelétrico com tensão

elétrica alternada da ordem de 1000V, de maneira que o mesmo se contrai e se

estende ciclicamente. Se tentarmos impedir esse movimento à placa transmite

esforços de compressão as zonas adjacentes, emitindo uma onda longitudinal,

cuja forma depende da freqüência de excitação e das dimensões do cristal.

Tipos de Cristais: Materiais piezelétricos são: o quartzo, o sulfato de lítio, o titanato de bário, o

metaniobato de chumbo. Quartzo é um material piezelétrico mais antigo,

translúcido e duro como o vidro sendo cortado a partir de cristais originários no

Brasil. Sulfato de Lítio é um cristal sensível à temperatura e pouco resistente.

Titanato de Bário e metaniobato de chumbo são materiais cerâmicos que

recebem o efeito piezelétrico através de polarização.

Esses dois cristais são os melhores emissores, produzindo impulsos ou ondas de

grande energia, se comparadas com aquelas produzidas por cristais de quartzo.

Para a inspeção ultra-sônica, interessa não só a potência de emissão, mas

também a sensibilidade da recepção (resolução). A freqüência ultra-sônica gerada

pelo cristal dependerá da sua espessura, cerca de 1mm para 4 MHz e 2mm para

2MHz.

Os cristais acima mencionados são montados sobre uma base de suporte (bloco

amortecedor) e junto com os eletrodos e a carcaça externa constituem o

transdutor ou cabeçote propriamente dito. Existem três tipos usuais de

transdutores: Reto ou Normal, o angular e o duplo - cristal.

108

3.3.10 TRANSDUTORES NORMAIS OU RETOS

São assim chamados os cabeçotes monocristais geradores de ondas

longitudinais normal à superfície de acoplamento.

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 ultra-sônico 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 face de contato do transdutor com a peça deve ser protegida contra desgastes

mecânicos podendo utilizar membranas de borracha finas e resistentes ou

camadas fixas de epóxi enriquecido com óxido de alumínio.

Em geral os transdutores normais são circulares, com diâmetros de 5 a 24mm,

com freqüência de 0,5; 1; 2; 2,5; 5 e 6MHz. Outros diâmetros e freqüências

existem, porém para aplicações especiais.

O transdutor normal tem sua maior utilização na inspeção de peças com superfícies paralelas ou quando se deseja detectar descontinuidade na direção perpendicular à superfície da peça. É o exemplo de chapas, fundidos e forjados.

Transdutor Normal ou Reto

O transdutor normal tem sua maior utilização na inspeção de peças com superfícies paralelas ou quando se deseja detectar descontinuidade na direção perpendicular à superfície da peça. É o exemplo de chapas, fundidos e forjados.

Transdutor Normal ou Reto

Figura 3.12

109

3.3.11 TRANSDUTORES ANGULARES

A rigor, diferem dos 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.

O ângulo nominal, sob o qual o feixe ultra-sônico penetra no material vale

somente para inspeção de peças em aço; se o material for outro, deve-se calcular

o ângulo real de penetração utilizando a Lei de Snell. A mudança do ângulo deve-

se à mudança de velocidade no meio. O cristal piezelétrico com dimensões que podem variar entre 8 x 9mm até 15 x

20mm, somente recebe ondas ou impulsos ultra-sônicos que penetram na cunha

em uma direção paralela à de emissão, em sentido contrário. A cunha de plástico

funciona como amortecedor para o cristal piezelétrico, após a emissão dos

impulsos.

O transdutor angular é muito utilizado na inspeção de soldas e quando a descontinuidade está orientada perpendicularmente à superfície da peça

Transdutor Angular

O transdutor angular é muito utilizado na inspeção de soldas e quando a descontinuidade está orientada perpendicularmente à superfície da peça

Transdutor Angular Figura 3.13

110

3.3.12 TRANSDUTORES DUPLO-CRISTAL OU SE

Existem problemas de inspeção que não podem ser resolvidos nem com

transdutores retos nem com angulares. Quando se trata de inspecionar ou medir

materiais de reduzida espessura, ou quando se deseja detectar descontinuidades

logo abaixo da superfície do material, a “zona morta” existente na tela do aparelho

impede uma resposta clara.

O cristal piezelétrico recebe uma “resposta” 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 ultra-

som por um cabo duplo; o aparelho deve ser ajustado para trabalhar agora com 2

cristais.

Os cristais são montados sobre blocos de plástico especial de baixa atenuação.

Devido a esta inclinação, os transdutores duplos não podem ser usados para

qualquer distância (profundidade). Possuem sempre uma faixa de inspeção ótima,

que deve ser observada. Fora desta zona a sensibilidade se reduz. Em certos

casos estes transdutores duplos são utilizados com “focalização”, isto é, feixe é

concentrado em uma determinada zona do material para a qual se deseja máxima

sensibilidade.

O transdutor duplo-cristal é o mais indicado e largamente utilizado nos

procedimentos de medição de espessura por ultra-som.

111

O transdutor duplo-cristal tem sua utilização maior, na detecção de descontinuidades próximas da superfície, acima de 3mm de profundidade e em medição de espessura, em razão do seu feixe sônico ser focalizado. Em geral, por ocasião da aquisição deste transdutor , deve se verificar qual a faixa de espessura que se pretende medir e qual o modelo ideal para esta aplicação.

Transdutor Duplo-Cristal ou SE

O transdutor duplo-cristal tem sua utilização maior, na detecção de descontinuidades próximas da superfície, acima de 3mm de profundidade e em medição de espessura, em razão do seu feixe sônico ser focalizado. Em geral, por ocasião da aquisição deste transdutor , deve se verificar qual a faixa de espessura que se pretende medir e qual o modelo ideal para esta aplicação.

Transdutor Duplo-Cristal ou SE Figura 3.14

3.3.13 ACOPLANTES

Ao acoplarmos o transdutor sobre a peça a ser inspecionada, imediatamente

estabelece uma camada de ar entre a sapata do transdutor e a superfície da

peça. Esta camada de ar impede que as vibrações mecânicas produzidas pelo

transdutor se propaguem para a peça em razão das características acústicas

(impedância acústica) muito diferente do material a inspecionar.

A impedância acústica "Z" é definida como sendo o produto da densidade do meio

(ρ ) pela velocidade de propagação neste meio (V), (Z= ρ x V ) e representa a

quantidade de energia acústica que se reflete e transmite para o meio. Como

exemplo podemos citar que a interface água e aço, apenas transmite 12% e

reflete 88% da energia ultra-sônica.

Por esta razão, deve-se usar um líquido que estabeleça uma redução desta

diferença , e permita a passagem das vibrações para a peça. Tais líquidos,

denominados líquido acoplante são escolhidos em função do acabamento

superficial da peça, condições técnicas, tipo da peça. A tabela abaixo descreve

alguns acoplantes mais utilizados.

Os acoplantes devem ser selecionados em função da rugosidade da superfície da

área de varredura, o tipo de material, forma da peça, dimensões da área de

varredura e posição para inspeção.

112

Impedância Acústica de Alguns Materiais e Acoplantes

Acoplante Densidade (g/ cm3)

Velocidade da onda long. (m/ s)

Impedância Acústica (g/ cm2 .s)

Óleo (SAE 30) 0,9 1700 1,5 x 105 Água 1,0 1480 1,48 x 105 Glicerina 1,26 1920 2,4 x 105 Carbox Metil Celulose (15 g/ l) 1,20 2300 2,76 x 105 Aço 7,8 5900 46 x 105 Ar ou gás 0,0013 330 0,00043 x 105 Aço inoxidável 7,8 5800 45,4 x 105 Alumínio 2,7 6300 17,1 x 105 Acrílico 1,18 2700 3,1 x 105

Tabela 3.5 - Fonte: SONIC Instruments - catálogo de fórmulas e dados.

3.3.14 DIAGRAMAS AVG OU DGS

Os diagramas AVG ou DGS foram preparados para facilitar a avaliação de uma

série de parâmetros do ensaio ultra-sônico relacionados ao material, o feixe

sônico, o tamanho mínimo da descontinuidade detectável por um determinado

transdutor, e outros. A figura abaixo ilustra um diagrama específico para o

transdutor do tipo normal de ondas longitudinais, com 2MHz de freqüência,

fornecido pelo fabricante Krautkramer.

O diagrama abaixo foi elaborado mediante o estudo da resposta do transdutor em

termos de ganho, dos ecos provenientes de vários furos de fundo chato usinados

numa peça de aço a diversas profundidades, resultando assim as curvas

mostradas no diagrama para cada furo.

A título de exemplo de aplicação e uso do diagrama podemos observar que o

comprimento do campo próximo do transdutor B 2 S é aproximadamente 50mm,

pois a partir da profundidade de 50mm no diagrama o comportamento das curvas

tem a forma linear. Outra característica que podemos observar no diagrama é que

só é possível à detecção de um refletor com 1mm de diâmetro equivalente até

600mm de profundidade para este transdutor.

Uma aplicação interessante do diagrama AVG é a determinação da atenuação

sônica do material. Freqüentemente é requerida a determinação da atenuação

sônica de um material para comparar com o critério da qualidade requerido,

principalmente em forjados, fundidos nas mais variadas aplicações. A título de

exemplo vamos supor uma peça de aço com 100mm de espessura onde foi

acoplado um transdutor normal B 2 S na superfície.

113

Figura 3.15 - Diagrama AVG ou DGS extraído do "data-sheet" publicado pela Krautkramer para o

transdutor normal B 2 S. O percurso sônico no interior da peça será igual a duas vezes a espessura desta

equivalente a 200mm. O 10 eco de fundo deve ser ajustado para uma altura de

80% da tela. Sem alterar o controle de ganho do aparelho de ultra-som, é feita a

leitura da diferença de altura entre o 10 eco de fundo e o 20 eco de fundo. No

nosso exemplo a diferença foi de 8 dB.

No diagrama AVG é feita a leitura correspondente a queda da intensidade sônica

com a distância percorrida devido à divergência, no diagrama é lido sobre a curva

do eco de fundo para 200mm e 400 mm resultando em -6dB. Portanto a

atenuação será igual a 8 dB - 6dB/ 200mm, ou seja 0,01 dB/ mm para freqüência

de 2 MHz.

114

Figura 3.16 - Determinação do tamanho do refletor equivalente no Diagrama DGS.

A determinação do tamanho de descontinuidades pelo método AVG ou DGS

somente é aplicável a descontinuidades menores que o diâmetro do transdutor. A

determinação do tamanho da descontinuidade é feita por comparação ao refletor

equivalente no diagrama AVG ou DGS, seguindo as seguintes etapas: A título de

exemplo, vamos considerar um transdutor normal B 2 S e uma peça forjada com

superfícies paralelas de espessura 250mm contendo um pequeno refletor a uma

profundidade de 200mm a ser determinado.

O eco de fundo deve ser ajustado de forma que sua altura esteja a 80% da altura

da tela, numa região da peça isenta de descontinuidades;

O transdutor deve ser posicionado sobre a descontinuidade, e o eco

correspondente deve ser maximizado;

Com auxílio do controle de ganho, deve ser feita a leitura em “dB” da diferença

entre o eco da descontinuidade e o de fundo a 80% da tela. Vamos considerar a

título de exemplo +14 dB;

No diagrama AVG do transdutor B 2 S levanta-se uma perpendicular na

profundidade de 250mm até encontrar a curva do eco de fundo no diagrama;

A partir deste ponto, na mesma perpendicular, reduzir 14 dB, e seguir

paralelamente ao eixo da profundidade (eixo x) até cruzar com a perpendicular

referente à profundidade da descontinuidade (200mm);

115

Figura 3.17

A partir do ponto de cruzamento, fazer a leitura da curva do refletor que estiver

mais próxima, que no caso será 8mm. Este deve ser considerado o tamanho do

refletor equivalente encontrado.

3.4 TÉCNICAS DE INSPEÇÃO

A inspeção de materiais por ultra-som pode ser efetuada através de dois métodos

ou técnicas como segue.

3.4.1 TÉCNICA DE IMPULSO-ECO OU PULSO-ECO

É a técnica onde somente um transdutor é responsável por emitir e receber as

ondas ultra-sônicas que se propagam no material. Portanto, o transdutor é

acoplado em somente um lado do material, podendo ser verificada a profundidade

da descontinuidade, suas dimensões, e localização na peça.

116

Figura 3.18 - Técnica Impulso-Eco.

Figura 3.19 - Inspeção de barras pela técnica pulso-eco por

contato direto, usando transdutor normal de 12mm de diâmetro.

3.4.2 TÉCNICA DE TRANSPARÊNCIA

É uma técnica onde são utilizados dois transdutores separados, um transmitindo e

outro recebendo as ondas ultra-sônicas. Neste caso é necessário acoplar os

transdutores nos dois lados da peça, de forma que estes estejam perfeitamente

alinhados. Este tipo de inspeção, não se pode determinar a posição da

descontinuidade, sua extensão, ou localização na peça, é somente um ensaio do

tipo passa-não-passa.

117

Figura 3.20 - Técnica de Transparência.

A técnica de transparência pode ser aplicada para chapas, juntas soldadas,

barras e o intuito destes ensaios é estabelecer um critério comparativo de

avaliação do sinal recebido, ou seja, da altura do eco na tela.

A altura do sinal recebido na técnica de transparência varia em função da

quantidade e tamanho das descontinuidades presentes no percurso das vibrações

ultra-sônicas. Sendo assim o inspetor não sabe analisar as características das

indicações, porém compara a queda do eco com uma peça sem descontinuidades

podendo assim estabelecer critérios de aceitação do material fabricado.

Este método pode ser aplicado a chapas fabricadas em usinas, barras forjadas ou

fundidas, e em alguns casos em soldas.

3.5 APARELHAGEM

Descrição dos Aparelhos Medidores de Espessura por ultra-som Os medidores de

espessura por ultra-som podem se apresentar com circuitos digitais ou

analógicos, e são aparelhos simples que medem o tempo do percurso sônico no

interior do material, através da espessura, registrando no display o espaço

percorrido, ou seja, a própria espessura. Operam com transdutores duplo cristal, e

possuem exatidão de décimos ou até centésimos dependendo do modelo.

118

Figura 3.21 - Medidor de Espessura Digital Ultra-Sônico.

São aparelhos bastante úteis para medição de espessuras de chapas, tubos,

taxas de corrosão em equipamentos industriais, porém para a obtenção de bons

resultados, é necessária sua calibração antes do uso, usando blocos com

espessuras calibradas e de mesmo material a ser medido, com o ajuste correto

da velocidade de propagação do som do aparelho.

Os aparelhos medidores modernos de espessura digitais são dotados de circuitos

de memória que podem armazenar centenas de dados referentes a espessuras

medidas e após, conectando na impressora, pode-se obter um relatório completo

das medidas efetuadas e as condições usadas.

3.5.1 DESCRIÇÃO DO APARELHO BÁSICO DE ULTRA-SOM

Observe agora a figura abaixo, mostrando um transdutor ultra-sônico acoplado

numa peça com espessura de 8mm, e a tela ao lado do aparelho mostrando o eco

"E2”, proveniente da espessura da peça.

119

Figura 3.22

Vamos analisar o que está ocorrendo:

O cristal piezelétrico do transdutor transmite à peça uma onda ultra-sônica

perpendicularmente à superfície que percorre a espessura total de 8mm do metal;

A onda incide na interface no fundo da peça, retorna ao cristal e este produz um

sinal elétrico que será amplificado e registrado na tela do aparelho na forma do

pulso ou eco, identificado na figura como "E2";

O caminho do som percorreu a espessura de 8mm de ida e mais 8mm na volta -

isto sempre ocorre na inspeção por ultra-som os circuitos do aparelho

compensam este fenômeno dividindo por 2 os registros na tela.

Assim, portanto, o eco na tela do aparelho representa o caminho percorrido pelo som, em apenas uma vez a espessura, denominado de “Eco de Fundo”, que no caso da figura foi de 8mm.

É importante mencionar que o som que percorre a espessura do metal se reflete

nas interfaces formadas pelo fundo da peça e a superfície da peça, de forma

contínua, isto é, o ultra-som emitido pelo cristal do transdutor realiza no interior da

peça um movimento de zig-zag de ida e volta, se refletindo no fundo da peça e

superfície, continuadamente.

120

Figura 3.23

Para cada incidência do ultra-som na superfície oposta de acoplamento do cristal,

um sinal será transmitido ao aparelho e um eco correspondente a este sinal será

visualizado na tela. Portanto será possível observar vários ecos de reflexão de

fundo correspondente à mesma espessura.

Basicamente, o aparelho de ultra-som contém circuitos eletrônicos especiais, que

permitem transmitir ao cristal piezelétrico, através do cabo coaxial, uma série de

pulsos elétricos controlados, transformados pelo mesmo em ondas ultra-sônicas.

Figura 3.24 - Aparelho de ultra-som marca Panametrics à esquerda e aparelho Krautkramer USM-2 à direita.

Da mesma forma, sinais captados no cristal são mostrados na tela do tubo de

raios catódicos em forma de pulsos luminosos denominados “ecos”, que podem

ser regulados tanto na amplitude, como posição na tela graduada e se constituem

no registro das descontinuidades encontradas no interior do material.

121

Figura 3.25 - Aparelho de ultra-som digital marca Krautkramer, mod. USN-52.

Em geral, os fabricantes oferecem vários modelos de aparelhos com maiores ou

menores recursos técnicos, que possibilitam sua utilização nas mais variadas

aplicações industriais, entretanto, alguns controles e funções básicas devem ser

conhecidos para ser possível sua utilização, que veremos a seguir.

Quer seja analógico ou digital, todos os aparelhos apresentam os controles

básicos mínimos que permitem utilizar o aparelho para qualquer aplicação prática,

como seguem:

Escolha da função: Todo aparelho possui entradas de conectores dos tipos BNC (aparelhos de

procedência norte-americana) ou Lemo (aparelhos de procedência alemã), para

permitir de transdutores monocristal de duplo-cristal.

Potência de emissão: Está diretamente relacionado com a amplitude de oscilação do cristal ou tamanho

do sinal transmitido. Em geral os aparelhos apresentam níveis de potência

através de uma chave seletora em número de 2 até 5 posições.

122

Controle da escala Controle da velocidade

Controle monitor

zeragem

foco

Controle de ganho

Supressor de ruídos

liga-desl.Ajuste da energia e método

Entradas do cabo coaxial

Controle da escala Controle da velocidade

Controle monitor

zeragem

foco

Controle de ganho

Supressor de ruídos

liga-desl.Ajuste da energia e método

Entradas do cabo coaxial Figura 3.26 - Aparelho Analógico Básico de ultra-som, marca Krautkramer mod. USM-2.

seleciona a variação fina do ganho

grupo de 4 funções para acesso rápido

Led para indicação de alarmeseleciona o step do ganho

referência do eco da tela

congela a tela

amplificador da porta (gate)

grupo de função ativa para aumentar a tela A-Scan

possibilidade de documentação variada

trava para prevenir ajustes acidentais

conectores dos transdutoresseleciona o menu grupo de funções

seleciona a medição da leitura das indicações da tela A-Scan

ajuste do ganho

indicador da bateria

formato grande de leitura na tela A-Scan

eco com alto contraste

linha de base de medição

linha de operação do instrumento (status)

linha do menu e do grupo de funções

liga/ desligaaltera entre o grupo de funções principais e as inferiores

seleciona a variação fina do ganho

grupo de 4 funções para acesso rápido

Led para indicação de alarmeseleciona o step do ganho

referência do eco da tela

congela a tela

amplificador da porta (gate)

grupo de função ativa para aumentar a tela A-Scan

possibilidade de documentação variada

trava para prevenir ajustes acidentais

conectores dos transdutoresseleciona o menu grupo de funções

seleciona a medição da leitura das indicações da tela A-Scan

ajuste do ganho

indicador da bateria

formato grande de leitura na tela A-Scan

eco com alto contraste

linha de base de medição

linha de operação do instrumento (status)

linha do menu e do grupo de funções

liga/ desligaaltera entre o grupo de funções principais e as inferiores

Figura 3.27 - Aparelho Digital marca Krautkramer Mod. USN-50/ 52.

Ganho: Está relacionado com a amplitude do sinal na tela ou amplificação do sinal

recebido pelo cristal. Os aparelhos apresentam um ajuste fino e grosseiro,

calibrado em “dB”, num mesmo controle ou separados. Nos aparelhos digitais,

pode-se ajustar o controle fino em avanços de até 0,5 dB, impossíveis nos

aparelhos analógicos.

Escala:

123

As graduações na tela do aparelho podem ser modificadas conforme a

necessidade, para tanto a chave vem calibrada em faixas fixas (ex: 10, 50, 250 ou

1000mm). Para os aparelhos digitais, a escala é automática, isto é uma vez,

calibrada uma escala qualquer, as outras mantém a proporcionalidade.

Velocidade de propagação:

A velocidade de propagação ao ser alterada no aparelho nota-se claramente que

o eco de reflexão produzido por uma interface, muda de posição na tela do

osciloscópio, permanecendo o eco original em sua posição inicial.

O aparelho de ultra-som é basicamente ajustado para medir o tempo de percurso

do som na peça ensaiada através da relação: S = v x t onde o espaço percorrido

(S) é proporcional do tempo (t) e a velocidade de propagação (n), no material,

ajusta-se a leitura para unidade de medida (cm, m, etc.).

Nos aparelhos, dependendo do modelo e fabricante, poderá existir um controle da

velocidade ou simplesmente um controle que trabalha junto com o da escala do

aparelho. No primeiro caso, existe uma graduação de velocidade (m/ s) em

relação aos diferentes materiais de ensaio ultra-sônico. Nos aparelhos digitais o

ajuste de velocidade é separado e deve ser ajustado corretamente para uma

perfeita calibração da escala.

3.5.2 CUIDADOS REFERENTES À CALIBRAÇÃO

No capítulo a seguir será discutido em detalhes, o significado e importância da

calibração do aparelho de ultra-som. No entanto, o operador deverá proceder a

uma recalibração dos instrumentos e acessórios sempre que:

• Houver trocas de transdutores no decorrer de inspeção

• O aparelho for desligado

• Transcorrer 90 minutos com o aparelho ligado

• Houver troca de operadores

Os aparelhos de ultra-som devem ter o ganho e escala calibrados conforme a

norma BSI 4331 Part.1 ou ASME* Sec.V. como segue;

Na verificação da calibração da linearidade vertical do aparelho de ultra-som,

executando no controle de ganho as variações conforme o recomendado pela

124

tabela abaixo, e verificando na tela do aparelho, as amplitudes dos ecos

provenientes do furo de diâmetro 1,5mm do bloco de calibração V1. Caso as

amplitudes dos ecos não correspondam ao esperado, deve-se concluir que o

aparelho necessita de manutenção, e deve ser enviado à assistência técnica

especializada.

