ESTUDO DA ATENUAÇÃO SÔNICA EM AÇOS INOXIDÁVEIS - PDF
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Vítor Gabriel Neves Bento
1 ESTUDO DA ATENUAÇÃO SÔNICA EM AÇOS INOXIDÁVEIS Ivonilton RAMOS JUNIOR (1); Lucas PEREIRA (2);Igor RIBEIRO(3); Cláudia Teresa FARIAS (4); Maria Dorotéia SOBRAL (5); Raimundo Jorge PARANHOS (6) (1) IFBA, Rua Emídio dos Santos, s/n, (71) , (2) IFBA, (3)IFBA, (4)IFBA, (5) IFBA, (6) IFBA, RESUMO A alta resistência a corrosão dos aços inoxidáveis lhes permitiram obter um espaço significativo nas indústrias de modo geral, principalmente, nas químicas e petroquímicas. Estes materiais apesar de apresentarem uma elevada resistência a ambientes corrosivos, podem apresentar descontinuidades geradas pelo processamento industrial. A utilização de técnicas não destrutivas é de fundamental importância para a inspeção em equipamentos e podem ser aplicadas à caracterização de materiais, correlacionando propriedades mecânicas com os parâmetros do ensaio, sendo medidas com precisão a depender da técnica e tecnologia empregadas. O ensaio ultrassônico permite identificar características do material, tais como, atenuação, constantes elásticas, corrosão de diversas modalidades e tensões residuais, sendo o processamento digital de sinais uma ferramenta de grande valia no aumento da confiabilidade dos resultados. Neste trabalho a partir da aplicação da norma ASTM E ao ensaio ultrassônico pulso eco por imersão foram determinadas às medidas de atenuação sônica dos aços inoxidáveis AISI-420 e AISI-316L, tendo como parâmetro de comparação o aço carbono. Ao final do trabalho, com os resultados, pôde-se perceber que o método utilizado é uma eficaz ferramenta para comparação da atenuação em diferentes materiais. Palavras-chave:, Atenuação sônica, Ensaio Ultrassônico. 1. INTRODUÇÃO Com a constante evolução industrial técnicas de monitoramento e inspeção de equipamentos passaram a ter uma importância significativa. Os ensaios não destrutivos, devido sua vasta aplicação, são de fundamental importância nas indústrias nucleares, químicas e petroquímicas, ao longo do tempo as técnicas de ENDs, foram melhoradas para garantir maior eficiência e diminuição dos custos o que interessa ainda mais o mercado industrial (CHEN, 2007). Por ser uma técnica não invasiva de baixo custo e aplicação relativamente fácil, o ensaio ultrassônico é uma ferramenta interessante para manutenção preventiva e preditiva. As ondas ultrassônicas além de serem transmitidas podem ser refletidas, refratadas ou difratadas quando o feixe encontra uma interface entre meios com características acústicas diferentes. Maia (2001) comprovou que a onda ao passar pelo meio, emite um pulso elétrico que é representado na tela do osciloscópio por um sinal que serve como base para análise de parâmetros em materiais muitas vezes desconhecidos, fornecendo dados importantes, como por exemplo, atenuação e identificação das constantes elásticas. O estudo da atenuação sônica vem sendo utilizado no meio acadêmico como uma forma para a caracterização de materiais, pode-se relacionar a atenuação com a impedância acústica definida como a dificuldade que a onda encontra ao se propagar no meio. A diferença de impedância entre materiais faz com que apenas uma parte da energia sônica que atinge a superfície seja transmitida para o outro meio, outra parte da energia é refletida, sendo assim a impedância se caracteriza como uma perda por transmissão, o que tem ligação direta com a perda de intensidade do feixe sônico e a atenuação. Quando uma onda se propaga em um meio ela perde parte de sua energia em determinado percurso ou espessura, cujos efeitos de dispersão do pulso sônico está intrinsecamente ligado a microestrutura do material. Nos aços a atenuação é causada, principalmente, pela direção dos planos cristalográficos e também pelas constantes elásticas dos grãos (ANDREUCCI, 2002; BADIDI, 2003; SANTIN, 2003; GADELHA NETO, 2007). O aço inoxidável AISI- 420 apresenta propriedades como a alta resistência a corrosão e têm aplicação na cutelaria e fabricação de
2 eixos e parafusos, enquanto o aço inoxidável AISI-316L é típico das indústrias química e petroquímica, em plataformas on-shore e off-shore. As utilizações desses dois aços são, principalmente, em ambientes com concentração de íons da família dos halogênios que possuem alto poder de corrosão (TEBECHERANI, 2003; ISHIDA, 2009). Neste trabalho foram determinadas as medidas de atenuação sônica dos aços inoxidáveis martensítico AISI- 420, austenítico AISI-316L e de aço carbono SAE 1020 pelo método ultrassônico pulso eco por imersão. Os sinais foram adquiridos e permitiram realizar análise comparativa entre as amplitudes dos ecos de fundo de acordo com a norma ASTM E FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1 Ensaio Ultrassônico O ensaio por ultrassom caracteriza-se num método não destrutivo que tem por objetivo a detecção de descontinuidades internas e parâmetros característicos, como velocidade sônica e atenuação dos mais variados tipos e formas de materiais. Sendo assim, comumente empregado na inspeção de equipamentos e materiais (LOBERTO, 2007). O principio básico