Verificação da Linearidade Vertical do Aparelho de Ultra-Som Conforme da Norma BS* - 4331 Part.1

Ganho (dB) Altura esperada do eco em relação à altura da tela (%)

Limites aceitáveis da altura do eco

+2 100 não menor que 90% 0 80 - -6 40 35% a 45%

-18 10 8% a 12%

-24 5 deve ser visível acima da linha de base

Tabela 3.6

Uma outra forma de verificar a linearidade vertical do aparelho de ultra-som é

através do Código ASME* Sec. V Art.5 que difere da tabela anterior. Um

transdutor angular deve ser utilizado num bloco contendo dois furos que

produzirão na tela do aparelho os ecos de referência para aplicação das tabela a

seguir.

Verificação da Linearidade em Amplitude da tela do Aparelho de Ultra-Som Conforme Código ASME Sec.V Art. 4 e 5

Ajuste da Indicação na Altura Total da Tela

Ajuste do Controle de Ganho (db)

Limites Aceitáveis da Altura da Menor

Indicação (%) 80 -6 32 a 48 80 -12 16 a 24 40 +6 64 a 96 20 +12 64 a 96

Tabela 3.7

Outra verificação que deve ser feita é a linearidade em altura da tela, onde o

transdutor angular deve ser posicionado sobre o bloco básico de calibração com o

ponto de saída do feixe angular dirigido para ambos os refletores cilíndricos do

bloco, ajustando a escala do aparelho de modo a obter ecos bem definidos

provenientes dos furos ½ e ¾.T.

Ajuste o controle de ganho e ao mesmo tempo o posicionamento do transdutor de

modo a obter na tela do aparelho os dois ecos numa relação de 2:1em termos de

125

amplitude, sendo o maior com amplitude de 80% da tela.

Sem alterar a posição do transdutor, reduza sucessivamente o controle de ganho,

em incrementos de 10% ou "steps" de 2 até que o maior eco esteja a 20% de

altura da tela, efetuando a cada decréscimo uma leitura da altura da menor

indicação.

A leitura da menor indicação deve sempre estar a 50% de altura da maior

indicação.

Tabela 3.8 - Bloco de Verificação da Linearidade do aparelho de ultra-som conforme Código ASME Sec. V.

* BS = norma Inglesa , British Standard

* ASME = código de fabricação de vasos de pressão , American Society of Mechanical Engineer

126

3.5.3 EXEMPLO DE VERIFICAÇÃO DO CONTROLE DE GANHO DO

APARELHO DE ULTRA-SOM

Obtenha um eco na tela do aparelho acoplando o transdutor em qualquer peça ou

bloco de calibração. Ajuste o controle de ganho para obter o eco a 80% da altura

da tela, conforme mostra os exemplos das figuras abaixo.

Figura 3.28

Mantenha o transdutor fixo sem variações, e em seguida reduza o controle de

ganho em 6dB, como mostra as figuras dos exemplos abaixo:

Figura 3.29

Você poderá avaliar o resultado deste teste, verificando se o eco reduziu para

40% ± 2 % da altura da tela, ou seja pela metade dos 80% inicialmente ajustado.

Caso isto não tenha ocorrido, o aparelho não está com o controle de ganho

devidamente calibrado.

127

3.5.4 CUIDADOS NO USO DE TRANSDUTORES ANGULARES

Como vimos, as sapatas de acrílico dos transdutores angulares são fabricados

para proporcionar ângulos de transmissão bem definidos. Entretanto o uso

contínuo, e o conseqüente desgaste das sapatas poderão alterar a performance

do transdutor.

Tal problema poderá ser agravado quando a pressão do dedo do operador sobre

o transdutor incidir nas bordas dos mesmos, fazendo com que o desgaste ocorra

de modo irregular, alterando significativamente o ângulo nominal.

3.5.5 CUIDADOS NO MANUSEIO DOS CONTROLES DO APARELHO

Os potenciômetros dos controles do aparelho analógico, de um modo geral, são

dotados de um sistema de trava que tem a finalidade de não variar a calibração

do aparelho durante seu uso. Portanto, quando se quer modificar a calibração do

aparelho deve-se destravar o potenciômetro, pois caso contrário o mesmo será

danificado. O mesmo não acontece nos aparelhos modernos digitais, em que os

controles e ajustes são por teclas.

3.5.6 CUIDADOS COM AS BATERIAS

Em geral os aparelhos são dotados de baterias recarregáveis, que necessitam

carga após o uso. Como regra prática, o tempo de carga deverá ser o dobro do

período de trabalho do aparelho.

128

3.5.7 CALIBRAÇÃO E BLOCOS PADRÃO

O termo calibração deve ser analisado no seu sentido mais amplo entendendo o

leitor como sendo o perfeito ajuste de todos os controles do aparelho de ultra-

som, para uma inspeção específica segundo um procedimento escrito e aprovado

pelo cliente / fabricante.

Os ajustes do ganho, energia, supressor de ruídos, normalmente são efetuados

baseado em procedimentos específicos, entretanto a calibração da escala pode

ser feita, previamente independente de outros fatores. Calibrar a escala significa

mediante a utilização de blocos especiais denominados Blocos Padrões, onde

todas as dimensões e formas são conhecidas e calibradas, permitindo ajustar os

controles de velocidade e zeragem, concomitantemente até que os ecos de

reflexão permaneçam em posições definidas na tela do aparelho,

correspondentes ao caminho do som no bloco padrão.

Tais blocos são construídos segundo normas DIN 54120, DIN 54122 ou BS 2704,

de materiais que permitem o exame ultra-sônico em aço carbono não ligado ou de

baixa liga, com velocidade sônica de 5920 +/ - 30m/s para ondas longitudinais e

3255 +/ - 15m/s para ondas transversais.

Figura 3.30

Os blocos de calibração devem ser apropriadamente calibrados quanto às suas dimensões, furos, entalhes e quanto à velocidade sônica do material que constitui o bloco.

129

O Bloco V1 deve ser utilizado para calibrar as escalas na tela do aparelho usando

as dimensões padronizadas, mas também verificar a condição do transdutor

angular, com respeito ao ponto de saída do feixe sônico (posição 1 da figura) e a

verificação do ângulo de refração do transdutor (posição 2 da figura). Em geral ±

2 graus é tolerável.

Figura 3.31 - Verificação do ponto de saída do feixe sônico e ângulo do transdutor.

Figura 3.32 - Bloco de calibração V2 (Norma DIN 54122). Espessura do bloco 12,5mm.

3.5.8 FORMAS DE APRESENTAÇÃO DAS INDICAÇÕES NA TELA DOS

APARELHOS

A tela do aparelho de ultra-som pode apresentar de três formas básicas a secção

da peça inspecionada, que são:

A-scan

B-scan

C-scan

O aparelho de ultra-som deve incorporar circuitos eletrônicos especiais para cada

forma de apresentação. Assim, o inspetor deve identificar no aparelho quais as

formas de apresentação disponíveis para uso.

130

Forma de apresentação A-Scan Neste tipo de apresentação a tela do aparelho mostra a forma tradicional de

visualização da tela, ou seja, na forma de ecos de reflexão.

Figura 3.33

Forma de apresentação B-Scan Neste tipo de apresentação, a tela do aparelho mostra a seção transversal da

peça, e, portanto a visualização da peça é feita em corte. Este tipo de

apresentação não é convencional, e somente aparelhos dotados de funções

especiais são capazes de mostrar esta forma de apresentação.

Figura 3.34

Forma de apresentação C-Scan Este tipo de apresentação não é convencional, e somente aparelhos dotados de

funções especiais são capazes de mostrar esta forma de apresentação.

Na representação A-Scan, os ecos na tela indicam a reflexão do som nas interfaces.

B-Scan – É muito útil para análise de corrosão em peças e tubos e chapas, pois o perfil da espessura é vista diretamente na tela.

131

Figura 3.35

3.6 PROCEDIMENTOS ESPECÍFICOS DE INSPEÇÃO

3.6.1 PROCEDIMENTO PARA INSPEÇÃO DE SOLDAS

A inspeção de soldas por ultra-som consiste em um método que se reveste de

grande importância na inspeção industrial de materiais sendo uma ferramenta

indispensável para o controle da qualidade do produto final acabado,

principalmente em juntas soldadas em que a radiografia industrial não consegue

boa sensibilidade de imagem, como, por exemplo, juntas de conexões, ou mesmo

juntas de topo com grandes espessuras.

Os procedimentos para inspeção de soldas descritos pelas Normas ou Códigos

de fabricação variam em função dos ajustes de sensibilidade do ensaio,

dimensionamento das indicações, critérios de aceitação das descontinuidades

encontradas, e outras particularidades técnicas. Portanto, descrevemos a seguir a

técnica básica para inspeção de soldas por ultra-som, entretanto o inspetor deve

consultar o procedimento aprovado de sua empresa para o ensaio específico, ou

ainda na falta deste, elaborá-lo segundo a norma aplicável ao produto a ser

ensaiado.

3.6.2 PREPARAÇÃO DAS SUPERFÍCIES DE VARREDURA

A inspeção da solda se processará através da superfície do metal base adjacente

à solda, numa área que se estenderá paralelamente ao cordão de solda, que

denominamos área ou superfície de varredura.

O resultado do ensaio por ultra-som é dependente da preparação das superfícies,

assim devemos remover carepas, tintas, óxidos, pó, graxa e tudo que possa

C-Scan – neste tipo de apresentação a tela do aparelho mostra a peça no sentido “planta” ou seja, a vista de cima da peça.

132

mascarar, ou impedir a penetração do feixe sônico na peça a ensaiar. Limitação

de temperatura da peça deve ser levada em conta e está associado ao modelo e

tipo do transdutor, pois altas temperaturas (acima de 60oC) podem danificar os

transdutores.

Figura 3.36 - Técnica geral para inspeção de soldas de topo, por ultra-som.

3.6.3 CALIBRAÇÃO DA SENSIBILIDADE DO APARELHO

A escala do aparelho deve ser calibrada através dos blocos padrões calibrados

mencionados. A sensibilidade do aparelho deve ser calibrada através de um bloco

com espessuras e furos de referência calibrados e de material acusticamente

similar à peça ser ensaiada. Caso a calibração do aparelho seja feita em bloco e

peça de materiais dissimilares, isto afetará a precisão das medidas efetuadas.

A figura abaixo descreve o bloco de calibração recomendado pela norma ASME

Boiler and Pressure Vessel Code Sec.V Artigo 5 usado para estabelecer a

sensibilidade do ensaio pelo ajuste do controle de ganho do aparelho , que deve

ser fabricado com mesmo acabamento superficial da área de varredura.

133

Figura 3.37 - Bloco Básico de Calibração da Sensibilidade do Ensaio de Soldas, conforme o

Código ASME SEC.V Art.5.

Seleção do Bloco de Calibração para Superfícies Planas Espessura da solda “t”

(mm) Espessura “T” do bloco

(mm) * Diâmetro “D” do furo de

referência (mm) até 25,4 19 ou t 2,38

acima de 25,4 até 50,8 38 ou t 3,18 de 50,8 até 101,6 76,2 ou t 4,76

de 101,6 até 152,4 127 ou t 6,35 de 152,4 até 203,2 177 ou t 7,93

Tabela 3.9 - Fonte: Código ASME Sec. V Art.5.

* Bloco de calibração válido para superfícies planas ou com curvaturas maiores que 20 polegadas de diâmetro.

A freqüência e ângulo do transdutor selecionado pode ser significativo,

dependendo da estrutura metalúrgica do material ensaiado e espessura.

Em geral utiliza-se 4MHz de freqüência e ângulos de 60 e 70 graus para

espessuras do metal base até 15mm; e 45 e 60 graus para espessuras de metal

base acima de 15mm.

A curva de sensibilidade é estabelecida de acordo com o procedimento descrito,

através do posicionamento do transdutor angular (pos. 1, 2, 3 e 4) de modo a

detectar o furo de referência do bloco nas quatro posições indicadas. O controle

de ganho do aparelho deve ser ajustado a partir da pos.1 da figura abaixo, onde o

controle é ajustado até que o eco correspondente à reflexão do furo tenha uma

altura de 80% da tela do aparelho. Acompanhe o processo abaixo descrito:

134

3.6.4 PREPARAÇÃO DA CURVA DE CORREÇÃO DISTÂNCIA AMPLITUDE (DAC) E AJUSTE A SENSIBILIDADE DO ENSAIO

Posicionar o transdutor sobre o bloco padrão de modo a obter resposta do furo

que apresentar maior amplitude;

Ajustar a amplitude do eco a 80% da altura da tela. Este ganho é denominado

“Ganho Primário-Gp” da curva de referência (DAC).

Para completar a curva de referência e, sem alterar o ganho, posicionar o

transdutor de forma a se obter ecos dos furos do bloco padrão a várias distâncias,

até o alcance desejado, e traçar a curva unindo os pontos obtidos.

Traçar as curvas de 50% e 20% da curva de referência (DAC).

Figura 3.38 - Traçagem da Curva de Referência ou Curva DAC.

A partir deste procedimento deve ser registrado o ganho do aparelho, que deverá

ser mantido até o final da inspeção, porem verificado periodicamente ou quando

houver troca de operadores. Caso haja uma diferença de acabamento superficial

acentuada entre o bloco e a peça a ser inspecionada, um procedimento de

transferência de ganho do bloco para a peça deverá ser aplicado, para

restabelecer o nível de sensibilidade original, conforme segue:

135

3.6.5 DETERMINAÇÃO DO FATOR DE CORREÇÃO DA TRANSFERÊNCIA

Posicionar dois transdutores iguais sobre o bloco de calibração com percurso

sônico como mostrado na figura, usando a técnica de transparência.

Ajustar o controle de ganho para que a amplitude do eco com os transdutores na

pos. a e b esteja em 80% da altura da tela.

Sem alterar o ganho marcar na tela os picos dos ecos das posições a-c e a-d.

Unir os pontos para se obter uma curva de referência.

Figura 3.39

Posicionar os transdutores no componente a ser ensaiado, metal base,

obrigatoriamente sobre superfícies paralelas, para se obter o eco a-c sem alterar

o ganho conforme item b.

Ajustar, se necessário, a altura do eco obtido no componente a ser ensaiado até a

curva descrita no item f.

Esta diferença (± X dB) deverá ser anotada e usada como correção de

transferência (CT).

136

Figura 3.40 - Correção da Transferência (CT).

3.6.6 REALIZAÇÃO DA INSPEÇÃO

Para garantir a passagem do feixe sônico para a peça é necessário usar um

líquido acoplante que se adapte à situação. Em geral, óleo, água, ou soluções de

metil-celulose, podem ser utilizadas para esta finalidade. É recomendado efetuar

algumas medidas no mesmo local, pois variações de acabamento superficial,

pressão do transdutor sobre a superfície e outros, podem variar os resultados.

O transdutor deve ser deslizado sobre a superfície de varredura com o feixe ultra-

sônico voltado perpendicularmente à solda, de modo que as ondas atravessem

totalmente o volume da solda. Caso houver alguma descontinuidade no volume

de solda, haverá reflexão nesta interface, retornando ao transdutor parte da

energia ultra-sônica, e conseqüentemente a indicação na tela do aparelho em

forma de eco ou pulso.

Através da análise da posição do eco na tela do aparelho, o inspetor poderá

localizar a descontinuidade no volume de solda, assim como avaliar sua

dimensão e comparar com os critérios de aceitação aplicáveis.

137

Figura 3.41 - Delimitação da Área de Varredura para juntas soldadas de Topo.

A superfície de varredura 1A ou 1B deve ser inspecionada com transdutor angular, antes da, soldagem do anel de reforço, a superfície 2A deve ser inspecionada com transdutor duplo cristal e transdutor angular, a superfície 1C e 2B deve ser inspecionada com transdutor angular se houver área de varredura suficiente.

A superfície de varredura 1A ou 1B deve ser inspecionada com transdutor angular, antes da, soldagem do anel de reforço, a superfície 2A deve ser inspecionada com transdutor duplo cristal e transdutor angular, a superfície 1C e 2B deve ser inspecionada com transdutor angular se houver área de varredura suficiente.

Figura 3.42 - Áreas de Varredura recomendadas para Inspeção de soldas de conexões em vasos

de pressão por ultra-som.

3.6.7 VISUALIZAÇÃO DA ÁREA DE INTERESSE NA TELA DO APARELHO

Uma das dificuldades do inspetor de ultra-som que se inicia na técnica de ensaio

de soldas é justamente saber onde ele deve monitorar a tela para que nenhuma

indicação passe desapercebida. Assim descrevemos abaixo uma técnica que

mostra de forma fácil qual a área da tela do aparelho que deve ser observada

durante a inspeção da solda.

Vamos observar a figura abaixo que mostra o posicionamento do transdutor

angular de 60 graus sobre uma chapa com 20mm de espessura, com o feixe

direcionado para o canto inferior da borda da chapa, resultando num eco com

caminho de som de 40mm. Da mesma forma, se posicionarmos o transdutor com

o feixe direcionado para a borda superior da chapa, teremos um eco a 80mm,

correspondente ao caminho do som em "V" na chapa.

138

Figura 3.43 - Reflexões nas bordas da chapa.

Repare que na tela do aparelho a região compreendida entre 40 e 80mm

corresponde à borda inferior e a borda superior. Agora, observe a figura abaixo e

compare com a anterior. O leitor verá que um eco proveniente da raiz da solda

será observado na marca de 40mm e um eco proveniente do reforço, será

observado na marca de 80mm.

Figura 3.44 - Portanto a área da solda estará compreendida entre 40 e 80mm na tela, e caso

apareçam indicações, estas devem estar nesta região da tela.

3.6.8 DELIMITAÇÃO DA EXTENSÃO DA DESCONTINUIDADE

A delimitação da extensão da descontinuidade pode ser feita utilizando a técnica

da queda do eco em 6dB, ou seja, o transdutor deve ser posicionado no centro

geométrico da descontinuidade, de forma a maximizar a altura do eco de reflexão.

Este ponto deve ser pesquisado pelo inspetor. Após, o transdutor é deslocado

para a esquerda e para a direita até que se observe a altura do eco na tela do

aparelho reduzir pela metade da altura que tinha inicialmente (- 6dB).

Sobre a superfície da peça, deve ser marcado este ponto onde o eco diminui em

6dB, e o tamanho da descontinuidade será a linha que uni os dois pontos (para a

esquerda e para a direita)

Outros métodos podem ser utilizados para pequenas indicações (menores que

10mm), ou mesmo a técnica da queda do eco em 20dB, que se assemelha à

139

técnica descrita acima.

A delimitação ou estimativa de pequenas descontinuidades deve ser feita pelo

método do diagrama AVG ou DGS.

Figura 3.45 - Delimitação da extensão do feito pelo método da queda de 6dB (à esquerda) e

ensaio de solda longitudinal de emenda de um tubo (à direita).

Delimitação da extensão de uma dupla laminação em uma chapa, usando a técnica da queda do eco em 6 dB, com transdutor normal.

Figura 3.46 - Foto extraída do catálogo da Krautkramer.

140

3.7 AVALIAÇÃO E CRITÉRIOS DE ACEITAÇÃO

O julgamento da descontinuidade encontrada deve ser feita de acordo com o

procedimento escrito, norma aplicável, especificação do cliente, ou por outro

documento da qualidade aplicável.

Em geral, as descontinuidades são julgadas pelo seu comprimento, e amplitude

do eco de reflexão, que são quantidades mensuráveis pelo inspetor de ultra-som.

Entretanto, algumas normas, estabelecem que o tipo da descontinuidade

encontrada também deve ser avaliada e decisiva na aceitação ou rejeição da

junta soldada. Por exemplo: se o inspetor interpretou uma indicação como trinca,

falta de fusão ou falta de penetração, a junta soldada deve ser rejeitada,

independente do seu comprimento ou amplitude de eco na tela do aparelho, de

acordo com o Código ASME Sec.VIII Div.1 UW-53. Mas nem sempre a

identificação do tipo da descontinuidade é fácil ou possível de ser avaliada, pois

isto dependerá da complexidade da junta, experiência e conhecimento do

inspetor.

3.7.1 CRITÉRIO DE ACEITAÇÃO DE JUNTAS SOLDADAS, CONFORME CÓDIGO ASME SEC. VIII DIV.1 AP.12. (TRADUÇÃO LIVRE)

Imperfeições as quais produzirem uma resposta maior que 20% do nível de

referência deve ser investigada a extensão para que o operador possa determinar

a forma, identificar, e localizar tais indicações e avaliar as mesmas em termos do

padrão de aceitação dado em (a) e (b) abaixo.

Indicações caracterizadas como trincas, falta de fusão ou penetração incompleta

são inaceitáveis, independente do comprimento;

Outras imperfeições são inaceitáveis se indicações excedem o em amplitude o

nível de referência e tenha um comprimento que exceda:

1. ¼ pol. para t até ¾ pol. ;

2. 1/3.t para t de ¾ até 2.1/4 ;

3. ¾ pol. para t acima de 2.1/4 pol.

onde t é a espessura da solda excluindo qualquer reforço permitido. Para juntas

141

soldadas de topo onde dois membros tendo diferentes espessuras de solda, t é a

mais fina dessas duas espessuras. Se uma solda de penetração total inclui uma

solda de filete, a espessura da garganta do filete deve ser incluída em t.

4 TRATAMENTOS TÉRMICOS 4.1 INTRODUÇÃO

Operações de aquecimento e resfriamento controlados que visam afetar as

características de aços e ligas especiais são denominadas tratamentos térmicos.

Quando estas operações são conjugadas a etapas de conformação mecânica,

são chamados tratamentos termomecânicos.

Aços e ligas especiais são submetidos a diversos tratamentos termomecânicos,

com vistas à otimização de suas propriedades. Enquanto alguns tipos de

tratamentos se aplicam à ampla gama de aços e Iigas, outros têm sua aplicação

restrita a determinadas famílias de aços ou ligas.

Neste capítulo são apresentadas as principais características dos tratamentos

térmicos de aplicação mais comum em aços e ligas especiais.

Os tratamentos térmicos dos aços e ligas especiais englobam uma das mais

amplas faixas de temperaturas dentre os processes industriais, variando desde o

tratamento subzero (temperaturas abaixo de 00C) para estabilização, até a

austenitização de aços rápidos a 12800C. Além disso, diversas taxas de

resfriamento são empregadas, visando permitir a obtenção da exata estrutura

desejada. É claro que para realização destes tratamentos são necessários fornos

e outros aparatos auxiliares Tais equipamentos não serão analisados em detalhe,

por estarem em constante evolução e sua escolha depender do outros aspectos,

além dos interesses metalúrgicos. Para a seleção destes equipamentos estão

mais capacitados os departamentos técnicos de empresas do ramo. Serão

abordados aspectos de equipamentos apenas na medida em que sua seleção

influencie na qualidade do tratamento térmico ou do produto final (aço tratado).