de funcionamento do ensaio ultrassônico consiste em ondas transmitidas pelo transdutor, que contém um cristal piezelétrico capaz de converter a energia elétrica em onda mecânica ou vice-versa. O método pulso-eco, por exemplo, o sensor emite e recebe o pulso sônico que atravessa o material inspecionado. Ao encontrar uma interface a onda sofre reflexão e refração, modificando o sinal transmitido pelo transdutor para a tela do osciloscópio. Andreucci (2006) afirmou que atualmente, na indústria moderna, principalmente nas áreas de caldeiraria e estruturas marítimas, o exame ultrassônico, constitui uma ferramenta indispensável para garantia da qualidade de peças de grandes espessuras, geometria complexa de juntas soldadas e chapas. Uma das grandes vantagens encontradas para a utilização do método ultrassônico é sua alta sensibilidade na detecção de pequenas descontinuidades internas, como, por exemplo, trincas devido a tratamento térmico, fissuras e precisão na identificação de características, como constantes elásticas. Segundo Andreucci (2006), a parte interessante da avaliação não destrutiva ultrassônica é que não se faz necessário, planos especiais de segurança ou qualquer acessório com esta finalidade de aplicação Atenuação Sônica De acordo com Andreucci (2006), a atenuação sônica pode ser definida somando os resultados dos efeitos de dispersão e absorção. A onda ao percorrer um material qualquer, em razão, por exemplo, das constantes elásticas dos grãos e da direção dos planos cristalográficos do material, sofre, no decorrer da espessura, redução da sua energia. A dispersão deve-se ao fato da heterogeneidade do material, contendo interfaces naturais de sua própria estrutura ou do processo de fabricação. A absorção, por sua vez, ocorre quando a energia é cedida pela onda as moléculas do material para a transmissão da vibração no mesmo. Na prática, a atenuação sônica poderá ser visualizada quando há uma queda de amplitude dos ecos de reflexão proveniente do material inspecionado, que representam a perda de energia em função da distância percorrida pela onda. A norma ASTM E exige algumas etapas no processo de obtenção da atenuação. A espessura tem que ser maior que o comprimento de onda. O local de inspeção não deve estar próximo das laterais do corpo de prova. Os sinais adquiridos tem que ser tratados de forma a efetuar uma comparação entre os ecos de fundo conforme a Equação 1. Atenuação= Am 20log An 2( n m)t [Eq. 01] Onde Am e An são as amplitudes dos ecos relacionados, m e n indicam a posição dos ecos, e T é a espessura do material.
3 Experimentos realizados por BADIDI (2003) mostraram que a atenuação do material está relacionada com o tamanho do grão segundo o gráfico da figura 1 Este, apesar das unidades explicitas serem diferentes das utilizadas no trabalho, pode-se obter uma relação para as considerações do trabalho. 2.2 Aços Inoxidáveis Figura 1 - Atenuação X Tamanho do grão Tebecherani (2003) publicou que os aços inoxidáveis são ligas ferrosas com baixo percentual de carbono (0,015 a 1,2%), que possui no mínimo 12% de Cromo. O Cromo, em contato com o oxigênio, forma uma fina camada de óxido de Cromo, sendo chamada de camada apassivadora, por ser impermeável e insolúvel em soluções corrosivas. Devido a esta camada, os aços inoxidáveis possuem alta resistência a corrosão. Elementos como níquel, molibdênio, cobre, titânio, alumínio, silício, nióbio, nitrogênio, enxofre e selênio são adicionados para induzir à formação de certas microestruturas e/ou garantir propriedades adequadas a solicitações mecânicas, como exposição a diferentes temperaturas e meios agressivos específicos (ASM, 1994; JÚNIOR, 2002). Os aços inoxidáveis são divididos em basicamente três grupos classificados quanto a microestrutura, Austenítico, Martensítico e Ferrítico, onde cada grupo possui propriedades características (TEBECHERANI, 2003) Aço inoxidável Martensítico Os aços inoxidáveis martensíticos são ligas ferromagnéticas que apresentam boa resistência a corrosão em ambientes com elevada concentração de cloretos, por exemplo. Possuem uma composição de 12 a 20% de Cromo com carbono variando, normalmente, de 0,1 a 1%. Esse aço pode atingir variados graus de dureza pelas diferentes condições de aquecimento e resfriamento (tratamento térmico). (ASM, 1994; ISHIDA, 2009) Existe uma subdivisão em grupos dos aços inoxidáveis martensíticos, estes subgrupos são classificados de acordo com a composição de cromo e carbono. O AISI 420 está incluído no grupo I, por possuir uma porcentagem mínima de carbono de 0,15% e porcentagem de cromo variando de 12 a 14%, é largamente utilizado na cutelaria, fabricação de eixos, parafusos e ferramentas cirúrgicas, por possuírem características como, a alta dureza proporcionada pela martensíta (TEBECHERANI, 2003; ISHIDA, 2009). A Figura 2 mostra o modelo de microestrutura do aço AISI 420, pode-se observar pela análise da microestrutura a martensíta revenida e os carbonos secundários que aparecem após a aplicação do revenido no material, os contornos de grãos, provocam uma maior atenuação, pois a dispersão da onda ultrassônica é maior nas interfaces encontradas.