Os principais tratamentos térmicos abordados neste capítulo são:

• Recozimento

• Normalização

142

• Têmpera

• Revenimento

• SoIubilização

• Envelhecimento

Os três primeiros envolvem transformações de fase a partir da austenita. Só se

aplicam, portanto, a aços transformáveis. Obviamente, às diversas estruturas

possíveis de se obter na transformação da austenita estão associadas diferentes

propriedades, desde o máximo de dutilidade e o mínimo de dureza, característico

das estruturas ferríticas, até os elevados valores de dureza e menor dutilidade

associados a martensita.

O tratamento de revenimento é um tratamento associado, basicamente, a aços

temperados.

Tratamentos de soIubilização encontram aplicação em ampla gama de aços e

ligas especiais, especialmente quando se deseja controlar a presença de

segundas fases tais como, por exemplo, carbonetos em aços inoxidáveis

austeníticos. Tratamentos por envelhecimento após solubilização permitem

precipitar, de forma controlada partículas de segunda fase em aços e ligas

especiais. Estes tratamentos são responsáveis pelas excepcionais propriedades

atingidas por superligas a base do níquel aços “maraging” e inoxidáveis pH, assim

como da maior parte das ligas de alumínio empregadas na indústria aeronáutica.

143

4.2 RECOZIMENTO

O recozimento visa reduzir a dureza do aço aumentar a usinabilidade, facilitar o

trabalho a frio ou atingir a microestrutura ou as propriedades desejadas.

Existem, basicamente, 3 tipos principais de recozirnento:

• Recozimento pleno

• Recozimento subcrítico/ alívio de tensões

• Esferoidização

4.2.1 RECOZIMENTO PLENO OU SIMPLESMENTE RECOZIMENTO

Consiste em austenitizar o aço, resfriando-o Ientamente a seguir.

A temperatura de recozimento pleno é de mais ou menos 50ºC acima da linha A,

para aços hipoeutetóides e de 500C acima de A1 para hipereutetóides. Nos

hipereutetóides não se deve ultrapassar a Acm porque, no resfriamento posterior,

ao ser atravessada novamente esta linha, formar-se-ia cementita nos contornos

de grão da austenita, o que iria fragilizar posteriormente a peça tratada.

Quanto mais baixa for a temperatura da austenitização, tanto mais heterogênea

será a austenita Quanto mais heterogênea a austenita, maiores chances de

nucleação de carbonetos em regiões de teor de carbono mais alto ou de

crescimento de carbonetos não dissolvidos, em vez das estruturas perlíticas-

lamelares, que ocorrem com mais facilidade a partir da austenita homogênea,

Conseqüentemente, devem-se preferir temperaturas de austenitização mais altas

quando se deseja estrutura perlítica e mais baixas quando se deseja estrutura

esferoidizada. Nas tabelas a seguir são apresentados dados sobre austenitização

e resfriamento para recozimento de diversos aços. Quanto mais próximo da

temperatura A1 a austenita se transformar, tanto mais grosseira será a estrutura,

quer perlítica, quer esferoidal. Entretanto, analisando-se as curvas 77, observa-se

que o tempo necessário para transformação completa em altas temperaturas é

longo, por vezes, excessivamente. Nos casos em que o tempo de transformação

for excessivo nesta temperatura, pode-se transformar parcialmente a alta

temperatura seguida do restante de transformação à temperatura mais baixa. Há,

144

portanto, duas possibilidades na transformação da austenita: (a) transformação

isotérmica, ou (b) resfriamento contínuo, normalmente no interior do forno

desligado ou em meios isolantes que permitam obter-se as taxas de resfriamento

necessárias para o tratamento, como indicado na figura a seguir.

Figura 4.1

(a) Recozimento isotérmico (b) Recozimento contínuo

Tabela 4.1 - Ciclos de Recozimento recomendado para diversos aços carbono.

145

Tabela 4.2 - Ciclos de Recozimento de aços ligados.

4.2.2 RECOZIMENTO SUBCRÍTICO E ALÍVIO DE TENSÕES

É aquele em que o aquecimento se dá a uma temperatura abaixo de A1.

O recozimento subcrítico é usado para recuperar a dutilidade do aço trabalhado a

frio (encruado). Quando se executam operações de deformação a frio, a dureza

aumenta e a dutilidade diminui, podendo ocorrer ruptura entre duas operações.

Neste caso há necessidade de se executar um recozimento subcrítico antes de

novas deformações. Normalmente o aquecimento do aço carbono na faixa de 600

a 6800C seguido de resfriamento ao ar é suficiente.

As principais transformações que ocorrem neste tratamento são recuperação e

recristalização das fases encruadas. É óbvio que, neste caso, não ocorrendo

formação da austenita, não há sentido em descrever-se o tratamento sobre a

curva TTT. Na tabela 4.3 são apresentados as temperaturas e os tempos

necessários para o alívio de tensões nos diversos tipos de aços.

Tratamentos de alívio de tensões são também aplicados quando se deseja reduzir

tensões residuais em estruturas ou componentes após soldagem, fabricação etc.

146

O aumento de temperatura nestes tratamentos é suficiente para reduzir o limite de

escoamento do material ou permitir sua deformação por fluência, de modo que as

tensões residuais são aliviadas através de deformação plástica. No caso de

soldas, o alívio, de tensões pode ter também, a função de revenir microestruturas

de dureza excessiva e baixa dutilidade encontradas na zona afetada pelo calor

(ZAC), independentemente da existência de tensões residuais significantes.

Aplicações onde corrosão sob tensão for esperada ou quando a superposição de

tensões residuais consideráveis às de projeto é inaceitável, requerem o emprego

de operações de alívio de tensões. Diversos códigos e normas de projeto

estabelecem requisitos quanto à necessidade de execução deste tipo de

tratamento térmico. É importante lembrar que estes códigos representam,

normalmente, requisitos mínimos, e não devem substituir o julgamento do

engenheiro em cada situação.

4.2.3 ESFEROIDIZAÇÃO

Há vários métodos para se obter unta estrutura de carbonetos esferoidizados em

matriz ferrítica. Por exemplo:

Manutenção por tempo prolongado à temperatura pouco abaixo, de A1 (Análogo

ao subcrítico).

Aquecimento e resfriamento alternantes entre 2 temperaturas pouco acima e

pouco abaixo do A1

147

Aquecer acima da temperatura para dissolução dos carbonetos Acm seguido de

resfriamento rápido (para evitar formação de rede de carbonetos) até temperatura

pouco abaixo de A1. Manter nesta temperatura, conforme o método 1, ou seguir o

método 2.

Estes processos estão esquematizados na figura abaixo.

Figura 4.2 - Possíveis ciclos de esferoidização.

4.2.4 RECOZIMENTO PARA USINABILIDADE

A Tabela 4.4 indica as estruturas mais adequadas e mais econômicas para

usinagem de aços, em função do teor de carbono. Tais informações permitirão a

especificação do tratamento ideal utilizando as tabelas 4.1 e 4.2.

4.2.5 RECOZIMENTO DE PEÇAS FUNDIDAS

As peças fundidas apresentam, normalmente, estrutura grosseira e, em muitos

casos, tensões residuais decorrentes da solidificação. Estas peças são

normalmente recozidas para alívio de tensões, homogeneização e refino de

estrutura. Como a estrutura bruta de fusão é muito irregular, recomenda-se a

austenitização a 50-1000C a mais que o recomendado para o aço forjado.

148

Tabela 4.3

Tabela 4.4 - Estruturas mais adequadas para usinagem.

4.3 PROTEÇÃO DA SUPERFÍCIE

Dentre todos os elementos presentes nos aços, o carbono é, sem dúvida, o mais

importante individualmente, apesar de que vários aços dependam, para suas

propriedades dos elementos de liga. Isto é claramente ilustrado pela figura abaixo.

Uma variação de 0,1% de carbono na maioria dos aços ligados ou ferramenta

exercerá maior influência sobre as propriedades do que uma variação

equivalente, ou mesmo maior, às vezes, de outro elemento de liga.

149

Este fato, aliado ao papel importante desempenhado pela superfície das

ferramentas durante sua vida útil, exige que especial atenção seja dedicada ao

controle do teor de carbono da superfície durante o tratamento térmico.

Há casos ainda em que se deseja superfícies isentas de oxidação, sem

necessidade de limpeza posterior. Também nestes casos a proteção da superfície

é fundamental.

Figura 4.3 - Influência do teor de carbono sobre as propriedades de aços-carbono resfriados lentamente.

Tanto as reações envolvendo o carbono das peças a tratar, como a oxidação do

material, decorrem da presença de gases no interior do forno de tratamento. O

caminho óbvio para contornar-se o problema seria eliminação da causa, isto é, o

tratamento sob vácuo. Tais processos são, entretanto, extremamente caros,

somente se justificando em caso de metais reativos como titânio, zircônio etc.

Na prática opta-se pelo controle dos potenciais de oxigênio e de carbono na

atmosfera do forno, pelo emprego de materiais de empacotamento, que evitam ou

diminuem o contato da atmosfera com a peça ou pelos banhos de sais fundidos

com potenciais de O e C controlados. Como regra geral, os materiais de

150

empacotamento somente são empregados para peças de aços ligados ou

ferramenta (normalmente de produção limitada). Para produções maiores opta-se

por fornos de banho de sal fundido ou fornos de atmosfera controlada, sendo os

últimos preferidos para peças de grande porte.

Está além dos objetivos deste texto discutir as diversas formas de controle dos

potenciais de oxigênio e de carbono em atmosfera de fornos. É importante,

entretanto, salientar alguns pontos básicos a este respeito:

Nem todos os aços, em todas as aplicações, exigem tratamento térmico isento de

oxidação e/ ou descarbonetação. Um exemplo típico é uma peça com sobremetal,

que depois de tratada será usinada para as medidas finais. Além disto,

obviamente em diversos casos a prática indica ser mais barata uma limpeza

posterior do que a exigência de atmosfera controlada no tratamento térmico.

Como diversas reações ocorrem entre a atmosfera e a peça a tratar, uma

atmosfera não oxidante não é garantia de ausência de descarbonetação

superficial. Somente o controle das relações CO/ C02 e H2/ H2O permite o controle

do potencial de oxigênio e carbono.

Nos tratamentos em banhos de sal pode ocorrer descarbonetação superficial, se

não forem tomados os cuidados necessários, apesar da ausência de atmosfera.

Os meios de empacotamento (empregados principalmente para o tratamento de

aços ferramenta) devem ser escolhidos criteriosamente, pois nem sempre são

neutros em altas temperaturas. Além disso, compensações devem ser feitas nos

tempos de tratamento quando emprega-se tais envoltórios para as peças.

151

Figura 4.4 - Faixas aproximadas de emprego de meios de empacotamento.

4.4 NORMALIZAÇÃO

A normalização consiste na austenitização completa do aço seguida de

resfriamento ao ar.

É indicada normalmente para homogeneização da estrutura após o forjamento e

antes da têmpera ou revenimento. Obviamente, aços ligados que temperam

(endurecem) ao ar não são normalizados.

Comparando-se a estrutura normalizada com a recozida tem-se, na normalizada:

Num aço hipoeutectóide, possivelmente menor quantidade de ferrita

proeutectóide, e perlita mais fina (menor espaçamento entre as lamelas). Em

termos de propriedades mecânicas a dureza e a resistência mecânica mais

elevada, dutilidade (medida por alongamento ou redução de área em ensaio de

tração) mais baixa e resistência ao impacto semelhante (Tabela 4.5).

152

Tabela 4.5 - Propriedades mecânicas dos aços nos estados normalizados e recozidos.

σ esc. = Limite de escoamento. σ máx. = Limite de resistência à tração.

HB = Dureza Brinell.

Num aço hipereutectóide, menos carbonetos em rede ou massivos, e distribuição

mais uniforme dos carbonetos existentes, devido à dissolução mais completa dos

carbonetos na austenitização para a normalização do que para o recozimento.

A normalização pode ser usada, portanto, para qualquer das seguintes

aplicações:

Refino de grão e homogeneização da estrutura visando obter melhor resposta na

têmpera ou revenimento posterior.

Melhoria da usinabilidade;

Refino de estruturas brutas de fusão (peças fundidas, por exemplo);

Obter propriedades mecânicas desejadas;

As temperaturas de austenitização para a normalização são encontradas nas

Tabelas 4.6 e 4.7, e foram baseadas na experiência de fabricação industrial.

153

Tabela 4.6 - Temperatura de austenitização para a normalização de aços carbono.

Tabela 4.7 - Temperatura de austenitização recomendada para a normalização de aços ligados. São observadas na prática variações de 25ºC abaixo e 50ºC acima das temperaturas indicadas.

4.5 TÊMPERA

Uma das características mais importantes dos aços como materiais de construção

mecânica é a possibilidade de desenvolver combinações ótimas de resistência e

tenacidade (medida pela resistência ao impacto). A estrutura que classicamente

permite tais combinações é a estrutura martensítica revenida.

A têmpera consiste em resfriar o aço, apos austenitização, a uma velocidade

suficientemente rápida para evitar as transformações perlíticas e bainíticas na

peça em questão. Deste modo, obtém-se estrutura metaestável martensítica.

Como os diferentes aços apresentam curvas ITT diferentes, a taxa mínima de

resfriamento necessário (denominada velocidade crítica) para evitar as

transformações perlítica e bainítica varia em uma faixa bastante larga. Na figura a

seguir, (figura 4.5)por exemplo, são apresentadas as curvas ITT de dois aços com

diferentes características de transformações de fase. Enquanto no aço 4340 as

transformações perlítica e bainítica têm seu início retardado pela presença de

elementos de liga, facilitando a têmpera, no aço 1050 é mais difícil obter-se uma

154

estrutura 100% martensítica mesmo com resfriamento extremamente rápido, pois

o ''nariz'' da curva ITT situa-se muito próximo eixo vertical.

Deve-se ainda observar que aumentando-se o teor de carbono do aço diminui-se

a temperatura para início e fim da formação da martensita. Também a dureza

martensítica aumenta com o teor de carbono. Em vista disso os aços carbono

para têmpera apresentam um teor de carbono maior que 0,3%, pois abaixo deste

teor o efeito endurecedor provocado pela têmpera seria muito pequeno.

4.5.1 MEIOS DE TÊMPERA

Para o controle da taxa de resfriamento utilizam-se diversos meios de têmpera,

com diferentes capacidades de extração de calor (severidade). Os meios de

têmpera mais comuns são: água, óleo e ar, embora outros meios líquidos ou

gasosos possam ser empregados.

A têmpera em meio líquido ocorre em três estágios, à proporção que a peça

esfria:

155

Figura 4.5 - No aço ligado (b) é mais fácil a têmpera (formação da martensita) do que no aço carbono (a).

156

Figura 4.6 - Efeito do teor de carbono nas temperaturas de início (m1) e fim (m F ) da

transformação austenita - martensita.

Figura 4.7 - Variação da dureza martensítica em função do teor de carbono dos aços carbono.

157

Figura 4.8 - Estágios da têmpera em meio líquido.

1º) Formação de filme contínuo de vapor sobre a peça. Este estágio deve ser tão

curto quanto possível, pois está associado à faixa de temperatura entre A1 e a

temperatura de maior velocidade de reação perlítica. A água apresenta um

estágio de filme contínuo particularmente longo. Para aliviar este problema pode-

se agitar a peça durante o início da têmpera para romper o filme ou dissolver

pequena quantidade de sal na água (0,2% NaCI, por exemplo), que tem excelente

efeito em reduzir a duração do primeiro estágio.

2º) Formação discreta da bolha de vapor sobre a peça. Quando a peça esfria o

suficiente, o filme contínuo de vapor dá lugar à formação e subseqüente

desprendimento de bolhas. Neste estágio também é importante a agitação (ou

circulação forçada do meio de têmpera), para se evitar a permanência de bolhas

sobre os mesmos pontos por tempos longos, cansando pontos resfriados mais

lentamente chamados pontos moles.

3º) Resfriamento por condução e convecção. Neste estágio a peça já atingiu

superficialmente uma temperatura insuficiente para vaporizar o meio de têmpera

Este estágio é controlado, basicamente, pela capacidade calorífica do meio de

têmpera, pelas condições interfaciais peça-meio de têmpera e pela agitação. A

158

água apresenta um 3º estágio extremamente rápido.

4.5.2 TENSÕES NA TÊMPERA

Enquanto no recozimento não se encontram gradientes de temperatura sensíveis

nas peças durante o resfriamento, a severidade com que ocorre na têmpera faz

surgir gradientes bastante acentuados entre o centro e a superfície.

Para uma mesma peça, estes gradientes serão tanto maiores quanto mais severo

for o meio, da têmpera. A presença destes gradientes de temperatura na peça a

temperar, faz surgir tensões internas, associadas à:

• Contração do aço durante o resfriamento.

• Expansão associada com a transformação martensítica.

• Mudanças bruscas de secção e outros concentradores de tensões.

Dependendo da magnitude das tensões resultantes da combinação destes

esforços, podem ocorrer: deformação plástica (empeno da peça), ruptura (trincas

de têmpera) e tensões residuais.

Basicamente, o estágio mais importante de têmpera com reação as tensões é o

terceiro, pois durante este estágio ocorrerá à transformação martensítica

acentuando o estado de tensões na peça. O ideal é que o terceiro estágio seja

lento, pois já não há riscos de ocorrerem às transformações ferrítica-perlítica ou

bainítica e deste modo se obtém menos tensões na têmpera.

Também quanto mais severo for o meio de têmpera, maiores serão as chances

de trincas nas peças e maiores serão suas deformações.

Operacionalmente, a têmpera pode ser feita em lotes ou em equipamentos

contínuos.

159

Figura 4.9 - Efeito do diâmetro, massa e meio refrigerante nas curvas de resfriamento de um aço AISI/ ABNT 1045.

Efeito do diâmetro da barra e do meio refrigerante do aço AISI/ ABNT 1045. As curvas referem-se

ao centro das barras.

160

Figura 4.10 - Ilustração esquemática do estado de tensão existente num bloco de aço durante a têmpera em água.

Figura 4.11 - Variação dimensional de uma peça de aço AISI/ ABNT 1085 após têmpera em água e óleo.

161

4.6 TEMPERABILIDADE (HARDENABILITY)

O conceito de temperabilidade é associado à capacidade de endurecimento do

aço durante o resfriamento rápido (têmpera), ou seja, sua capacidade de formar

martensita a uma determinada profundidade em uma peça.

Os métodos utilizados para avaliar a temperabilidade são:

Taxa de resfriamento crítico.

Ensaio Grossmann

Ensaio Jominy

4.6.1 TAXA DE RESFRIAMENTO CRÍTICO

Corresponde à menor taxa de resfriamento que pode ser utilizada, para que toda

a estrutura obtida ainda seja martensítica. É um método simples e pode ser

utilizado diretamente na curva CCT do aço. A dificuldade de se empregar este

método é que na literatura a quantidade de curvas CCT encontradas é pequena, e

o levantamento destas curvas requer equipamento sofisticado e caro

(dilatômetro), além de pessoal bastante especializado.

Optou-se então, na prática, pelo desenvolvimento de outros ensaios mais simples

como o de Grossmann e o de Jominy. Na realidade o ensaio de Grossmann foi

idealizado em 1940, muito antes do aparecimento dos dilatômetros comerciais

mais sofisticados.

162

Figura 4.12 - Diagrama de resfriamento contínuo do aço AISI/ ABNT 1045. A taxa de

resfriamento crítico para esse aço seria de 7.000ºC/ min. ou 110ºC/ segundo.

4.6.2 ENSAIO GROSSMANN

Consiste em resfriar, a partir do estado austenítico uma série de barras cilíndricas,

de diâmetros crescentes, em condições controladas de resfriamento. As barras

são serradas e mede-se a dureza no centro das mesmas. Coloca-se então, em

um gráfico, a dureza do centro das barras versus o diâmetro das mesmas. Na

região onde ocorre uma inflexão nesta curva é definido o "Diâmetro crítico – Dc”.

Esta inflexão é tomada como a transição entre a estrutura martensítica e a

estrutura ferrítica/ perlítica de menor dureza.

Assim, se um aço A apresenta um diâmetro crítico de 2,5cm e um outro aço B, um

diâmetro crítico de 4cm, significa que o aço B tem maior temperabilidade que o

aço A. Ou seja, o aço B apresenta uma profundidade de endurecimento (região

martensítica) maior que a do aço A.

163

Figura 4.13 - Curva esquemática do ensaio Grossmann.

4.6.3 ENSAIO JOMINY

Uma das limitações do Ensaio Grossmann é que para se determinar o Diâmetro

Crítico necessita-se de uma série de barras, com diferentes diâmetros. Visando

urna maior rapidez no teste de temperabilidade, Jominy apresentou um ensaio

utilizando uma única barra de 1 polegada de diâmetro por 4 polegadas de

comprimento. Essa barra é austenitizada e em seguida resfriada com um jato de

água em condições padronizadas.

Depois de resfriada, faz-se, longitudinalmente, uma trilha retificada na amostra e

mede-se a dureza a partir da extremidade resfriada. Comparando-se a curva

Jominy de dois aços A e B, observa-se que embora ambos tenham igual dureza

máxima (66Rc), o aço A tem uma maior “penetração de dureza" que o aço B.

Assim o aço A apresenta uma maior capacidade de endurecimento, ou seja, tem

uma maior temperabilidade que o aço B.

164

Figura 4.14 - Ensaio Jominy de temperabilidade.

Figura 4.15 - Curva Jominy para dois aços: A e B.

Se forem feitos vários Ensaios Jominy para um mesmo tipo de aço (1040, por

exemplo), porém com amostras provenientes de diversas fontes, haverá urna

dispersão de resultados. Isto, obviamente, em função de diferenças na estrutura

dos aços (tamanho de grão, inclusões etc.) e nas suas composições químicas.

Por exemplo, um aço 1040, poderá ter, por norma, seu teor de carbono variando

de 0,37 a 0,44%, assim como apresentar variações nos outros elementos de liga

(Mn, Si, etc.).

Devido a isto, as curvas dos Ensaios Jominy obtidas da literatura, apresentam

uma faixa de dureza e não uma dureza única.

165

4.6.4 FATORES QUE AFETAM A TEMPERABILIDADE

Para se aumentar a temperabilidade do aço, deve-se retardar a formação da

ferrita cementita, perlita e bainita, ou seja, deve-se deslocar a curva ITT para

tempos mais longos. Obtém-se isto com:

Elementos de liga dissolvidos na austenita (exceto o cobalto).

Granulação grosseira da austenita. Para diminuir áreas de nucleação

heterogênea dos compostos difusionais (ferrita, perlita, cementita e bainita), visto

que os contornos de grão funcionam como locais preferenciais para a nucleação

destes compostos.

Homogeneidade da austenita, com ausência de inclusões ou precipitados, para

dificultar a nucleação dos compostos difusionais.

Obviamente que para se diminuir a temperabilidade as providências são opostas

às citadas.

Figura 4.16 - Curva Jominy para o aço AISI/ ABNT 1040.

166

4.6.5 TÉCNICAS PARA SE REVELAR O CONTORNO DO GRÃO AUSTENÍTICO

Para se revelar o contorno do grão austenítico existem várias técnicas,as quais

foram revistas recentemente:

Transformação Parcial

Consiste em se fazer um tratamento isotérmico na amostra, deixando crescer

compostos difusionais como a ferrita (aço C < 0,8%), a perlita (aço C = 0,8%) ou a

cementita (aço C > 0,8%). Antes de terminar a transformação, interrompe-se este

crescimento resfriando-se a amostra em água. Como estes compostos crescem

preferencialmente no contorno de grão austenítico, após o resfriamento em água,

os compostos indicarão o local do “antigo” contorno de grão austenítico (pois a

amostra agora é martensítica). Para tamanhos de grãos austeníticos maiores que

100 μ m o método funciona bem, porém para diâmetros menores que 100 μ m o

mesmo não funciona satisfatoriamente.

Oxidação Superficial (método de Kohn)

Consiste em se polir a amostra e depois oxidá-la superficialmente em forno, a

900ºC, por alguns segundos. A amostra é então repolida levemente. Como a

região do contorno de grão é oxidada mais profundamente que o centro do

mesmo, após o repolimento a região do contorno de grão ficará visível.

O inconveniente deste método, além do aquecimento, que provoca um

crescimento do grão austenítico, é que, às vezes forma-se na superfície da

amostra urna rede de óxido de ferro que se confunde como contorno do grão

austenítico. Após o repolimento, o ataque é feito com reativo de Béchet (solução

aquosa de ácido pícrico mais 0,5% de um alkil-sulfonato de sódio).

Reativo de Vilela com 0,5% de Alkil-Sulfonato de Sódio (agente molhante ou

detergente).

Esta técnica não apresenta um contorno de grão muito nítido, porém é a única

feita sem aquecer a amostra, apresentando resultados mais confiáveis. O

reagente de Vilela consiste de ácido pícrico (1g), ácido clorídrico (5 ml) e álcool

etílico (95ml).

167

4.6.6 CRESCIMENTO DO GRÃO AUSTENÍTICO

O crescimento do grão austenítico é um processo que depende do tempo, da

temperatura e é, normalmente, controlado pela presença de partículas finas

(diâmetros menores que 1000A ) dispersas (AIN, p. ex.). Em geral para uma certa

temperatura, o crescimento de grão é bastante rápido nos primeiros 10 minutos de

aquecimento, após o que é apenas marginal. Assim, para que o grão austenítico

volte a crescer novamente, e de uma maneira significativa, seria necessário

elevar a temperatura do forno.

O aumento do grão austenítico para melhoria da temperabilidade não é um

processo indicado, pois acarreta deterioração nas propriedades mecânicas,

principalmente na tenacidade dos aços de alto carbono. Assim, para se aumentar

a temperabilidade de um aço são empregados os elementos de liga, e não o

crescimento provocado do grão austenítico.

Na prática costuma-se usar a escala da norma ASTM E112 para medir tamanhos

de grão. Nesta escala quanto maior o número, menor é o diâmetro do grão

austenítico.

168

Figura 4.17 - Cinética de crescimento do grão austenítico para o aço Fe - 0,4C - 1,0Mn.

169

Figura 4.18 - Tamanho de grão ASTM (a) e escala de conversão do número de grão

ASTM em diâmetro médio equivalente (b).

Tabela 4.8 - Efeito do tamanho do grão nas propriedades mecânicas dos aços carbono.

170

4.7 REVENIMENTO

A martensita como temperada é extremamente dura e frágil. Peças deixadas

permanecer nesta condição de alto tensionamento interno (tanto macroscópico)

como microscópico: correm grande risco de trincar, exceto quando apresentam

teor de carbono extremamente baixo. Por outro lado, a baixa tenacidade torna

estas estruturas sem emprego prático.

Figura 4.19 - Ciclo de têmpera + revenimento.

Para se atingir valores adequados de resistência mecânica e tenacidade deve-se

logo, após a têmpera, proceder ao revenimento. Este tratamento consiste em

aquecer uniformemente até uma temperatura abaixo daquela de austenitização,

mantendo o aço nesta temperatura por tempo suficiente para equalização de

temperatura e obtenção das propriedades desejadas.

4.7.1 EFEITO NAS PROPRIEDADES

A Fig 4.20 mostra as propriedades mais representativas do aço AISI/ ABNT 8640

em função da temperatura de revenimento. As curvas foram levantadas para

corpo de prova de 12mm de diâmetro para minimizar a variação estrutural ao

longo da seção transversal das amostras.

171

Figura 4.20 - Variação das propriedades mecânicas do aço AISI/ ABNT 8640 em

função da temperatura de revenimento.

Observando-se a Fig. 4.20, pode-se notar claramente o conflito básico existente

entre propriedades de resistência (resistência à tração, limite de escoamento,

dureza) e propriedades de dutilidade e tenacidade (redução de área, alongamento

e, em linhas gerais resistência ao impacto). Esta é uma característica básica de

quase todos os mecanismos de aumento de resistência em aços (e em outras

ligas também).

As mudanças nas propriedades dos aços dependem do tempo e da temperatura

de revenimento. Em geral, nos primeiros minutos de revenimento a queda de

dureza é acentuada, porém a partir de 2 horas de revenimento a perda de dureza

não é expressiva.

Assim, para a continuidade na diminuição da dureza do aço seria mais

conveniente aumentar a temperatura do que mantê-lo numa temperatura inferior

por um tempo muito longo.

172

Figura 4.21 - Efeito da duração do revenimento de um aço com 0,82%C sobre a

dureza, a quatro temperaturas diferentes.

Figura 4.22 - Efeito do tempo de revenimento na dureza de aços carbono.

173

4.7.2 TRANSFORMAÇÕES NO REVENIMENTO DE AÇOS CARBONO

Sendo a martensita uma estrutura metaestável, o aquecimento facilita a busca do

equilíbrio. Como foi visto anteriormente, a metaestabilidade da martensita é

caracterizada pela permanência dos átomos de carbono nos interstícios em que

se encontravam na austenita. Assim, fornecendo-se energia para difusão

(revenimento), o carbono sairá da supersaturação, precipitando-se como

carboneto. Esta precipitação conduz à diminuição da dureza. Além disto, o

revenimento funciona como uma operação de alívio de tensões da têmpera.

Para os aços carbono são verificados os seguintes estágios de revenimento:

Figura 4.23 - Dureza e transformações do revenimento em aços carbono, aquecidos por 1 hora entre 100 e 700ºC.

1. Até 2500C

Em aços com C < 0,25% ocorre a difusão do carbono na martensita. Em aços

com C > 0,25% ocorre a precipitação do carboneto ε hexagonal de corpo

centrado na forma de pequenas ripas ou barras redondas, reduzindo-se o teor de

carbono da martensita para aproximadamente 0,25%. Com isso a martensita

perde parcialmente sua tetragonalidade (a relação c/ a da estrutura martensítica

decresce com, a diminuição do seu teor de carbono). Essa precipitação de

carboneto ε leva, às vezes, no caso de aços com alto teor de carbono a um

174

aumento de dureza, pelo mecanismo de endurecimento por precipitação.

2. De 200 a 350ºC

Durante este estágio a austenita retida é decomposta entre 230 a 300ºC,

formando ferrita e cementita, com características de bainita.

Entre 100 e 300ºC ocorre à precipitação da cementita na forma de barras e a

martensita perde sua tetragonalidade transformando-se em ferrita. À medida que

as partículas de cementita crescem as de carboneto ε vão desaparecendo

gradualmente.

3. 350 a 7000C

Entre 300 e 400ºC inicia-se o coalescimento da cementita e esta se torna

totalmente esferoidal a 700ºC.

Entre 350 e 600ºC ocorre uma pronunciada redução na densidade de

discordância (recuperação) e a ferrita formada apresenta os mesmos contornos

das antigas ripas martensíticas.

Entre 600 e 700ºC o processo de recuperação é substituído pelo de

recristalização, o que resulta na formação de grãos de ferrita equiaxiais com,

partículas esferoidais de cementita no contorno e no interior dos mesmos.

A continuação do processo é um coalescimento contínuo das partículas de

cementita e um gradual crescimento dos grãos ferríticos.

O revenimento dos aços ligados será discutido posteriormente.

175

4.7.3 REVENIMENTO MÚLTIPLO

Aços de alta temperabilidade, como os aços ferramenta, são, em geral, revenidos

duas vezes. O primeiro revenimento deve se iniciar com a peça ainda morna (60º

a 90ºC). Durante este revenimento ocorrem: alívio de tensões, revenimento de

martensita e precipitação de carbonetos na austenita retida (austenita não

transformada durante a têmpera - Em certos aços pode chegar a 30% da

estrutura como temperada). O abaixamento do teor de carbono dissolvido na

austenita retida (pela precipitação de carbonetos), aumenta sua temperatura M1 e

ela tempera durante o resfriamento do primeiro revenimento, formando mais

martensita O segundo revenimento tem a função de revenir esta nova martensita.

Este tratamento de duplo revenimento é muito eficiente na estabilização

dimensional de ferramentas, calibres, etc., que podem ser revenidos até mais de

duas vezes.

4.7.4 FRAGILIDADE DO REVENIDO

Para os aços carbono e baixa liga o aumento da temperatura de revenimento até

200ºC provoca um aumento da dutilidade.

Entretanto, se o aço for revenido entre 260º e 315ºC,o mesmo apresentará uma

menor resistência ao choque do que se for revenido a 150ºC, ou seja, entre 260º

e 315ºC ocorre fragilização.

Outra faixa em que ocorre fragilização é entre 450 e 600ºC, para aços com níquel

e cromo (série 31 XX, por exemplo).

Estes fenômenos de fragilização são especialmente perigosos, uma vez que

nenhuma das demais propriedades é alterada, só podendo ser detectados com

auxílio do ensaio de impacto (Charpy, por exemplo).

Aços que necessitam serem temperados nestas faixas críticas, principalmente na

de 230º a 350ºC têm, em geral, adições de molibdênio ou silício às suas

composições, para evitar a fragilização.

No caso de revenimentos realizados acima de 500ºC deve-se utilizar o

resfriamento em água após o revenimento se houver qualquer dúvida quanto à

176

possibilidade de fragilização do aço Assim, minimiza-se a permanência na faixa

crítica.

Figura 4.24 - Efeito da severidade do resfriamento (após o revenimento) na tenacidade do

aço AISI/ ABNT 5140, revenido a 620ºC, por 2 horas.

4.8 MARTÊMPERA

Visando diminuir parcialmente o problema das tensões de resfriamento na

têmpera, desenvolveu-se o tratamento de martêmpera. Na martêmpera, o

resfriamento é interrompido por alguns instantes a uma temperatura pouco

superior ao M1 temperatura de início de transformação martensítica, de modo a

eliminar ou diminuir substancialmente os gradientes térmicos, prosseguindo em

seguida para formação da martensita. Para a realização de martêmpera é

necessário, um conhecimento adequado das características de transformação

(Curva ITT) do aço.

177

Figura 4.25 - Representação esquemática da têmpera convencional e da martêmpera.

A martêmpera emprega banho de sal ou banho de óleo. O banho de sal

apresenta algumas vantagens sobre o de óleo, tais como:

• Maior estabilidade química

• Opera numa maior faixa de temperatura

• Mais fácil limpeza da peça (O sal é solúvel em água).

• Possui algumas desvantagens também:

• Só é operacional acima de 160ºC.

• Apresenta perigos de explosão.

A martêmpera permite um maior controle dimensional sobre os lotes de peças do

que a têmpera convencional. Também ocorre na martêmpera uma menor perda

de peças por trincas e empenos A desvantagem da martêmpera sobre a têmpera

convencional é que seu custo é maior. Os aços comumente empregados na

martêmpera são apresentados na tabela abaixo.

178

Tabela 4.9 - Aços empregados na martêmpera.

Figura 4.26 - Variação dimensional de uma peça de aço 0,95C/ 0,5W/ 0,5Cr/ 0,2V

austenitizada a 840ºC, e submetida a tratamentos de têmpera convencional e martêmpera.

179

4.9 AUSTÊMPERA

Austêmpera é urna transformação isotérmica para produção de estrutura

bainítica.

O processo consiste em:

Austenitizar o aço.

Resfriamento rápido em banho de sal, óleo ou chumbo para a região de formação

bainítica.

Transformação da austenita em bainita.

Resfriamento ao ar até a temperatura ambiente.

A escolha de aço para austêmpera é baseada em sua curva ITT.

Figura 4.27 - Comparação esquemática entre a têmpera convencional + revenimento e a austêmpera.

180

Figura 4.28 - A aplicação da austêmpera requer uma análise cuidadosa das curvas ITT dos aços.

O principal objetivo da austêmpera é obter produtos com alta dutilidade e

resistência ao impacto, sem perda expressiva de dureza.

Tabela 4.10 - Propriedades mecânicas do aço 1095 a três diferentes tratamentos térmicos.

O outro objetivo da austêmpera é reduzir a perda por trincas e empenos, e

melhorar a precisão dimensional.

O custo da austêmpera é aproximadamente o mesmo que o da têmpera +

revenimento, e em alguns casos é até menor, quando, por exemplo, se tratar de

pequenas peças em produção automatizada. A grande desvantagem é que o

processo, devido às duas características é limitado a um grupo pequeno de aços:

1050, 1095, 1350, 4063, 4150, 4365, 5140, 5160, 8750 e 50100, dentre os mais

comuns.

181

4.10 AUSTENITA RETIDA Como visto anteriormente a austenita “retida” após a têmpera pode se transformar

em martensita, causando variação dimensional, visto que os dois constituintes

têm densidades diferentes (a transformação da austenita em martensita, em um

aço com 1%C, na temperatura ambiente, provoca um aumento de volume de

4,3%).

Nestes casos a eliminação da austenita retida pode ser feita por:

Revenimento múltiplo. Já discutido anteriormente.

a) Tratamento sub-zero. Consiste em resfriar a peça para temperaturas menores que 0ºC, com nitrogênio líquido ( ≈ -176ºC), gelo seco ( ≈ -68ºC) ou hélio líquido ( ≈ -268ºC).

Com isso a peça atinge temperaturas inferiores a MF e ocorre a transformação da

austenita em martensita.

Encruamento. A deformação a frio facilita a transformação da austenita retida,

porém ocasiona os mesmos problemas de variação das dimensões.

4.11 TÊMPERA SUPERFICIAL Têmpera superficial é um processo de têmpera convencional, só que aplicado

apenas à região superficial da peça. É ideal para produzir peças com alta dureza

superficial e, por conseqüência, maior resistência ao desgaste, com um núcleo

mais mole e dútil. É o caso de engrenagens, por exemplo, onde se deseja alta

resistência ao desgaste na superfície, para suportar o atrito metal/ metal, e um

núcleo dútil, para acomodar os impactos recebidos.

Para se promover um aquecimento rápido da superfície da peça, utiliza-se o

aquecimento indutivo ou por chama.

4.11.1 AQUECIMENTO INDUTIVO Neste caso o aquecimento na peça é provocado por indução eletromagnética,

através de bobinas apropriadas. Nestas bobinas circula umaa corrente alternada,

o que gera um campo eletromagnético a sua volta. Ao ser colocada uma peça

neste campo, geram-se correntes parasitas na mesma. Estas correntes, ao

circularem pela peça, provocam o aquecimento por efeito Joule.

Dependendo da região a ser aquecida utiliza-se um tipo de espira.

182

Figura 4.29 - Diferentes tipos de espiras para o aquecimento indutivo, em função da região a ser aquecida.

A profundidade temperada depende da freqüência empregada. Quanto maior a

freqüência menor a região aquecida, para a mesma densidade de potência

empregada.

O tempo de aquecimento indutivo para peças pequenas e da ordem de 1 a 10

segundos. Este tempo deve ser o menor possível para não causar o

superaquecimento, com posterior aparecimento de trincas.

Figura 4.30 - Eficiência na transferência de energia a 1100ºC, com diferentes freqüências,

para vários diâmetros de barras de aço 1045. Quando a têmpera é contínua (em longos eixos, por exemplo), a velocidade de

deslocamento da espira é da ordem de 1cm/ segundo.

Os aços empregados neste processo são os carbonos e baixa liga,

183

preferencialmente com estrutura homogênea da ferrita e perlita ou martensita

revenida. Aços esferoidizados, com cementita grosseira apresentam resultados

piores na tempera por indução, pois a dissolução dos carbonetos durante a

austenitização é mais difícil. Na tabela abaixo são indicadas as temperaturas de

austenitização e os meios de resfriamento para a têmpera superficial.

Tabela 4.11 - Profundidade de penetração e densidade de potência em função da

freqüência utilizada na têmpera por indução.

Tabela 4.12 - Temperatura e meio de resfriamento indicados para a têmpera superficial por indução.

O resfriamento da peça pode ser feito com:

Mergulho da peça em um tanque com líquido (água ou óleo) logo após o

aquecimento.

Spray proveniente da própria espira de indução.

Spray caminhando junto com a espira de indução.

184

4.11.2 AQUECIMENTO POR CHAMA Neste caso o aquecimento resulta da combustão de gases como propano,

acetileno, gás natural, etc.

As vantagens que este processo apresenta são:

Pode ser utilizado em peças grandes, onde o aquecimento em fornos ou por

indução seria impraticável;

Pode ser utilizado em áreas pequenas e localizadas;

É mais econômico para pequenos lotes de peças que o processo por indução.

Figura 4.32 - Diferentes tipos de montagem para

têmpera por indução.

Figura 4.31 - Têmpera superficial por indução, na Eletrometal, de um cilindro

de laminação.

185

Figura 4.33 - Comparação de custos para produção de engrenagens utilizando

aquecimento por chama e por indução. Os tipos de queimadores são os mais diversos, e adaptados aos diferentes tipos

de peças. O acetileno produz um aquecimento mais rápido que o gás natural.

Os aços empregados neste tratamento são os aços carbono (0,35 a 0,60%C) e

aços ligados como o 4130H, 4140H, 8640H, 8642H e 4340H.

Em comparação com o aquecimento indutivo, o aquecimento por chama

apresenta equipamento de menor custo, porém demanda maior manutenção

(principalmente devido aos queimadores) e é um processo mais lento. Assim, a

escolha do processo de aquecimento deve ser precedida de uma análise rigorosa

dos custos diretos e indiretos envolvidos.

186

Figura 4.34 - Diferentes dispositivos para têmpera superficial por chama.

Figura 4.35 - Relações entre têmpera e profundidade de endurecimento na têmpera

superficial por chama, para diferentes tipos de gases queimando com oxigênio.

187

4.12 SOLUBILIZAÇÃO (RECOZIMENTO PARA SOLUBILIZAÇÃO)

Tratamentos que envolvem o aquecimento à temperatura adequada, durante um

tempo suficiente para a dissolução de um ou mais constituintes seguidos de

resfriamento bastante rápido para mantê-los em solução, chamam-se tratamentos

de solubilização ou recozimento para solubilização. Estes tratamentos são

aplicados a várias famílias de aços e ligas especiais.

Para ligas não endurecíveis por precipitação, como a maioria dos aços

inoxidáveis austeníticos e níquel puro, por exemplo, o tratamento de solubilização

pode se confundir com um simples tratamento de recozimento (annealing),

visando, normalmente, recristalização e homogeneização microestrutural. Em

ligas como aços inoxidáveis austeníticos, tratamentos de solubilização têm,

adicionalmente o objetivo de dissolver precipitados, de modo a obter o máximo de

resistência a corrosão.

Os principais objetivos destes tratamentos são:

Aumentar a ductilidade (reduzir dureza), aliviar tensões pós-soldagem, produzir

microestruturas desejadas, e, em ligas endurecíveis por precipitação, reduzir a

dureza e condicionar o material para o tratamento de envelhecimento através da

dissolução dos precipitados.

Os aços inoxidáveis austeníticos convencionais, que não tem transformações de

fases, somente aumentam sua resistência através do encruamento. Após

conformação ou soldagem, um tratamento de solubilização pode ser

recomendado quando se deseja homogeneidade de microestrutura, o máximo de

resistência à corrosão e dutilidade. Estes aços são solubilizados a temperaturas

acima da linha “solvus” dos carbonetos de cromo. Como a dissolução dos

carbonetos é lenta, a temperatura mais alta capaz de não conduzir a crescimento

excessivo de grão é selecionada. Estas temperaturas variam, normalmente, na

faixa de 1000~1100ºC.

188

Figura 4.36 - Efeito do carbono no diagrama de fases de um aço 18% Cr - 8% Ni.

Após a dissolução dos carbonetos, o material é resfriado rapidamente para

prevenir a reprecipitação destas fases. Para peças de pequenas dimensões,

resfriamento ao ar pode ser suficiente, enquanto peças grandes normalmente

requerem resfriamento em água. As tensões causadas pelo resfriamento rápido

devem ser consideradas em aplicações em que corrosão sob tensão é

importante.

Uma vez que esta condição solubilizada não é uma condição de equilíbrio, a

exposição do material a temperaturas elevadas conduzirá à precipitação de fases

buscando atingir o equilíbrio. Enquanto que para aços inoxidáveis austeníticos

comuns esta precipitação é indesejada, este fenômeno é aproveitado nas ligas

endurecidas por precipitação, através de tratamento térmico de envelhecimento.

No caso de ligas endurecidas por precipitação (superligas, p. ex.), a escolha dos

parâmetros do tratamento de solubilização é mais complexa, pois pode depender

das propriedades desejadas após envelhecimento. As ligas Inconel 718 (EMVAC

718) e Waspaloy (EMVAC WP), por exemplo, devem ser solubilizadas a

temperaturas mais elevadas quando o máximo de resistência à fluência for

necessária, enquanto temperaturas de solubilização mais baixas são

recomendadas para propriedades de curta duração a alta temperatura. O uso de

temperatura de solubilização mais elevada conduzirá a grãos maiores e maior

dissolução de carboneto. Durante o envelhecimento acontecerá maior

189

precipitação de carbonetos nos contornos de grão, otimizando a microestrutura

para a resistência à fluência.

4.13 ENVELHECIMENTO

Uma liga é dita endurecível por precipitação quando sua dureza ou o limite de

escoamento aumenta com o tempo, a temperatura constante (temperatura de

envelhecimento), após resfriamento rápido a partir de uma temperatura muito

mais alta (temperatura de solubilização).

Os mecanismos de endurecimento associados ao endurecimento por precipitação

são complexos e sua discussão transcende ao objetivo deste texto. De forma

simplificada, tamanho, espaçamento e volume total de precipitados, além das

características do precipitado, definem o efeito sobre as propriedades mecânicas.

Características importantes dos precipitados englobam coerência (ou não) com a

matriz e ordenação (ou não) de sua estrutura, entre outras.

A seleção dos parâmetros ideais de envelhecimento para determinada liga não é

uma tarefa simples. Temperatura, tempo e número de ciclos de envelhecimento

devem ser determinados considerando:

Tipo e número de fases disponíveis para precipitação;

Temperatura de emprego prevista;

Tamanho do precipitado;

Combinação de resistência e dutilidade desejada.

190

Figura 4.37 - Produto de solubilidade do Nbc a 700ºC, 100ºC e 1300ºC, num aço inoxidável

austenítico. Estão indicados, para os aços de composição A e B, a quantidade de carboneto não dissolvido, às diferentes temperaturas, assim como a quantidade teórica de Nbc disponível para

precipitação em envelhecimento a 700ºC.

Em ligas simples, como no caso de aços inoxidáveis para aplicação à alta

temperatura (endurecidos pela precipitação de uma fase simples) o volume

teórico que se precipitará pode ser previsto por cálculos de solubilidade.

Em ligas mais complexas, como superligas a base de níquel ou níquel e ferro,

várias fases podem precipitar, como:

Ni, Al, Ni3, (Ti, Al), Ni3, Ti (y’)

Ni3, Nb (y’’)

Diversos carbonetos, como M23C6, M7C3, M6C etc.

A figura abaixo apresenta o efeito típico de tempo e temperatura de

envelhecimento sobre a dureza de uma liga endurecível por precipitação. Para

vários materiais, tratamentos recomendados podem ser encontrados, também,

nas normas ou especificações aplicáveis (ASTM, AMS etc).

É especialmente importante ressaltar que parâmetros adequados para o conjunto

solubilização + envelhecimento são essenciais se os melhores resultados são

desejados. O simples atendimento aos requisitos de dureza após o

envelhecimento pode não ser suficiente para garantia do atendimento às

propriedades requeridas, se, por exemplo, a solubilização não foi realizada

adequadamente.

191

Figura 4.38 - Efeito da temperatura sobre as curvas de envelhecimento durante o

endurecimento por precipitação. (Curvas para aço carbono com 0,06%C).

4.14 EXEMPLOS DE MICROESTRUTURAS OBTIDAS COM

TRATAMENTOS TÉRMICOS

As figuras abaixo apresentam microestruturas típicas dos aços 1018, 1045 e 1095

obtidas após tratamentos de recozimento, normalização, têmpera e revenimento.

192

Figura 4.39 - Microestruturas do aço AISI/ ABNT 1018 após diferentes tratamentos térmicos.

193


194


195


196


197


198



5 CLASSIFICAÇÃO E SELEÇÃO DE AÇOS

199

Alguns aspectos comuns da seleção e classificação de materiais em geral, são

tratados a seguir, antes de analisar a seleção e classificação dos aços, em

particular.

5.1 CLASSIFICAÇÃO E ESPECIFICAÇÃO

A importância de especificações bem elaboradas para produtos industriais não

pode ser subestimada. Especificações corretas conduzem a economia por parte

dos produtores e dos compradores, prazos mais curtos de entrega e,

principalmente, melhor entendimento entre produtor e cliente. Uma especificação

bem elaborada deve deixar claro o que se espera e o que se aceita do produto.

Por este motivo, muito esforço vem sendo dedicado por diversas entidades,

privadas ou não, nível nacional ou internacional, no sentido de padronizar as

especificações de produtos industriais, especialmente os materiais.

Aços e ligas especiais têm sido classificados de diferentes maneiras. São

métodos usuais de classificação:

Classificação baseada em características do aço ou liga.

Ex.: Propriedades mecânicas, composição química, etc

Classificação baseada no emprego do aço ou liga.

Ex.: Aços para ferramentas, para construção Mecânica, etc.

Basicamente, selecionada uma determinada composição química de um material,

levanta-se, estatisticamente, suas características de emprego: propriedades

mecânicas, resistência à corrosão, etc. Tabuladas tais propriedades para diversas

ligas, o engenheiro de projeto pode selecionar, em função da aplicação em vista,

o material mais adequado. É importante ter em mente, entretanto, que as

propriedades e características apresentadas em manuais são médias sobre

universos de amostras amplas. É sempre recomendável um contato com o

produtor de aço, no sentido de definir, com maior exatidão, o que se pode esperar

do material produzido, segundo determinada especificação Normalmente o

fabricante fornecerá um julgamento sensato sobre a adequação do material

selecionado pelo projetista e poderá, inclusive opinar quanto à possibilidade do

aço ter suas propriedades em uma faixa mais estreita que a citada nos manuais.

Também pode fornecer garantias sobre propriedades ou características não

200

constantes da especificação. E importante ter em mente, entretanto, que,

normalmente, o material é garantido apenas no que tange á especificação

segundo a qual foi comprado.

Dentre as propriedades que podem ser especificadas para um aço ou liga, além

das dimensões e tolerâncias, estão:

• composição

• propriedades mecânicas

• tamanho de grão

• temperabilidade

• nível de inclusões

• resistência ao impacto

• propriedades físicas

Entretanto, como o custo do material varia diretamente com o número de

propriedades especificadas, uma determinada especificação deve ser aceitável

economicamente tanto para o fornecedor como para o cliente. Além disto, há

diversas falhas que podem estar presentes em uma especificação:

Ser muito geral - causando aceitação de material inferior ao desejado.

Ser muito restritiva - causando a recusa de material que seria adequado para a

aplicação

Ser baseada em critérios impróprios ou inadequados - Por exemplo, especificar a

composição química quando se deseja realmente propriedades mecânicas; ou

exigir propriedades mecânicas elevadas de um material cuja principal

característica necessária na aplicação seja resistência à corrosão.

Ser impraticável, por exigir material ideal - Por exemplo, especificar ausência total

de fósforo e enxofre no aço; ou especificar isenção completa de inclusões não-

metálicas.

É importante, então, que o projetista tenha um espírito permanentemente crítico,

perguntando-se sempre se está especificando realmente o que é importante, se

não está sendo excessivamente restritivo, encarecendo o produto; em suma, se

está sendo razoável.

Seleção

A seleção de materiais é uma das tarefas mais complexas na engenharia.

201

Normalmente, para cada aplicação, há um conjunto de requisitos que o material

ideal deve satisfazer. Parte da complexidade da seleção de materiais está em

traduzir estes requisitos ou condições de trabalho em características desejadas

do material e, adicionalmente, convertê-las em propriedades controláveis através

de ensaios ou testes exeqüíveis, a nível de controle da qualidade (testes de

aceitação).

Evidentemente, uma limitação constante no processo de seleção de um material é

que a adequação ao uso deve ser obtida a custo mínimo.

Assim, exceto nos casos extremamente simples ou em aplicações muito bem

conhecidas, a seleção de um material para uma dada aplicação deve ser um

processo iterativo.

Neste processo, visa-se correlacionar parâmetros de desempenho (ou

propriedades cuja medida é mais difícil ou cara) e características mais facilmente

controláveis dos materiais pré-selecionados para a aplicação (como dureza,

resistência à tração, etc) até se encontrar um material otimizado para a aplicação.

Uma vez selecionado o material, seu fornecimento pode ser controlado através

destes ensaios tecnológicos, com os requisitos definidos durante o processo

iterativo de homologação.

Estas sistemáticas de homologação e qualificação de materiais são rotineiras em

aplicações que se relacionam com a segurança de pessoas tais como vasos de

pressão, caldeiras, aeronaves, etc.

202

5.2 AÇOS ESTRUTURAIS

Por aços estruturais entendem-se, basicamente, vergalhões para reforço de

concreto, barras (normalmente em aplicações estáticas) e chapas e perfis para

aplicações estruturais.

Nesta classe está o consumo maciço de aços e a relação resistência/ preço é,

normalmente, fator decisivo na seleção.

Aços para aplicações estruturais corriqueiras são produtos laminados a partir de

lingotes de aço efervescente ou semi-acabado (não desoxidado ou parcialmente

desoxidado), elaborados em conversores.

A seleção deste roteiro de fabricação está intimamente ligada ao custo, pelas

seguintes razões:

Os conversores têm, em geral, o menor custo de elaboração.

O uso de desoxidantes é um dos fatores que mais encarece os aços estruturais.

A laminação é o processo que permite maior economia na produção das seções

envolvidas.

Obviamente, as propriedades destes materiais estão situadas na região inferior do

espectro de propriedades dos aços. Desde que corretamente aplicados,

entretanto, são completamente satisfatórios e apresentam máxima economia no

uso.

Para estruturas e aplicações de maior responsabilidade, aços de alta resistência e

baixa liga vem sendo extensivamente desenvolvidos nas últimas décadas, como

será discutido adiante.

Uma vez que os aços desenvolvidos para tais aplicações (como plataformas off-

shore, por exemplo) são essencialmente os mesmos empregados na fabricação

de vasos de pressão, tanques e tubulações, é conveniente discuti-los também

nesta seção.

Além disto, existem aplicações especiais que requerem aços de baixa ou média

liga, como aços para reatores nucleares, vasos de alta pressão, mísseis,

submarinos, etc. Naturalmente a discussão detalhada da seleção de materiais,

para tais aplicações especiais foge ao objetivo deste texto, e é encontrada em

publicações especializadas.

203

Os principais requisitos para aços destinados às aplicações estruturais são:

Tensão de escoamento elevada. A maioria dos códigos de projeto modernos vêm

reconhecendo a tensão de escoamento como a propriedade a ser considerada no

projeto. O conceito de que uma relação limite de ruptura/ limite de escoamento

elevado seria necessária para prevenir instabilidade plástica vem sendo

substituído pelo uso criterioso do limite de escoamento, como propriedade a ser

considerada para prevenir deformação plástica generalizada.

Elevada tenacidade. A prevenção da fratura rápida ou catastrófica de estruturas

de aço tem merecido atenção especial desde, pelo menos, a Segunda Guerra

Mundial. O controle da tenacidade é fundamental na prevenção da fratura rápida

("frágil").

Boa soldabilidade. A alteração das características do material na junta soldada

deve ser a menor possível, idealmente, exigindo o mínimo de cuidados

operacionais. Esta característica é fundamental para permitir montagens rápidas,

simples e confiáveis, bem como o corte por chama.

Boa formalidade. Uma vez que em muitos casos é necessário se utilizar

conformação mecânica (dobramento, calandragem, etc.) para se fabricar a

estrutura desejada.

Custo mínimo.

É interessante observar que, enquanto critérios de projeto que permitem

correlacionar condições de carregamento uniaxial (resultado de ensaios de

tração, por exemplo) com o comportamento em condições reais de componentes

ou estruturas foram estabelecidos há bastante tempo, com resultados bastante

satisfatórios, o mesmo não ocorreu com critérios para prevenção de falhas

rápidas (catastróficas), em presença de defeitos ou outros concentradores de

tensões.

Inicialmente critérios empíricos foram estabelecidos através de correlações com

falhas em serviços. Critérios freqüentemente empregados como 10 ou 35 ft.lbf no

ensaio de Charpy V a temperatura de emprego, por exemplo foram derivados da

análise de centenas de fraturas frágeis ocorridas em navios no período de 1940-

50.

A análise de vários casos de falha no Naval Research Laboratorv, no inicio da

204

década de 1960 levou Pellini a estabelecer o ensaio para determinação da NDT

(“temperatura de dutilidade nula”) e os critérios semi-empíricos de NDT + 600F ou

NDT + 1200F como temperaturas seguras contra a fratura frágil.

Através dos conceitos de mecânica da fratura vem sendo possível, nas últimas

décadas, o estabelecimento de critérios de projeto que relacionam propriedades

do material tenacidade, resistência com as tensões aplicadas e os defeitos

presentes, com vistas à prevenção da falha catastrófica de estruturas.

5.2.1 VERGALHÕES PARA CONCRETO

Os vergalhões para concreto armado são especificados segundo a norma NBR

7480, sendo designados CA xx, onde os dois algarismos representam o limite de

escoamento mínimo em kgl/ mm2 (ex.: CA-25, CA-50, etc.). Pertencem a duas classes: A - laminados a quente e B - encruados (laminados a

frio ou torcidos). É importante notar que, enquanto os CA's da classe A quando

soldados não apresentam enfraquecimento, os aços encruados podem

recristalizar e sofrer transformações, durante a soldagem, que reduzam seu limite

de escoamento.

Para concreto protendido, a NBR 7482 designa os aços CP-xxx, onde os

algarismos indicam o limite de ruptura em kgl/ mm2, havendo 3 classes:

A - laminado a quente, B - encruado e C – temperado. Novamente devem-se

observar os possíveis efeitos negativos da soldagem nas classes B e C.

É sempre recomendável, entretanto, quando se deseja soldar vergalhões, obter a

composição química do material, para verificar sua soldabilidade.

205

5.2.2 CHAPAS E PERFIS ESTRUTURAIS

Chapas e perfis são, em geral, fornecidos pelas grandes siderúrgicas, ou

fabricados (no caso de perfis dobrados ou soldados) a partir de materiais desta

procedência. Perfis são especificados de acordo com as normas NBR 7007 (aços

para perfis laminados...), NBR 6109 (cantoneiras de abas iguais) e NBR 6352

(cantoneiras de abas desiguais), entre outras. No caso de perfis e chapas

laminados, as grandes siderúrgicas os fornecem de diversas resistências. É

importante ter-se em mente que a plasticidade para conformação a frio é uma

propriedade que merece cuidados especiais. Sempre que se desejar aço

estrutural para posteriores dobramentos, é conveniente contactar o fornecedor,

verificando especialmente a adequação do material à operação desejada. É

importante especificar também o sentido do dobramento – longitudinal ou

transversal – de vez que a anisotropia destes materiais é bastante elevada, em

decorrência do próprio processo de elaboração. É conveniente, em casos de

dúvida, conduzir-se testes. No caso de perfis fabricados (soldados ou dobrados), é necessário certificar-se da

capacidade do fornecedor de produzir soldas como nível de qualidade desejado,

seus métodos de inspeção, etc. Novamente, neste caso, é necessário que o

projetista mantenha alerta seu bom senso. Em aplicações de pouca importância,

onde o custo é o fator dominante, não há sentido em se exigir inspeção das

soldas, por exemplo.

206

5.3 AÇOS DE ALTA RESISTÊNCIA E BAIXA LIGA (ARBL)

A classificação de aços como de “Alta Resistência e Baixa Liga’’ é bastante

genérica e, freqüentemente, conduz a mal entendidos”.

Há uma superposição natural entre o conceito de aços ARBL e classificações

baseadas no emprego, isto é, aços ARBL são empregados como aços estruturais,

aços para embutimento, aços para tubulações, vasos de pressão, etc.

Além disto, alguns destes aços têm sido agrupados em famílias em função de

alguma característica comum, como: aços bifásicos (dual-phase), aços de perlita-

reduzida (reduced-pearIite), aços laminados controladamente, aços “spray-

quenched”, etc.

Evidentemente, todas as classificações ou agrupamentos são válidos ou úteis

dentro de determinadas condições; é importante, entretanto, não se deixar

confundir pelas diversas nomenclaturas, pois assim como o próprio “nome” dado

ao aço, elas não podem alterar suas propriedades e características. Estas

decorrem, fundamentalmente, de sua composição química, processamento e,

conseqüentemente, estrutura (macro e micro), e não dependem da “etiqueta” que

se coloca no produto.

As últimas décadas viram grandes desenvolvimentos na tecnologia dos aços

ARBL (ou HSLA, em inglês). Estes desenvolvimentos foram baseados, em sua

maioria, na compreensão da correlação entre propriedades e microestrutura.

Historicamente, pontos notáveis da evolução destes aços, segundo Pickering,

são:

Inicialmente, o projeto de estruturas era baseado no limite de ruptura e o carbono

era o principal elemento de liga. Apesar do baixo custo, tenacidade e

soldabilidade eram baixas.

O advento da soldagem exigiu a redução do teor de carbono. Para manter a

resistência, o teor de manganês foi aumentado.

Falhas catastróficas de estruturas soldadas levaram ao reconhecimento da

importância do controle da tenacidade. Ao mesmo tempo, os critérios de projeto

passaram a dar mais importância ao limite de escoamento. O teor de C foi

reduzido ainda mais, mantendo-se o teor de Mn elevado. A importância do

207

tamanho de grão na resistência e tenacidade foi reconhecida.

Aços de grão-fino (com adições de AlN, por exemplo) foram desenvolvidos. A

vantagem associada a estas adições é obtida na condição normalizada. Limites

de escoamento da ordem de 300 MPa e temperaturas de transição abaixo de 0ºC

foram obtidos.

Aumentos adicionais do limite de escoamento passaram a ser obtido nos aços de

grão fino, através de endurecimento por precipitação (Carbonetos de vanádio,

nióbio e titânio).

Posteriormente, o reconhecimento da importância do tamanho de grão na

resistência e na tenacidade levou à pesquisa de meios de se obter grãos cada

vez mais finos.

Um processo que permita obter, durante a laminação, austenita de grão fino e,

eventualmente, encruada, favorece, naturalmente, a nucleação de ferrita no

resfriamento e resulta em microestruturas de grão extremamente fino.

Para se atingir estas condições, tratamentos termomecânicos em que

deformações significativas são realizadas a temperaturas inferiores à temperatura

de recristalização do material, são necessários.

Devido à baixa temperatura de recristalização dos aços C-Mn, para estes aços

isto só e possível com laminadores de alta potência. Uma alternativa é o uso de

elementos microligantes, como o Nb que, dissolvidos na austenita ou precipitados

como carbonitretos, aumentam a temperatura de recristalização, e retardam o

crescimento do grão austenítico.

Tais tratamentos termomecânicos permitem o aproveitamento máximo dos

elementos de liga/ microliga e, corretamente empregados conduzem a excelentes

combinações de propriedades mecânicas e termológicas. Aços assim produzidos

vêm sendo extensivamente utilizados em diversas aplicações, como tubulações

(oleodutos, gasodutos) construção naval, vasos de pressão, etc.

É evidente que esta evolução metalúrgica dos aços estruturais ocorreu e vem

ocorrendo visando a atender os requisitos descritos anteriormente.

Assim, algumas condicionantes importantes dessa evolução são:

_ Procura de mecanismos capazes de conduzir a maior refino de grão uma vez

que isto conduz, simultaneamente, a aumento da tenacidade e do limite de

escoamento.

208

Melhoria da soldabilidade, através de redução do carbono equivalente (que

expressa, de forma simplificada a tendência à formação de martensita e,

conseqüentemente, possibilidade de trincas a frio) e controle da evolução da

microestrutura da zona afetada pelo calor, através, por exemplo, do controle

judicioso do teor de microligas e do carbono e nitrogênio presentes, capazes de

reprecipitar na ZAC (zona afetada pelo calor), reduzindo sua tenacidade.

Melhoria da tenacidade, de forma geral, e formabilidade, bem como busca da

isotropia da dutilidade. O controle da quantidade e forma das inclusões não-

metálicas é fundamental neste aspecto. O complexo balanço entre estas várias propriedades e o desejo crescente de

aproveitá-las ao máximo, assim como a variedade de modos de atingi-las (do

ponto de vista metalúrgico), recomenda que cada aplicação crítica seja discutida

antecipadamente com o fabricante do aço, que deve poder aconselhar sobre as

melhores condições de emprego e processamento de cada aço.

A conveniência de testes preliminares de qualificação/ homologação deve ser

aqui ressaltada, especialmente quando se considera propriedades relativamente

subjetivas como soldabilidade e/ ou formabilidade.

5.4 AÇOS PARA EMBUTIMENTO E ESTAMPAGEM

Estas operações de conformação a frio podem variar grandemente em

severidade, desde um dobramento com raio várias vezes superior à espessura da

Figura 5.1 - a) Efeito do tamanho de grão no limite de escoamento/ limite de ruptura de aços ARBL laminados a quente.

b) Efeito do tamanho de grão na temperatura FATT (50% fratura dútil) de aços ARBL laminados a quente.

209

chapa até embutimentos complexos, com repuxamentos severos, como no caso

de diversas peças de carrocerias de automóveis. Além disto, dependendo do

acabamento desejado na peça, estrias e outros defeitos superficiais podem não

ser aceitáveis. Associa-se a estas operações graus de severidade, enquanto as

siderúrgicas fornecem chapas em grupos de diferentes resistências ao

embutimento. Apesar de diversos testes terem sidos desenvolvidos para

determinar o grau de estampabilidade aceitável pelo material (ex.: Testes de

Copo: Olsen, Erichsen), é bastante difícil correlacionar a severidade do teste com

a severidade da operação. Em geral, a seleção pode ser baseada na experiência

do projetista, seguida de testes visando determinar o material de custo mínimo

capaz de aceitar a deformação do processo.

Adicionalmente, o desenvolvimento de conceitos como o Diagrama Limite de

Conformação vem permitindo uma análise mais sistemática destas operações e

uma melhor caracterização do comportamento do material.

Para uma análise detalhada da aplicação deste diagrama, bem como dos fatores

que influenciam a seleção de aços para estas aplicações veja a referência.

210

XX

Família

XX

Teor de CEm centésimos de porcento (0,01%)

XX

Família

XX

Teor de CEm centésimos de porcento (0,01%)

5.5 AÇOS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA

Enquanto aços estruturais são normalmente fornecidos para atender a requisitos

mecânicos (com alguns limites de composição química com vistas a

soldabilidade, por exemplo), aços para construção mecânica são usualmente

fornecidos para atender faixas de composição química.

5.5.1 O SISTEMA ABNT

O sistema de classificação de aços empregado pela ABNT (NBR 6006) é

basicamente o mesmo usado pelo AISI (American Iron and Steel Institute) e pela

SAE (Society of Automotive Engineers). Nestes sistemas, os aços são divididos

em grupos principais e, dentro destes grupos, em famílias de características

semelhantes. Estas famílias são designadas por conjuntos de algarismos, em

geral, da seguinte forma:

211

Assim, um aço 4340, é um aço da família 43, isto é, com 1,8%Ni, 0.80%Cr,

0,25%Mo e com 40 centésimos de porcento de C, Isto é, 0,40%C.

Além dos algarismos, são empregadas letras na classificação, principalmente “H”,

após os algarismos, que indica temperabilidade assegurada e “B” entre os dois

grupos de dois algarismos que indica a presença de boro, para aumento da

temperabilidade. Por exemplo, um aço 8620H é um aço com resposta ao

tratamento térmico mais consistente que o 8620, sendo que suas propriedades se

situam na parte superior da faixa de dureza do 8620. Do mesmo modo, o aço

10B46, é essencialmente um aço 1046 (aço carbono com 0,46% C) ao qual

adiciona-se um mínimo de 5ppm de boro, que melhora a temperabilidade. Nos

casos dos aços inoxidáveis e aços-ferramenta, os algarismos finais não

representam o teor de carbono. Para aços inoxidáveis (NBR 5601) da série 3xx, a

letra L após os algarismos indica carbono extrabaixo, com melhores

características de resistência à corrosão.

aços que são, comercialmente, mais comuns, como por exemplo: 8620, 8640,

4140, 4340, 1045, 3310, 9315, 52100, 304, 410, 420. É claro que, ao projetar uma

peça que requererá pequena quantidade de aço e será fabricada com pouca

freqüência, deve ser dada preferência a um dos aços comercialmente mais

comuns, pois são estes aços que se encontram, em geral, em estoque no

produtor. Assim, as chances de se obter o material em curto prazo, por preço

razoável, aumentarão bastante. Por outro lado, na especificação de um aço para

peças a serem produzidas em série, em grandes quantidades, é conveniente

selecionar o material realmente necessário, evitando excessos (especificar aços

com teores de elementos de liga superiores aos necessários, por exemplo) que,

certamente, aumentarão os custos da produção seriada.

A partir de 1975, num esforço para estabelecer um sistema único para a

designação de metais e ligas, a ASTM e a SAE passaram a publicar o UNS

(Unified Numbering System).

Neste sistema (ASTM E 527), um prefixo de uma letra é seguido por cinco

algarismos. A letra da uma indicação da família do metal ou liga indicado e os

algarismos identificam a liga especifica.

Para os aços normalizados pela SAE, o UNS tentou manter o mesmo código

212

numérico.

Figura 5.2 - Grupos principais de aços.

213

Figura 5.3 - Classificação ABNT.

5.5.2 SELEÇÃO BASEADA NA TEMPERABILIDADE

Ao selecionarem-se aços para determinada aplicação, raramente todas as

propriedades terão a mesma importância. O problema consiste em determinar

quais propriedades são importantes e, em seguida, selecionar material que tenha

tais propriedades a menor custo. Para determinação das propriedades

necessárias usam-se os cálculos – baseados na resistência de materiais, as

experiências anteriores com peças semelhantes, e os testes práticos dos

conjuntos.

Quando a resistência ou a combinação de resistência e tenacidade exigidas em

uma peça não podem ser atingidas pelos aços como forjados, recozidos ou

normalizados, emprega-se, como visto anteriormente, a têmpera e o revenimento.

Da mesma forma, peças que poderiam ser produzidas em aços simplesmente

normalizados, podem se tornar mais leves (devido ao aumento de resistência)

empregando-se aços temperados e revenidos.

214

Na seleção de aços para tratamento térmico, a propriedade mais importante é a

temperabilidade. Não se deve confundir temperabilidade com dureza máxima na

têmpera, que é função do teor de carbono. Além disto, no projeto de peças

temperadas, emprega-se a dureza como indicador da resistência mecânica. A

dureza só é necessária, como propriedade, nos casos em que o fator mais

importante no projeto é a resistência ao desgaste. Neste caso, devem-se escolher

aços tratados de modo a atingir 100% de martensita na superfície e a maior

dureza possível. É importante lembrar que, numa peça, o centro e a periferia

esfriarão a velocidades diferentes, apresentando propriedades diferentes. A

medida da temperabilidade é feita através de ensaios tecnológicos, dentre os

quais o mais empregado é o ensaio Jominy (ASTM A255).

Figura 5.4 - Relação entre o limite de ruptura e dureza Brinell (HB) para aço nas

condições: temperado e revenido, normalizado ou como laminado.

215

Figura 5.5 - Arranjo para a realização do ensaio Jominy, conforme ASTM A255. (As condições de austenitização do cp, bem como o tempo de transferência do

forno até o suporte e a altura do jato de água (livre) a partir do orifício são padronizados pela norma).

Para relacionar os resultados destes ensaios com aplicações práticas, certas

correlações devem ser feitas, levando em conta a severidade do meio de têmpera

e a seção transversal da peça a ser temperada. Na tabela 5.6 são apresentados

os valores do fator de severidade de têmpera, a ser empregado em conjunto com

as Figuras 5.4 a 5.11, para o ensaio Jominy.

Com estes dados, levantados a partir de cálculos de transmissão de calor e

verificações experimentais, é possível correlacionar determinada posição em uma

barra com o ponto no corpo-de-prova Jominy que terá resfriamento equivalente ou

a mesma estrutura.

Para barras quadradas ou hexagonais (exceto em aplicações extremamente

críticas) as Figuras 5.7 a 5.11 podem ser usadas. Para placa de relação largura/

espessura até 4/1 estas figuras podem ser empregadas, considerando o diâmetro

equivalente como 1,4-1,5 vez a menor dimensão da seção.

Placas resfriam consideravelmente mais devagar e a Fig. 5.12 deve ser usada.

Para outras geometrias, correlações como as da norma SEW 550 (Stahl - Eisen

Werkstoffblart, VDEh) podem ser empregadas.

216

Tabela 5.6 - Severidade de têmpera (H) para diversos meios.

Figura 5.7 - Correspondência Jominy - Centro de barras temperadas.

217

Figura 5.8 - Correspondência Jominy - 30% do raio.

Exemplo 1: Qual à distância Jominy equivalente ao centro de uma barra redonda,

com diâmetro de 2’’ temperada em águas sem agitação (isto é, qual ponto do

corpo de prova Jominy tem uma curva de resfriamento equivalente ao centro da

barra citada?)

Solução:

Severidade de Têmpera H = 1

H = 1 e Ø = 2'’, na Figura 5.7, temos 15/32'' para distância da extremidade

temperada.

Como os pontos no ensaio Jominy são espaçados de 1/16”, a resposta é entre

7/16” e 8/16”.

218


Assim, se desejarmos uma determinada estrutura (ou dureza) no centro de uma

barra Ø 2", após tempera em água, devemos procurar um aço que atinja esta

dureza (estrutura) no ensaio Jominy, a 15/32” de extremidade resfriada. É claro,

portanto, que se desejarmos selecionar aços utilizando este sistema, precisamos

dispor de levantamentos de curvas Jominy para a maior quantidade possível de

aços.

219


Como exposto anteriormente, a menos que a peça vá trabalhar em condições em

que a resistência ao desgaste é fundamental, a dureza interessa ao projetista

indiretamente, isto é, para estimar a resistência da peça. Vimos anteriormente que

a dureza da martensita é função do teor de carbono. É possível, portanto, se obter

a mesma dureza em dois aços de teor de carbono diferentes. Apresentando o

problema de outra forma, dois aços de teor de carbono diferentes, temperados

para atingir a mesma quantidade de martensita na estrutura, apresentarão

durezas diferentes.

220

Figura 5.11- Correspondência Jominy - 90% do raio.

É claro que a porcentagem de martensita a ser atingida a uma determinada

profundidade na peça, está intimamente ligada a temperabilidade, de modo que,

quanto mais alta, tanto maior será a temperabilidade necessária.

A porcentagem de martensita necessária em determinada peça depende

fundamentalmente da aplicação. A SAE recomenda, para peças sujeitas a altas

solicitações e a flexão, que a estrutura de têmpera produza 90% ou mais

(considerado têmpera total) de martensita a 3/4 do raio de peça. Para garantir

isto, freqüentemente, a dureza a meio-raio é especificada. Por outro lado, peças

com solicitações de flexão moderadas podem ter 80% de martensita a 3/4 do raio.

221

Figura 5.12- Correspondência Jominy - Chapas temperadas em água.

Em peças sujeitas à tração, compressão ou cisalhamento, em que toda a seção é

solicitada uniformemente, em caso de dúvidas, devem-se garantir as

propriedades no centro da peça. Assim, garante-se a resistência total da seção.

Um erro muito comum em peças sujeitas à tração, é o projetista especificar, na

superfície, dureza correspondente à resistência desejada para a seção. Como em

função da temperabilidade, a dureza em direção ao centro decrescerá, a

resistência média da peça ficara abaixo da necessária.

No caso de peças em que a resistência à fadiga é fundamental, prefere-se uma

estrutura martensítica, por ser uma estrutura de melhor resistência ao ciclamento.

5.5.3 TEOR DE CARBONO DO AÇO

A figura abaixo apresenta, para diferentes porcentagens de martensita na

estrutura, a dureza após a têmpera em função do teor de carbono do aço.

Como se vê, há necessidade de se definir o teor de carbono desejado, de vez

que, acima de um determinado valor, variando-se o revenimento, pode-se atingir

a dureza desejada.

222

Figura 5.13- Dureza atingida pelo aço após têmpera, em função do teor de

carbono e percentagemo de martensita na estrutura. Quanto maior o teor de carbono, tanto maior será a distorção na têmpera. Além

disto, o aumento do teor de carbono, em geral compromete a usinabilidade. Por

isto, em geral, a maior parte das peças empregadas em construção mecânica tem

carbono 0,50%. A regra prática a empregar na seleção é que o carbono não deve

ser superior ao necessário para garantir a dureza pretendida na têmpera.

5.5.4 REVENIMENTO

As curvas Jominy fornecem valores de dureza do material como temperado. Foi

visto anteriormente que as estruturas martensíticas necessitam revenimento para

atingir valores adequados de ductilidade e resistência ao impacto, além de

necessitarem de alívio das tensões de têmpera. É necessário, então, que haja

previsão para a queda da dureza associada ao revenimento. A Fig. 5.14

apresenta a dureza recomendada pelo SAE war Engineering Board no material

como temperado, para se atingir determinada dureza após o revenimento.

223

Figura 5.14- Dureza mínima recomendada após a têmpera para se atingir

determinada dureza após o revenimento.

5.5.5 AÇOS LIGADOS X AÇOS CARBONO

Quando temperados para se obter martensita ( ≥90%) e revenidos para a mesma

dureza, todos os aços - carbono ou ligados – tem a mesma resistência à tração. É

claro que, em uma peça, a resistência será controlada pela profundidade de zona

temperada - aí estando a maior diferença entre aços ligados e ao carbono: a

temperabilidade é superior nos aços ligados. Entre os aços ligados, é válido se

assumir, para fins práticos, que todas as composições, quando temperadas para

a mesma dureza, têm também as mesmas propriedades de tração. De modo

geral, a seleção, entre os aços ligados, será definida, portanto pela

temperabilidade x custo.

A relação entre redução de área e resistência a tração não é a mesma para aços

ligados e ao carbono (Fig 5.15). Os aços ligados apresentam redução de área

superior, para a mesma dureza (resistência), especialmente faixas de resistência

mais elevadas.

Por outro lado, os aços ligados apresentam maior resistência ao amolecimento

pelo revenimento, de forma que, para se atingir uma mesma dureza final, devem

ser revenidos a temperaturas superiores àquelas requeridas pelos aços carbono,

obtendo-se, portanto, melhor alívio de tensões.

224

Figura 5.15- Redução de área em função do limite de ruptura para aços carbono e aços ligados.

Com relação a usinabilidade, os aços carbono apresentam melhores

características em empregos até 300HB; acima deste valor, os aços ligados são

de mais fácil usinagem. Dentre os aços ligados, os que contêm níquel e

molibdênio são os mais usináveis.

5.5.6 EXEMPLOS DE SELEÇÃO POR TEMPERABILIDADE

O melhor modo de se compreender corretamente o emprego dos gráficos e

tabelas utilizados na seleção de aços para construção mecânica é através de

exemplos:

Exemplo 1: Selecionar um aço para eixo de 57mm de diâmetro (2 ¼ ‘’) submetido

a uma carga axial estática que provoca uma tensão de projeto de 1500MPa (já

incluído fator de segurança). Considerar que a peça deve ter pouco empeno no

tratamento térmico.

Um eixo solicitado à tração deve ter resistência garantida em toda a seção.

Portanto, devemos garantir a resistência de 1500 MPa no centro do eixo. Pela

Fig. 5.2 temos a dureza correspondente, na peça pronta, de 440 HB ou 46Rc (ver

tabela de conversão de dureza). A Fig 5.14 indica uma dureza mínima de 53Rc

após a têmpera para se atingir 45Rc após o revenimento.

Considerando-se que esta solicitação é razoavelmente elevada e assumindo-se

225

que se trata de uma peça de responsabilidade, é desejável termos 90% de

martensita no centro. A Fig 5.13 dá um teor de carbono necessário de

aproximadamente 0,45%.

Apesar da peça ser de forma simples, sua dimensão já é algo elevada de modo

que um meio de têmpera não muito drástico e recomendável. Neste exemplo, escolheremos óleo agitado para a têmpera, com severidade H= 0.5.

Consultando-se a Fig. 5.7, para 2 1/4'' e H = 0,5; temos a distância Jominy

equivalente ao centro do eixo de 23/32” (isto é, 11,5x1/ 16’’).

Devemos agora empregar as curvas Jominy. Necessitamos de um aço com

dureza mínima de 53 Rc no ponto 11,5 x 1/ 16''. (É recomendável empregar-se o

mínimo da faixa para garantir que serão obtidas as propriedades, mesmo com as

oscilações permissíveis de composição, tamanho de grão, etc.).

No caso dos .aços ABNT fabricados para atender limites de composição, pode-se

antecipar uma dispersão maior na temperabilidade. Entretanto pesquisas

mostram que mais de 90% das barras produzidas para atender limites de

composição, atendem também as exigências de temperabilidade.

Para escolher-se entre os 4 aços possíveis, acima, devemos levar em conta os

fatores custo e disponibilidade. Assim, enquanto o 4340 é um aço que pode ser

encontrado sempre em estoque, o 4150 será possivelmente de custo inferior, por

não conter níquel. Selecionado o 4340, por exemplo, precisamos de um critério

para determinar se o tratamento térmico foi executado corretamente, para

controle de produção. O controle usual empregado para tratamento térmico é a

dureza na superfície. Assim, para Ø = 2 1/4'' e H= 0.5, a Fig. 5.11 nos fornece

7/16" para a distância Jominy correspondente a posição 90% do raio.

226

Figura 5.16- Efeito da temperatura de revenido sobre a dureza. Aços em geral.

Na curva Jominy do 4340 temos a faixa de dureza da superfície, após têmpera de

53 a 60Rc correspondendo à dureza de 53Rc no centro do eixo. Assim, o

tratamento térmico indicado será:

Austenitização a 8400C, têmpera em óleo agitado, e revenimento a 4500

(Fig.5.16). Este revenimento deve ser ajustado até obter-se a dureza desejada.

Exemplo 2: Um eixo de Ø= 44.45mm (13/4") e 1050 mm de comprimento é

necessário em uma máquina. A análise dos esforços indica que os esforços

máximos de torção serão de 180MPa e os de flexão serão de 560MPa. Sem levar

em conta a fadiga, verifique se o aço 4140 H, disponível em estoque, pode ser

empregado neste caso.

Como o esforço de torção é bastante inferior ao de flexão neste caso, podemos

basear a análise nos esforços de flexão. Como o eixo estará principalmente

solicitado à flexão e a solicitação não é muito elevada, 80% de martensita a 3/4

do raio deve ser suficiente. Como o teor de carbono mínimo do 4140 H é 0.37%

verificamos na Fig. 5.13 a dureza obtida com 80% martensita: 45Rc.

Para se obter uma resistência de 1112MPa (coef. de segurança = 2),

necessitamos aproximadamente 325 HB ou 36Rc após o revenimento (Fig 5.2).

Pela Fig. 5.14, verifica-se que 45Rc após a têmpera é suficiente para se atingir

36Rc após o revenimento. Resta agora verificar se, um meio de têmpera pouco

drástico (ex.: óleo agitado, para evitar empeno do eixo), o aço 4140 H atingirá os

45Rc a 3/4 do raio do eixo.

227

Pela curva Jominy vemos que, para distâncias inferiores a 9/10" da extremidade

resfriada, o 4140 H produzirá sempre durezas superiores a 45Rc.

Na figura 5.10 verificamos que a 9/16", com H = 0.5, corresponde um diâmetro de

21/4''. Logo, eixo de aço 4140H, com Ø 13/4”, temperado em óleo agitado, atingirá

facilmente a resistência desejada.

Nota: no caso de ser prevista usinagem posterior ao tratamento térmico, é

importante levarem conta à espessura da camada retirada.

No projeto de peças sujeitas a fadiga, devem-se corrigir os valores de resistência

calculados.

Determinado o limite de fadiga da peça, pode-se proceder à seleção como visto

acima, observando os seguintes aspectos;

- Estruturas de mais de 90% de martensita apresentam os melhores resultados

quanto à fadiga.

- Aços com menor quantidade e melhor distribuição de inclusões (ex: Aços

Isotenax, refundidos em ESR) apresentam resistência mais elevada à fadiga.

- A têmpera drástica, que pode introduzir microfissuras, deve ser evitada.

- A descarbonetação superficial pode reduzir em mais de 25% a resistência à

fadiga.

Como ordem de grandeza, para aços com HB < ou = a 400, o limite de resistência

à fadiga situa-se, aproximadamente, em 50% da resistência à tração, no ensaio

de flexão rotativa. Com o aumento da dureza, esta relação deixa de ser válida -

quanto maior a dureza tanto mais baixa - relativamente - a resistência à fadiga.

Tratamentos de endurecimento superficial são, em geral, benéficos para a

resistência à fadiga. A nitretação é muito vantajosa no caso de engrenagens, por

atingir a raiz dos dentes, onde a concentração de tensões é mais elevada.

228

5.5.7 AÇOS DE ULTRA-AITA RESISTÊNCIA

O desenvolvimento da indústria aeronáutica e aeroespacial criou a demanda para

aços de ultra-alta resistência, com tensão de escoamento superior a 1400MPa,

tenacidade, resistência à fadiga e soldabilidade aceitável (especialmente para

envoltórios de foguetes e mísseis).

Estes aços são empregados na indústria aeroespacial em fixadores de alta

resistência, carcaças de motores e mísseis, estruturas de trens de aterissagem,

etc., onde a relação resistência/ peso é fundamental na seleção.

A resistência mecânica de aços martensíticos depende fundamentalmente do teor

de carbono. Em função das propriedades desejadas (tenacidade, soldabilidade,

etc.), entretanto, o carbono deve ser mantido o mais baixo possível.

Pode-se atingir ultra-alta resistência com:

Revenimento a temperaturas baixas até (3500C).

Aços que apresentam endurecimento secundário.

Aços para construção mecânica revenidos abaixo de 2500C têm ductilidade muito

baixa, em função do revenimento insuficiente da martensita.

A faixa ideal de revenimento para as propriedades desejadas de aços com ultra-

alta resistência de 0.3-0.4%C é entre 250-3000C, uma vez que acima de 3500C,

aproximadamente, os valores de resistência não satisfazem mais os requisitos

para esta classificação.

O revenimento entre 250-3000C conduz, entretanto, a uma queda na tenacidade,

medida em ensaio de impacto. As explicações presentemente aceitas para este

fenômeno se baseiam na cinética das transformações que ocorrem no

revenimento ou se amparam na possível influência negativa de elementos

residuais (P, Sn,etc.).

A partir destas teorias, observou-se o efeito benéfico do Si e Co na alteração da

cinética do revenimento assim como foi qualificado o efeito dos demais elementos

neste fenômeno.

229

Desta forma, aços de ultra-alta resistência foram desenvolvidos, como:

- SAE 4330 ou 4340 modificados com até 1,5% Si (300M,por exemplo).

- SAE 4137 + Co

- etc.

Evidentemente, os teores de P, S e outros residuais devem ser mantidos

extremamente baixos, assim como as inclusões não-metálicas devem ser

controladas, se resultados de fadiga satisfatórios são desejados.

Assim, processos de refusão são essenciais para a produção destes aços em

condições satisfatórias.

O uso de aços que apresentam endurecimento secundário, para fins estruturais, é

discutido no item mais à frente.

5.6 AÇOS PARA CARBONETAÇÃO

Os aços para carbonetação são de baixo teor de carbono, comuns ou ligados.

Como visto anteriormente, a introdução de carbono na superfície visa produzir,

após a têmpera, uma superfície de alta dureza e resistência, suportada por um

núcleo tenaz. Peças que tipicamente requerem esta combinação de propriedades

são: engrenagens em geral, sem-fins, pinos de pistões, eixos de comando de

válvulas, eixos de bombas e outros.

Os aços ao carbono para carbonetação têm carbono normalmente de 0.08% a

0.25% sendo o 1020 o mais comum. Atingem até aproximadamente 700MPa de

resistência no núcleo. São empregados para pequenas engrenagens para

trabalhos leves, pequenos mecanismos, pinos, etc., em que a resistência ao

desgaste é a característica mais importante. Quando o empeno não for fator

crítico, podem ser usados para peças de até 50mm de diâmetro, temperados em

água. Os aços carbono, quando carbonetados, exigem, em geral, têmpera em

água, exceto quando em pequenas dimensões.

Os aços de baixos teores de elementos de liga - séries 31xx, 41xx, 46xx, 51xx,

61xx, 86xx, 87xx e 94xx - possuem temperabilidade suficiente para serem em

óleo, adquirindo, no centro, resistência superior a 1000MPa, mantendo bons

valores de ductilidade.

230

5.7 AÇOS PARA MOLAS

Molas de pequenas dimensões são, normalmente, enroladas a frio e tratadas

posteriormente. Nestes casos os aços recomendados são: 1050, 1065, 1080,

1090, 1095, 6150 e 9254.

Molas que devem ser conformadas a quente e depois tratadas são, geralmente

fabricadas com os seguintes aços: 1070, 1080, 1095, 5150, 5160, 51B60H,

6150H, 9850.

As durezas de molas temperadas situam, após revenimento, normalmente, entre

40-48 Rc, sendo os valores superiores da faixa para aços ligados e os inferiores

para aços ao carbono.

Molas helicoidais para suspensão de veículos de passeio têm sido produzidas no

Japão com o aço 9254, principalmente.

Molas de válvulas de motores a combustão interna empregam, no Japão, o

mesmo aço, enquanto, nos E.U.A. a preferência recai sobre 6150.

Exemplos de Aplicações Industriais

Exemplos típicos de aplicações industriais podem ser encontrados nas

referências relacionadas no fim do capítulo, e nas Tabelas 5.1 – 5.4.

Tabela 5.1 - Propriedades exigidas por peças de automóveis, caminhões e tratores.

231

Tabela 5.2 - a) Na profundidade indicada na coluna seguinte. b) No diâmetro do círculo primitivo.

Continua na página seguinte.

Tabela 5.3 - a) Na profundidade indicada na coluna seguinte. b) No diâmetro do

círculo primitivo. Recomendações para a temperabilidade na seleção de peças de automóveis.

232

Tabela 5.4 - Tratamentos: A - Qualquer dos dois tratamentos seguintes:

1- Carbonetação e têmpera direta em óleo, revenimento entre 135-190ºC. 2- Carbonetação, resfriamento lento, e aquecimento a 790-845ºC, têmpera em olé e revenimento entre 135-190ºC. Menor distorção.

B – Aquecido à temperatura de têmpera num banho cianetante (para obter camada pouco profunda), têmpera em óleo e revenimento entre 180-230ºC. C – Têmpera em óleo e revenimento. D – Normalizado e têmpera superficial por chama.

5.8 AÇOS PARA FERRAMENTAS

5.8.1 CLASSIFICAÇÃO

Uma definição exata de aço ferramenta, satisfatória tanto para o usuário como

para o produtor, é praticamente impossível. Enquanto, para o leigo, qualquer aço

utilizado para fabricar uma ferramenta é um aço-ferramenta, grande quantidade

de aços considerados aços-ferramenta pelos produtores são vendidos para

aplicações diversas, que não a de fabricar ferramentas.

É importante dividir as numerosas composições de aços-ferramenta em um

número restrito de grupos ou famílias, visando facilitar sua comparação e seleção.

Classificá-los por meio de composição química, como no caso da classificação

SAE/ ABNT, para aços destinados à construção mecânica, vista anteriormente,

não é viável, de vez que as variações de composição química são extremamente

amplas, mesmo em aços para aplicações semelhantes. Por outro lado, alguns dos

233

aços mais ligados podem sofrer mudanças radicais de composição substituição

de determinado elemento de liga por outro sem que suas propriedades e

características de emprego se alterem substancialmente.

Uma classificação baseada apenas no emprego, por outro lado, seria plausível

para alguns casos, porém impossível para outros. Isto porque, para determinadas

aplicações, como aços para manchos, por exemplo, são usados desde aços-

carbono até aços rápidos.

A tabela 5.5 apresenta a classificação AISI para aços-ferramenta.

Tabela 5.5 - Classificação AISI Aços-Ferramenta.

A princípio, uma classificação que misture composição química, características de

emprego e tipo de tratamento térmico pode parecer pouco lógica.

Entretanto, esta classificação não foi imposta; decorreu do consenso entre

produtores e usuários de ferramentas, o que leva a crer que possa ser a solução

mais prática para o problema.

Além dos aços especificados segundo AISI, há, obviamente, diversas outras

especificações como, por exemplo, as normas DIN (Alemã).

Em diversos casos, resultados superiores podem ser obtidos com aços-

ferramenta não usuais na classificação AISI. O engenheiro interessado em

aplicações de aços-ferramenta deve consultar o produtor, pois, em geral, este

desenvolve diversas composições e tipos de aços para aplicações usuais de

determinados clientes e pode cooperar bastante na solução dos problemas de

especificação e seleção.

234

5.8.2 SELEÇÃO

Idealmente, a seleção de um determinado aço para uma operação deveria ser

feita correlacionando-se as características metalúrgicas do aço com as exigências

da ferramenta. Em geral, diversos aços poderão ser selecionados para uma certa

aplicação. A vida da ferramenta em cada caso deve ser julgada juntamente com

os fatores: produtividade, facilidade de fabricação da matriz e custo. O critério

final da seleção será, obviamente, o custo de ferramenta por unidade por ela

produzida.

5.8.3 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DAS FAMÍLIAS AISI

Série W - Aços Temperáveis em Água São basicamente aços ao carbono, com teores deste elemento na faixa de 0.60%

- 1.40%, com ou sem adições significantes de silício, Manganês, cromo e vanádio.

O silício está presente normalmente como desoxidante, pouco alterando as

propriedades se inferior a 0,5%. Com teores elevados de silício, e carbono acima

de 1%, pode ocorrer grafitização, que tem efeitos negativos sobre a

temperabilidade. O manganês é mais importante neste caso, na temperabilidade.

Acima de 0.40% de Mn, aumenta a tendência a trincas de têmpera (em água),

devido ao abaixamento da MS e ao aumento da profundidade de têmpera.

Enxofre e fósforo, apesar de não terem influência na temperabilidade devem ser

mantidos em baixos níveis (< 0.025%) para garantir ótimas propriedades de

forjabilidade, diminuir a quantidade de inclusões não metálicas, etc.

O vanádio visa à obtenção de granulação mais fina, melhorando a resistência ao

impacto.

Os tipos mais comuns são W1 e W2.

Sendo os aços da série W os mais simples aços-ferramenta, devem ser

considerados como base para comparações e seleção. Assim, seu emprego varia

em ampla faixa de matrizes e ferramentas. De modo geral, os teores de carbono

mais baixos favorecem a resistência ao choque, enquanto os mais altos

desenvolvem maior resistência ao desgaste, obviamente com menor resistência a

esforços bruscos. Em geral são os de mais baixo custo e, normalmente, pode-se

235

encontrar um aço ligado que, na aplicação, apresente vida mais longa. Uma

exceção importante é o caso de matrizes de formar cabeças a frio, onde, devido à

superfície dura e núcleo tenaz, os aços W são insuperáveis.

Séries - Aços Resistentes ao Choque Os aços de série S foram inicialmente desenvolvidos para emprego em molas.

Têm, por isso, alta resistência à fadiga e ao choque mecânico.

Para se atingir os elevados valores de tenacidade necessários, o teor de carbono

é mantido baixo - da ordem de 0.5% e a temperabilidade obtida por meio de

elementos de liga. A temperabilidade dos aços S é normalmente superior à dos

W.

Além da série S, são recomendados para aplicações onde à resistência ao

choque é fundamental os aços E2542 e E2550 (norma Eletrometal), derivados da

norma DIN. Em geral, a composição destes aços é ajustada de modo a torná-los

imunes à fragilidade do revenimento. A combinação de elevada tenacidade e alta

resistência dos aços da série S faz com que eles sejam considerados,

freqüentemente, para aplicações estruturais.

Aços para Fins Especiais

L - Tipos de Baixa Liga

Basicamente, este grupo é composto por aços de alto carbono com cromo como

principal elemento de liga. Para fins de classificação, podemos considerá-los

como aços W com quantidades moderadas de cromo, vanádio, níquel ou

molibdênio para aumentar a temperabilidade. O níquel adicionado ao L6 aumenta

a sua tenacidade. Os tipos mais comuns são L2 e L6. Aplicações usuais são:

calibres de precisão, tesouras, brocas para rochas, ferramentas para madeira,

brocas e empregos extraferramentas em rolamentos - roletes e cilindros, árvores

de ressaltos, etc., onde elevada tenacidade e boa resistência são necessárias.

F - Tipos Carbono-Tungstênio

Os aços de série F são usados geralmente quando é necessária extrema

resistência ao desgaste e a manutenção de gume cortante. Aplicações típicas são

trefilas e ferramentas para usinagem de rolos. Normalmente, apenas alguns aços

de série D e alguns aços rápidos superam a resistência ao desgaste dos aços da

série F, tendo, entretanto maiores resistências a choques do que estes. É

importante não confundir a série F da AISI, que tem alto carbono (1.20%) e

236

tungstênio.

Com os aços grau F de algumas normas ASTM (A182, p. ex.); que são de baixo

carbono.

P - Aços para Moldes

O rápido crescimento e a importância adquirida pela indústria de plásticos nos

anos recentes, causaram uma expansão considerável no número de aços para

moldes. O uso destes aços, entretanto, estende-se também à fundição em moldes

permanentes ou por injeção de chumbo, estanho e ligas de zinco.

Dentre as diversas propriedades requeridas de um aço para matrizes, podemos

citar: baixa dureza no estado recozido (para permitir a usinagem ou prensagem

da matriz), resistência ao desgaste, ao impacto, e resistência mecânica no núcleo.

Além disto, excelente capacidade de receber polimento é essencial. Como esta

capacidade está intimamente ligada à quantidade e tipo das inclusões presentes,

a limpeza interna do aço é fundamental. Aços refundidos pelo processo

Electroslag são especialmente recomendados, inclusive em função das

necessidades de homogeneidade nas grandes dimensões freqüentemente

encontradas em moldes para plásticos.

Os aços para moldes podem ser usados cementados ou simplesmente

temperados e revenidos. Os aços P2 a P6 são aços para cementação, enquanto

P20 e P21 são normalmente temperados e revenidos. Para moldes plásticos P20

pode ser cementado e tratado após a usinagem da cavidade do molde.

Os aços mais usuais desta família são: P1, P6, P20 e P20 ISOTENAX (refundido

por Electroslag).

5.8.3.1 Aços para Trabalho a Frio Os aços para trabalho a frio estão entre os mais importantes dentre os aços-

ferramenta devido à variedade de aplicações que encontram.

Suas propriedades mais importantes incluem:

1- Pequena distorção na têmpera.

2 - Alta temperabilidade com temperaturas de austenitização baixas.

3 - Ausência de trincas na têmpera de seções complicadas.

4 - Alta dureza após têmpera.

5 - Manutenção de gume afiado para corte.

Entretanto, não precisam apresentar dureza a quente.

237

As três primeiras propriedades permitem o emprego destes aços em ferramentas

complexas, que não podem ser usinadas após o tratamento térmico.

O - Temperáveis em Óleo

Os aços desta família têm teor de carbono elevado e elementos de liga em

quantidade suficiente para garantir têmpera completa em óleo, de peças de

dimensões médias.

Dentre os aços temperáveis em óleo, o O1 é o mais comum. Sua temperabilidade

é obtida, principalmente, pelo teor de manganês por volta de 1,2%. Além disto à

presença de cromo e tungstênio reduz a tendência ao crescimento de grão.

Os usos típicos dos aços O, são: machos, matrizes e punções, pequenas

tesouras, guilhotinas, calibres, brocas, matrizes de cunhagem, trefilas, moldes

para plásticos, etc.

A - Temperáveis ao Ar

Estes aços contêm elementos de liga em quantidade suficiente para garantir

têmpera completa em seções de até 100mm de diâmetro, resfriadas ao ar.

Nesta família o A2 é o mais largamente empregado. Seus competidores são os

aços de série O (especialmente O1) e os da série D (D2, D3 e D6,

principalmente).

A combinação única de propriedades dos aços da série A, torna-os especialmente

adequados por serviços onde boa resistência à abrasão deve ser conjugada com

excepcional resistência ao impacto além das propriedades básicas dos aços para

trabalho a frio. São largamente empregados em matrizes de corte, de

estampagem, punções, matrizes para laminação de roscas, matrizes de

embutimento, etc.

Devido às óbvias vantagens da têmpera ao ar estes aços têm encontrado cada

vez mais aplicações em substituição aos aços O.

Como a tenacidade é uma propriedade básica destes aços, e a refusão

Electroslag permite aumentá-la ainda mais, produzem-se ferramentas

excepcionais com A2 ISOTENAX.

D - Alto Cromo - Alto Carbono

Os aços de alto cromo - alto carbono foram inicialmente desenvolvidos, durante a

1ª. Guerra Mundial, para substituir aços rápidos. Não apresentaram bons

resultados porque seus valores de dureza a quente se mostraram insuficientes

238

para tal fim. Notou-se, entretanto, que a alta resistência ao desgaste obtida pela

presença de carbonetos duros cromo e a notável indeformabilidade destes aços

tornam-os extremamente úteis para aplicações em matrizes.

Como estes aços têm 1.50 – 2.20%C e 12%Cr são extremamente suscetíveis à

segregação durante a solidificação dos lingotes, resultando em estruturas de

carbonetos pouco favoráveis. Trabalhosas operações de forjamento podem ser

requeridas para modificar a distribuição destes carbonetos, tornando-a aceitável,

do ponto de vista do comportamento da ferramenta.

A refusão por Electroslag conduz à distribuição favorável de carbonetos, em

função da solidificação controlada. Forjados, os aços D ISOTENAX têm

desempenho superior aos materiais elaborados de forma convencional.

Os tipos mais comuns são: D2, D3, D4 e D6, sendo D2, D3 e D6 facilmente

obtidos na versão ISOTENAX.

Nestes aços, a resistência ao impacto é sacrificada em relação aos aços A com

aumento na resistência ao desgaste, entretanto.

Entre os tipos mais comuns, o D2 é o mais popular. Desejando-se vidas mais

longas de ferramenta, D3 e D6, com teores de carbono mais elevado, podem ser

usados. Apesar de serem um aço para trabalho a frio, o D2 é usado

freqüentemente em matrizes para rebarbagem de forjados.

Ferramentas de aços série D corretamente desenhadas e tratadas podem cortar,

a frio, chapas de até ~6mm.

Aplicações principais dos aços D são punções e matrizes de corte,

embutimento,etc., além das citadas para os aços A.

Como apresentam grandes carbonetos primários, os aços da série D podem ser

suscetíveis à fragilidade nos cantos das ferramentas.

Aços para Trabalho a Quente H - Aços para Trabalho a Quente

Em diversos casos podem-se utilizar aços de baixa liga para matrizes de

forjamento a quente. Em geral, entretanto, emprega-se para trabalho quente, aços

de média ou alta liga, na maior parte das vezes com baixos teores de carbono

(0.25-0.60%).

Para aplicações com solicitações muito elevadas ou quando se deseja vida da

239

matriz mais longa, superligas podem ser usadas.

São propriedades necessárias a aços para trabalho a quente:

1 - Resistência à deformação na temperatura de uso.

2 - Resistência ao impacto.

3 - Resistência à ''lavagem'' (Erosão).

4 - Resistência à deformação no tratamento térmico.

5 - Usinabilidade.

6 - Resistência a trincas a quente (Heat Cracking).

Dentre os três subgrupos da série H, são muito mais usuais e mais comerciais os

ligados com Cr, principalmente H11, H12 e HI3. Tais aços foram inicialmente

desenvolvidos para fundição sob pressão de alumínio, devido à resistência à

erosão do metal líquido, resistência às trincas a quente e médio custo.

Aplicações típicas dos aços H10 – H13 são: moldes para fundição, matrizes de

forjamento, ferramentas para extrusão a quente, tesouras e todo o tipo de

matrizes para trabalho a quente envolvendo choque.

Dentre os aços da norma DIN equivalentes à série H, estão os W, Nr. 1.2365,

1.2362, 1.2344, respectivamente E2365, E2362 e E2344, na Norma Eletrometal.

O E2365, por exemplo, é semelhante ao H10, porém com molibdênio e vanádio

mais altos, melhorando as propriedades a quente do aço.

Como a resistência ao impacto é fator preponderante na seleção de aços para

trabalho a quente (matrizes, ferramentas para extrusão, etc.), todos os aços desta

série são disponíveis em versão ISOTENAX.

Nos casos em que as solicitações à matriz não são tão elevadas e/ ou em que o

contacto peça-matriz é de curta duração causando menor aquecimento na

ferramenta, os aços E2713, E2714 e E2766 (DIN 1.2713, 1,2714 e 1.2766), com

teores de ligas algo inferiores aos aços H são opções interessantes,

principalmente pelo menor custo.

Os aços H11, H12 e H13, principalmente o primeiro, são também aplicados como

aços estruturais de ultra-alta resistência, especialmente na indústria aeronáutica.

O H11 tem limite de ruptura à temperatura ambiente na faixa de 1700-2000MPa,

tem tenacidade razoável, além de resistir ao amolecimento durante a exposição

continua a temperaturas de até 540ºC.

Um fator importante que permite esta combinação favorável de propriedades é o

240

endurecimento secundário apresentado por este aço.

Isto permite o revenimento a temperaturas elevadas, que garante alívio das

tensões de têmpera, importante para se atingir uma tenacidade adequada, com

níveis elevados de resistência.

Para estas aplicações estruturais críticas, onde limpeza interna, homogeneidade e

baixíssimo teor de gases dissolvidos são fundamentais, a refusão sob vácuo é

essencial.

241

Aços Rápidos Os aços rápidos são basicamente empregados na fabricação de ferramentas de

corte – normalmente quando se deseja corte a grande velocidade e com pesados

avanços.

Apesar das grandes diferenças em composição químicas encontradas entre os

diversos tipos de aços rápidos, suas características são basicamente as mesmas:

(a) contêm carbono suficiente para combinar-se com os elementos de liga,

produzindo carbonetos de elevada dureza e abrasividade em grande quantidade

(b) são austenitizados para têmpera à aproximadamente 75ºC da temperatura de

fusão (c) temperam completamente, apresentando dureza uniforme em seções de

até Ø 300mm (d) apresentam endurecimento secundário no revenimento entre

510ºC e 590ºC e (e) atinge praticamente a dureza máxima temperados em ar

parado.

Suas composições variam em amplas faixas atingindo níveis elevados dos

elementos de liga de mais alto custo: molibdênio, vanádio, tungstênio e cobalto.

Conseqüentemente, nota-se que os aços rápidos estão, normalmente entre os

mais caros existentes. Na aplicação correta, entretanto, seu preço é mais do que

compensado pela longa vida de ferramentas, redução das paradas para afiar e

aumento da produtividade.

De vez que as disponibilidades dos elementos de liga (e conseqüentemente seus

custos) são extremamente sensíveis a problemas políticos, embargos, guerras,

etc., o usuário de aço rápido deve se manter informado com relação aos custos

de aços de diversas famílias e, se possível, desenvolver opções alternativas para

casos de falta de material ou aumento excessivo de preço.

L - Aços Rápidos ao Tungstênio

O primeiro aço rápido, desenvolvido por Taylor em 1910, tinha a seguinte

composição: 18%W, 4%Cr e 1%V. Esta composição se manteve popular nos

E.U.A. até a 2ª. Guerra Mundial e a Guerra da Coréia, quando foi necessário

desenvolver alternativas principalmente utilizando molibdênio (série M).

Na série T, o aço mais usual é o T1, para aplicação geral, combinando boa

resistência ao choque, dureza a quente e custo. O T15, com 5%V é o de maior

resistência ao desgaste, no grupo, sendo especialmente indicado para o corte de

242

metais duros, aços de alta resistência, aços austeníticos e ligas refratárias. A

adição de cobalto, apesar de fragilizar um pouco o aço rápido, aumenta bastante

a resistência ao amolecimento no revenimento, resultando em maiores durezas a

quente e, conseqüentemente, maior produtividade.

M - Aços Rápidos ao Molibdênio Como o peso atômico do molibdênio é aproximadamente metade daquele do

tungstênio, a adição de 1% em peso de molibdênio produz, aproximadamente, o

dobro do volume de carbonetos do que a adição da mesma porcentagem em

tungstênio.

Nos últimos anos, os aços da série M vêm apresentando aceitação bastante

superior aos da série T, como discutido acima. Em particular, o aço M2 (contendo

molibdênio e tungstênio) tem se caracterizado como um dos mais populares. Os

aços rápidos contendo cobalto têm se tornado de aplicação restrita, devido à

escassez de cobalto no mercado mundial.

Um estudo da ASM mostrou, que no período de 1950-1960, nos E.U.A., os aços

M2, M1 e M10, representaram acima de 70% dos aços rápidos consumidos, em

peso. O aço M2, por outro lado, teve sua participação no consumo de aços

rápidos situada em torno de 40% da tonelagem total de aços rápidos consumidos

nestes anos.

Os aços rápidos têm se mantido importantes para indústria nos últimos 70 anos,

apesar do desenvolvimento de diversos materiais alternativos. Com o advento das

ligas para aplicações espaciais (superligas), o emprego dos aços rápidos vem

ganhando renovado ímpeto, de vez que a usinagem de tais ligas apresenta

desempenho insatisfatório com ferramentas de carbonetos sintetizados.

243

5.8.4 A ESCOLHA DO AÇO FERRAMENTA

As aplicações dos aços-ferramenta são extremamente variadas - e da seleção

correta do aço dependerá o desempenho da ferramenta. Entretanto é possível

agrupar estas aplicações em tipos básicos de operações, que facilitam a análise

das necessidades quanto às propriedades dos aços (Tabela 5.6).

Tabela 5.6 - Tipos Básicos de aplicações dos aços-ferramenta.

Ferramentas para conformação, a quente ou a frio, são matrizes, peças

embutidas em matrizes, ferramentas para forjamento a quente, ferramentas para

estampagem profunda, punções e matrizes para formar cabeças a frio, matrizes

de extrusão, etc. Estas ferramentas têm contato deslizante com o metal sólido

durante parte da operação e podem estar sujeitas a esforços elevados por curtos

períodos de tempo. O requisito principal será, portanto, resistência ao desgaste, e

os requisitos secundários resistência no impacto e usinabilidade. Aquelas

empregadas para trabalho a quente necessitam, também, dureza a quente.

Ferramentas para cisalhamento incluem lâminas, matrizes para corte de blanks,

punções, etc. São ferramentas sujeitas a esforços elevados, particularmente

quando cortando espessuras mais elevadas. São requisitos: alta resistência ao

impacto aliada à resistência ao desgaste, para manter o gume cortante e as

dimensões.

244

Segurança na têmpera (com relação à trinca e empeno) aliada à pequena

distorção são requisitos que aumentam de importância à proporção que as

matrizes se tornam maiores ou mais intrincadas.

Ferramentas de corte, usadas para usinagem, requerem dureza a quente e

resistência ao desgaste. Resistência ao impacto é desejável.

Ferramentas para moldes, incluem não apenas moldes para plásticos, mas

também para fundição sob pressão e moldes permanentes para fundição, assim

como ferramental para operação em Metalurgia do pó e processamento de

materiais cerâmicos, como prensagem de tijolos.

Ferramentas diversas, peças sujeitas à elevada abrasão (como peças de

sistema de jateamento de areia, moinhos, etc.), peças para furação por

percussão, requerendo alta resistência ao impacto e calibres, que necessitem alta

dureza, bom acabamento e estabilidade dimensional, são exemplos típicos de

aplicações diversas.

Pode-se notar, assim, que o primeiro passo na seleção de um aço para

ferramenta, é determinar quais propriedades são mais importantes, em função

das condições de trabalho e fabricação da ferramenta.

Deve-se levar em conta que a influência do preço do aço no custo da ferramenta

por vezes é bastante pequena, devido às posteriores correlações de usinagem, tratamentos térmicos, etc.

Assim, sensível economia pode ser obtida, muitas vezes, com o emprego de aços

mais caros, desde que um dos seguintes fatores ocorra: aumento da vida da

ferramenta, decréscimo no número de paradas para afiação, decréscimo nos

rejeitos de ferramentas após o tratamento térmico por distorções, trincas, pontos

moles, etc. É importante considerar, também, que a troca de ferramentas pode

ser um trabalho longo e difícil causando atrasos na produção. Todos estes fatores

devem ser levados em conta pelo engenheiro ao analisar a viabilidade econômica

de determinada alteração em aços para ferramenta.

Determinadas as propriedades desejadas na ferramenta, é necessário

conhecermos as propriedades dos aços disponíveis para selecionar, de modo a

que a melhor correlação de propriedades desejadas e propriedades fornecidas

possam ser obtidas. Em linhas gerais, as seguintes regras gerais são válidas:

245

- A resistência ao desgaste varia diretamente com o teor de carbono, devido à

formação de carbonetos - (partículas de elevadíssima dureza na microestrutura).

- Por outro lado, a resistência ao impacto decresce com aumento do teor de

carbono.

- Da mesma forma, elementos formadores de carbonetos aumentam a resistência

ao desgaste, diminuindo-se entretanto, a resistência ao impacto.

- Todos os elementos de liga (exceto o Co) contribuem, mais ou menos, para o

aumento da temperabilidade.

- A dureza a quente aumenta com o teor de elementos de liga, especialmente

molibdênio, tungstênio e vanádio.

Como visto anteriormente, devido às necessidades de padronização, tanto dos

produtores como dos usuários, em cada família há aços preferidos, por

apresentarem as combinações de propriedades mais desejadas daquela família.

O MetaIs Handbook cita 17 aços ferramentas como os mais freqüentes em

estoque nos fornecedores. Novamente aqui, é recomendável ao usuário um

contato íntimo com o fornecedor, que certamente resultará em menores prazos de

entrega e menores custos.

A tabela 5.7 adaptada de R.O Rauter e de “Tool Steels'', apresenta um guia

básico para pré-seleção de aços-ferramenta, em função das propriedades

desejadas.

Esta tabela deve ser compreendida como uma diretriz geral para a seleção, onde

são dadas tendências de propriedades e seleções iniciais. Em princípio, a seleção

feita por meio dela poderá ser melhorada após os primeiros resultados práticos e/

ou utilizando tipos de aços não explicitamente listados na tabela. Por outro lado,

considerações como as vidas desejadas da ferramenta alteram substancialmente

a escolha. Por exemplo, se desejarmos selecionar lâminas para corte a frio e uma

pequena produção, os aços W 1 e W2 podem ser plenamente satisfatórios. Se

tivermos uma produção de grandes lotes, os aços A2 e D2 serão mais indicados.

Para seleção dos tratamentos térmicos e durezas mais adequadas, devemos

recorrer às folhas de características de Aços Ferramentas.

246

Tabela 5.7 - Guia Básico para pré-seleção de aços-ferramenta.

As tabelas 5.9 a 5.12 adaptadas do Metals Handbook e de Rauter dão exemplos

típicos de seleção de aços ferramenta para algumas das aplicações mais comuns.

Veja tabela a seguir.

247

Tabela 5.8 - Aços recomendados para matrizes e punções de corte.

248

Tabela 5.9 - Prática de lâmina de corte (dez fábricas).

Tabela 5.10 - Aços recomendados para lâminas de tesouras para corte a frio de chapas.

249

Tabela 5.11 - Aços e dureza para emprego em matrizes de forjamento em martelo de queda.

Obs: 1 – Podem ser usados os aços 6G, 6F2 ou 6F3 (2714). 2 – Para forjamento em prensas, onde os impactos são menores e a temperatura da matriz mais alta, empregar 20-40HB, acima dos valores da tabela.

5.9 AÇOS INOXIDÁVEIS

Adições de cromo aumentam a resistência à oxidação e à corrosão de aços. Aços

com teores de cromo superiores a 12% têm grande resistência à oxidação e são

comumente designados como aços inoxidáveis. Estes aços são de grande

interesse para a engenharia, em função de sua resistência a oxidação e à

corrosão, propriedades mecânicas a temperaturas elevadas e tenacidade (dos

inoxidáveis austeníticos).

Entretanto, nenhum material é completamente inoxidável, no sentido da palavra, e

muita atenção deve ser dada à correta seleção do material para aplicações em

meios corrosivos; o aço ao carbono comum, por exemplo, pode apresentar

resultados superiores a um aço “inoxidável”, inadequadamente selecionado.

A resistência à corrosão de ligas à base de Fe + Cr está associada ao fenômeno

de passivação, isto é, à formação de uma camada de óxidos mistos (de ferro,

250

cromo e de outros elementos de liga) e a dissolução desta camada no meio

corrosivo. A formação ou não desta camada, sua impermeabilidade e a sua taxa

de dissolução no meio corrosivo, controlarão a resistência à corrosão (medida em

perda de peso/ área/ unidade de tempo) do material, no meio corrosivo em

questão. As principais composições de aços inoxidáveis (p. ex 12% Cr, 18% Cr + 8% Ni,

etc.) foram desenvolvidas, acidentalmente, há cerca de 70 anos. A partir destas

composições, foram estudados os efeitos de diversos elementos de liga residuais,

como C, N, Mo, etc. Novas composições vêm sendo desenvolvidas desde então,

aproveitando os resultados obtidos nestas pesquisas. Os efeitos dos diversos

elementos de liga na estrutura dos aços inoxidáveis podem ser apreciados a partir

dos diagramas de equilíbrio de fases. Para fins de classificação e discussão de

propriedades, os aços inoxidáveis são agrupados em 3 classes.

1. MARTENSÍTICOS – São ligas de Fe + Cr com composições que interceptam o

campo austenítico no diagrama de fases sendo portanto endurecíveis por

tratamento térmico de têmpera. Incluem-se nesta família dos aços: (AISI) 403,

410, 414, 416, 420, 431, 440A, B e C, 501.

2. FERRÍTICOS - São ligas Fe + Cr com composições ferríticas, e que não

endurecem por tratamento térmico de têmpera. Os principais tipos são: (AISI)

405, 430, 430F, 446, 502.

3. AUSTENÌTICOS - São ligas Fe + Cr + Ni que não endurecem por tratamento

térmico de têmpera, e sendo predominantemente austeníticas após tratamento

térmico comercial. Incluem-se nesta família: (AISI) 301, 302, 304, 304L, 308, 310,

316, 316L, 317, 321, 347. Outros aços inoxidáveis austeníticos incluem aqueles

em que, por questão de custo, parte do níquel é substituído por manganês ou

nitrogênio (elementos estabilizadores de austenita). Ex.: (AISI) 201 e 202.

251

5.9.1 INOXIDÁVEIS MARTENSÍTICOS

Os aços inoxidáveis martensíticos podem ser considerados equivalentes aos aços

para têmpera e revenimento (carbono ou ligados), com a diferença principal no

alto teor de cromo.

Como visto anteriormente, os principais efeitos metalúrgicos do alto teor de

cromo, no aço, são:

1. Diminuição da faixa de estabilidade da austenita.

2. Aumento da temperabilidade.

3. Abaixamento da Ms.

4. Aumento da resistência ao amolecimento no revenimento. Além disso, pode

ocorrer endurecimento secundário, pela precipitação de carbonetos de cromo.

Apesar destes aços serem empregados, naturalmente, temperados e revenidos,

de modo a aproveitar as vantagens descritas acima, as propriedades no estado

recozido são particularmente importantes para a fabricação, onde a ductilidade é

importante. A tabela 5.12 apresenta propriedades típicas destes aços recozidos.

Tabela 5.12 - Propriedades mecânicas de inoxidáveis martensíticos recozidos.

É importante notar que o “recozimento” destes aços é, na realidade, um

revenimento a temperatura elevada, devido a suas altas temperabilidades.

A elevada resistência ao amolecimento no revenimento, conferida pelo cromo e a

boa resistência à corrosão/ oxidação, fazem com que estes aços encontrem

amplas aplicações a altas temperaturas.

Como as temperaturas de transição dos inoxidáveis martensíticos são, na melhor

hipótese, comparáveis com a temperatura ambiente, não são empregados para

serviço criogênico.

A soldabilidade dos aços inoxidáveis martensíticos é limitada pela sua

elevadíssima temperabilidade.

252

Aços inoxidáveis martensíticos endurecíveis por precipitação situam-se entre os

aços martensíticos temperados e revenidos clássicos (12% Cr) e os aços

“maraging” de 18% Ni.

Ligas como 17-4 PH ou PH 15-7Mo, contém crômio, 12-16% níquel, molibdênio e

nióbio, cobre e/ ou alumínio para precipitação.

São produzidas em Forno Elétrico ou VIM e refundidas pelos processos ESR ou

VAR. Para aplicações críticas, dupla fusão sob vácuo pude ser especificada.

Estes aços encontram emprego em aplicações críticas onde resistência à

corrosão e elevadas propriedades mecânicas são desejadas a até 425º.C.

5.9.2 INOXIDÁVEIS FERRÍTICOS

Classicamente são definidos como ferríticos os aços inoxidáveis cuja composição

cai à direita do campo austenítico no diagrama Fe-Cr. (Mais exatamente esta

análise deveria ser feita sobre o diagrama ternário Fe-Cr-C, devido ao forte efeito

estabilizador da austenita pelo carbono). Sua estrutura consiste, essencialmente,

de ferrita α em todas as temperaturas, até a Tliquidos.

Surpreendentemente, entretanto, a maioria dos aços chamados “ferríticos” não

atende a esta definição. Por exemplo, o AlSI 430 (17% Cr, mais popular dos

inoxidáveis ferríticos), pode apresentar de 30-5º% de austenita se aquecido acima

de 8000C. Portanto, durante o resfriamento, a austenita se transformará em

martensita, de forma que a estrutura bruta de forjado deste aço consistirá de uma

mistura de martensita e ferrita. Mesmo os aços ferríticos de alto cromo (como AISI

446, 27% Cr) podem apresentar alguma austenita a alta temperatura e

conseqüentemente apresentarão ferrita + martensita quando brutos de forjados.

Conseqüentemente, neste contexto, são considerados ferríticos os aços

inoxidáveis com mais de 11% Cr e que são empregados com estrutura

essencialmente ferrítica (ferrita + carbonetos).

Na aplicação destes aços devem ser levadas em consideração as resistências ao

impacto, relativamente baixa, e os problemas associados a sua soldagem.

A soldagem dos aços inoxidáveis ferríticos normalmente conduz ao crescimento

de grão na zona termicamente afetada (ZTA) e precipitação nos contornos de

grão. Estes fenômenos, quando ocorrem, comprometem grandemente sua

253

tenacidade e resistência à corrosão.

Para aplicação em ambientes corrosivos, especialmente quando corrosão sob

tensão é um problema, aços ferríticos de teores de intersticiais (C, N)

extremamente baixos têm sido desenvolvidos (E - Brite 26-1, AISI 446 Modificado,

AISI 434 Modificado).

A redução dos intersticiais minimiza a ocorrência de precipitados (carbonetos e

nitretos) nos contornos de grão, principais responsáveis pela baixa tenacidade

dos inoxidáveis ferríticos e por sua degeneração na soldagem.

Para tal, evidentemente, a elaboração em VOD ou AOD ou VIM é essencial.

A aplicação dos aços inoxidáveis ferríticos a alta temperatura é limitada a

atmosferas oxidantes e quando é necessária resistência à absorção de carbono e/

ou enxofre. Sua resistência à oxidação a alta temperatura é comparável a dos

aços austeníticos e, por terem menor teor de elementos de liga, têm custos mais

baixos.

Estes aços têm temperaturas de transição elevadas (freqüentemente acima de

temperatura ambiente) não sendo indicados, portanto, para serviço criogênico.

5.9.3 INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICOS

Podem ser classificados em austeníticos estáveis e austeníticos metaestáveis. Os

austeníticos estáveis são os que retêm estrutura austenítica mesmo após

considerável deformação a frio Os austeníticos metaestáveis transformam a

estrutura para martensítica ou acicular, quando sujeitos à deformação a frio. Esta

diferença se manifesta claramente na curva tensão-deformação do material.

O tipo 304, austenítico estável, mostra uma relação parabólica entre deformação

e tensão, com o encruamento decrescendo com o aumento de deformação. No

caso do tipo 301, metaestável, após 10 a 15% de deformação, ocorre um

encruamento acelerado, associado à formação de martensita induzida por

deformação observando-se a Tabela 5.13, pode-se verificar o efeito destas altas

taxas de ''encruamento'' nos limites de resistência dos inoxidáveis austeníticos.

254

Figura 5.17 - Curva Tensão - deformação de aços inoxidáveis austeníticos.

Tabela 5.13 - Propriedades típicas de inoxidáveis austeníticos recozidos (ou solubilizados).

Os aços 201, 202, 301 e austenita metaestável apresentam, obviamente, as mais

altas relações limite de resistência/ limite de escoamento, sendo que os de

austenita estável (304, 310) apresentam valores bastante altos também.

A alta plasticidade e a capacidade de encruamento dos aços austeníticos, permite

que estes sejam trabalhados a frio até atingirem-se valores excepcionais de limite

de escoamento e ruptura, como mostra a figura abaixo.

255

Figura 5.18 - Propriedades do aço inoxidável AISI 310 (austenítico) encruado.

É importante observar que, como esta resistência é obtida por encruamento a frio,

operações que envolvam aquecimento (como soldagem, p- ex.) podem destruí-la.

Os aços inoxidáveis austeníticos estão entre os aços que apresentam melhores

propriedades de resistência à temperatura elevada.

Estas propriedades podem ser otimizadas explorando-se as possibilidades de

endurecimento por precipitação. Aços estabilizados ao Nb como o AISI 347,

podem ser tratados para se obter, o rnáximo de vantagem com a precipitação, na

resistência à fluência.

Além disto, modificações da variedade típica 18-8 são disponíveis como aços

semi-austeníticos endurecíveis por precipitação, através da adição de alumínio,

cobre, molibdênio ou nióbio (17-7 PH, AM 350, etc.).

Por outro lado, por terem estrutura CFC, apresentam excelentes valores de

resistência ao impacto e não sofrem o fenômeno de transição dúctil-frágil sendo,

portanto, os mais indicados para serviços criogênicos ou quando a garantia de

tenacidade em qualquer situação é fundamental.

256

5.9.4 RESISTÊNCIA À CORROSÃO

A vida em serviço de peças produzidas em aço inoxidável é freqüentemente

dependente de sua corrosão. Assim, um conhecimento básico dos mecanismos e

taxas de corrosão que podem afetar a durabilidade dos itens em serviço é

fundamental na seleção do material mais econômico.

Entretanto, os fenômenos associados à corrosão e à capacidade dos materiais de

apresentarem maior ou menor resistência a estes processos são de natureza

complexa e seu estudo em profundidade foge aos propósitos deste trabalho.

Uma excelente análise destes fenômenos pode ser encontrada nas referências

citadas no fim do capítulo, em particular, em Gentil.

Determinados mecanismos de corrosão localizados que ocorrem nos aços

inoxidáveis (mas não apenas nestes materiais), podem conduzir a falhas

prematuras e merecem, portanto, serem comentados. Corrosão Intergranular Os contornos de grão são regiões de mais alta energia e, por isto, sítios

preferenciais de precipitação de segundas fases.

Quando aços austeníticos (como 304 ou 316) são aquecidos na faixa de 425-

815º.C ou resfriados lentamente nesta faixa de temperatura, pode ocorrer à

precipitação de carbonetos de cromo nos contornos de grãos.

O principal carboneto precipitado é o Cr23C6 e, portanto, cada átomo de carbono

retira de solução na matriz austenítica, aproximadamente quatro átomos de

cromo. Como resultado a região da austenita ao redor dos precipitados fica

empobrecida em cromo e, portanto, suscetível à corrosão. Este fenômeno se

chama sensitização.

A sensitização pode ocorrer no resfriamento lento após solubilização (ou

forjamento), alívio de tensões na faixa de precipitação de carbonetos de cromo ou

na soldagem.

Quando a sensitização ocorre durante a soldagem, permite, posteriormente,

corrosão localizada na zona afetada pelo calor, na faixa que permaneceu por

mais longo tempo na temperatura de sensitização.

Os seguintes métodos podem ser aplicados para prevenir a presença de

257

carbonetos de cromo nos contornos de grão:

Figura 5.19 - Sensitização de aço inoxidável devido à precipitação de carbonetos de cromo (esquemático).

1. Peças que não serão tratadas termicamente ou soldadas podem ser

compradas na condição "solubilizada'', isto é, submetidas a um aquecimento a

temperaturas na faixa de 1040-1150ºC, para dissolver os carbonetos, seguido de

um resfriamento rápido para evitar a reprecipitação. Ensaios de laboratório para

comprovar o estado ''solubilizado" são usuais, segundo ASTM A 262 ou DIN

50914.

2. Seleção de aços de extra-baixo teor de carbono (C ≤ 0.03%), como 304L, 316L,

etc. A redução do teor de carbono normalmente é suficiente para prevenir a

sensitização. Estes aços são produzidos com facilidade através dos processos

VOD ou AOE e tem custos comparáveis aos aços com teor de carbono normal.

Como o carbono (soluto intersticial) tem uma contribuição importante na

resistência destes aços, os aços de extra-baixo carbono tem propriedades

mecânicas ainda mais baixas (limite de escoamento 0.2% ≅ 210MPa) que os

materiais normais. Aços com adições de nitrogênio (também intersticial) como

304LN e 316LN têm sido desenvolvidos para compensar esta redução nas

propriedades mecânicas.

3. Seleção de aços estabilizados, como 321 (estabilizado ao Ti) ou 347

(estabilizado ao Nb). A proteção neste caso é obtida através da formação

preferencial de carbonetos dos elementos estabilizantes que têm maior afinidade

pelo carbono do que o cromo.

O controle do titânio, entretanto, pode ser difícil durante a soldagem, em função

258

de sua alta reatividade. Nos aços em que nióbio é usado, seu teor deve ser o

mais próximo possível ao nível requerido para fixar o carbono (em peso, Nb/ C =

18). Nióbio em excesso pode tornar o aço suscetível a trincas na soldagem,

especialmente em peças espessas.

A ocorrência de sensitização em aços inoxidável pode reduzir significativamente

sua resistência à corrosão em diversos meios.

Um caso ilustrativo é a ocorrência de corrosão sob tensão em aços austeníticos

sensitizados, em reatores nucleares do tipo BWR, em contato com água de

composição bastante bem controlada.

Os aços inoxidáveis ferríticos também são suscetíveis a sensitização. O

aquecimento a temperaturas superiores a 920ºC dissolve carbonetos e nitretos,

que reprecipitam com praticamente qualquer taxa de resfriamento. Uma das

causas deste comportamento é a baixíssima solubilidade do carbono e nitrogênio

na ferrita (CCC).

Para eliminar a sensitização, um tratamento possível é um aquecimento a

aproximadamente 780ºC para re-homogeneizar a matriz ferrítica, eliminando as

zonas empobrecidas em cromo (observar que não ocorre dissolução dos

carbonetos e nitretos).

Nem mesmo os aços ferríticos de alta pureza são totalmente imunes a

sensitização.

259

Corrosão sob Tensão A combinação de tensões (trativas), de trabalho ou residuais, e determinados

ambientes corrosivos e temperaturas pode levar a um tipo de corrosão acelerada

que conduz a trincas e fragilização do metal. Apesar de ser um fenômeno que

ocorre por mecanismos ainda pouco claros, algumas combinações conhecidas

sujeitas à corrosão sob tensão são:

- Aços martensíticos são sujeitos à corrosão sob tensão em ambientes contendo

cloretos, bases quentes, nitratos quentes e sulfeto de hidrogênio. Tais

combinações devem ser, portanto, evitadas.

- Aços austeníticos podem sofrer corrosão sob tensão em bases concentradas ou

na presença de cloretos.

Composição química da liga, temperatura, nível de tensões, concentração de

cloretos, condição superficial, pH, teor de oxigênio no meio, são algumas das

variáveis que influenciam na ocorrência de corrosão sob tensão.

Existem composições particularmente resistentes à corrosão sob tensão. O teor

de níquel da liga é especialmente importante na resistência a este tipo de

corrosão. A suscetibilidade máxima à corrosão sob tensão é obtida, em aços

inoxidáveis com 8% de nível.

- Aços ferríticos são os menos suscetíveis à corrosão sob tensão, especialmente

por cloretos. É importante observar que sensitizados ou inadequadamente

selecionados também podem sofrer corrosão sobre tensão.

Os principais meios de controle ou proteção contra este tipo de corrosão são:

• Minimizar tensões: reduzir concentradores de tensões, utilizar tratamentos de

alívio de tensões (quando possível e quando não, implicar em outras alterações

metalúrgicas como sensitização, por exemplo) ou processos que produzam

tensões residuais compressivas na superfície das peças (por exemplo “shot

peening", etc.).

260

• Projeto adequado: evitando locais de acúmulo de espécies químicas nocivas,

etc.

• Proteção catódica ou uso de inibidores.

• Alteração da liga utilizada. Uma das limitações principais neste caso é que os

testes de laboratório existentes para avaliar a resistência à corrosão nem sempre

permitem boa correlação com os meios industrialmente empregados. A seleção

tem de ser baseada, em geral, em experiências anteriores ou ensaios especiais,

de simulação, também de validade limitada.

Corrosão por Pites, ou Alveolar Como discutido anteriormente, a resistência à corrosão dos aços inoxidáveis está

associada à formação de um filme protetor (passivação) na superfície do aço, devido à reação com o oxigênio da atmosfera ou outros ambientes contendo

oxigênio. Em vários casos, este filme de passivação pode ser destruído apenas

localmente, em pontos de superfície e a corrosão ocorre como pequenos furos ou

pitos. Fatores que promovem a corrosão por pites são:

1. Soluções de cloreto e sais oxidantes.

2. Soluções neutras, aeradas, de cloreto.

3. Aumento da temperatura.

São métodos usuais para evitar este tipo de corrosão:

1. Evitar concentração de íons halogênicos.

2. Manter as soluções agitadas, para evitar desunifomidade no potencial de

oxigênio.

3. Manter a concentração de oxigênio alta, ou eliminar o oxigênio. No primeiro

caso, aumenta-se a passividade e no segundo, evita-se pilhas ativo-passivo.

4. Aumentar o pH. O íon (OH-) age como inibidor da corrosão por pites.

5. Trabalhar à temperatura mais baixa possível.

6. Empregar passivadores ou proteção catódica.

Dentre os aços inoxidáveis, os austeníticos que contêm molibdênio (2-4%)

apresentam a mais elevada resistência à corrosão por pites. Exemplos de

soluções em que os aços austeníticos com molibdênio (Ex.: 316) apresentam

redução na corrosão por pites são: soluções de cloreto de sódio, água do mar,

261

ácido sulfúrico, fórmico e fosfórico.

Resistência à Corrosão em Diversos Meios Existem diferentes fontes onde resultados experimentais de resistência à corrosão

podem ser encontrados, tabelados, para diferentes materiais, em diversas

condições de operação. Estas tabelas devem fornecer uma orientação inicial para

o processo seletivo que, em função da complexidade da aplicação, pode vir a

requerer testes de laboratório, com protótipos, etc., até a decisão final sobre o

material mais adequado.

262

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