4 2.2.2 Austenítico Figura 2 - Microestrutura AISI 420 (PINEDO, 2004). Os aços inoxidáveis austeníticos são ligas Fe-Cr-Ni, que apresentam composição química de 16 a 26% de Cromo, 0,03 a 0,25% de carbono e até 35% de Níquel, possuindo grande resistência a corrosão em meios agressivos. Além disso, segundo Ishida (2009), os aços inoxidáveis austeníticos combinam baixo limite de escoamento com alta resistência a tração e bom alongamento, sendo bastante utilizado para trabalhos a frio. Excelentes propriedades mecânicas, como ductibilidade, resistência a altas e/ou baixíssimas temperaturas além de boa soldabilidade são propriedades existentes nos aços inoxidáveis austeníticos. O encruamento, muitas vezes, é utilizado para aumentar características como resistência mecânica e dureza. Devido a forma alotrópica de geometria dos cristais, essas ligas não são ferromagnéticas (ISHIDA, 2009). A Figura 3 mostra a microestrutura da liga AISI 316L. Por possuir uma microestrutura contendo o tamanho de grão maior o AISI 316L têm menos contornos em relação a microestrutura do aço inoxidável martensítico, apresentando menor atenuação. Os Aços AISI-316L são utilizados em equipamentos para indústria química, petroquímica, farmacêutica e alimentícia além da construção civil (TEBECHERANI, 2003;ISHIDA,2009). 3. METODOLOGIA 3.1 Análise e preparação dos corpos de prova Figura 3 - Microestrutura AISI 316L (OLIVEIRA, 2010). Anteriormente à realização do ensaio ultrassônico, a superfície dos corpos de prova foi lixada de forma a permitir melhor acoplamento na transmissão do feixe sônico. Todos os critérios analisados no corpo de prova
5 foram adequados à norma, que exige que cada ponto inspecionado tenha uma distancia significativa dos lados do corpo de prova (no mínimo um diâmetro de três vezes o tamanho do cristal do transdutor), e que a espessura seja maior do que o comprimento de onda. Na tabela 1 são mencionadas as dimensões dos corpos de prova, que foram realizadas com um paquímetro digital, com imprecisão de 0,05mm. A malha que foi utilizada na inspeção possui dimensões de 40X40 mm com 25 pontos espaçados igualmente. Em cada corpo de prova foram inspecionadas quatro malhas completas. Tabela 1 - Dimensão dos corpos de prova Dimensão dos corpos de prova (mm) Austenítico (AISI-316L) Martensítico (AISI-420) Aço Carbono (SAE 1020) 300X85X25 300X300X25 300X100X Ensaio Ultrassônico Foram realizados ensaios ultrassônicos pulso eco por imersão com o aparelho de ultrassom da marca Krautkrämer, modelo USM 25, juntamente com o osciloscópio Tektronix modelo TDS 2024B, que foi utilizado para a aquisição dos sinais. O osciloscópio permitiu uma boa resolução do sinal (2500 pontos), assim reduziu a imprecisão dos dados digitalizados em relação ao ultrassom, que possui uma resolução inferior (menor que 200 pontos). O transdutor conectado ao equipamento de ultrassom foi fabricado pela Olympus Panametrics, modelo NDT V-326, com freqüência central de cinco MHz e diâmetro do cristal de (9,525 mm). A Figura 4 mostra o esquema experimental do ensaio ultrassônico. 3.3 Tratamento do Sinal Figura 4 Esquema Experimental do Ensaio Ultrassônico. Foi desenvolvida rotina computacional para realizar normalização dos sinais aquisitados e detectar os pontos máximos dos ecos. Em seguida, foram obtidas relações entres as amplitudes dos ecos de fundo analisados dois a dois, sendo encontrada posteriormente a média aritmética que representa o decaimento de energia na
6 propagação do som em cada corpo de prova. A partir destes valores determinou-se o valor da atenuação de cada material analisado e a imprecisão estatística dos resultados. 4. RESULTADOS OBTIDOS Com base no procedimento de inspeção e tratamento do sinal, obtiveram-se dados de atenuação que estão mostrados na tabela 2. Tabela 2 - Atenuação Sônica Atenuação sônica (db/pol) Martensítico (AISI - 420) Austenítico (AISI 316L) Aço Carbono (SAE 1020) 2,3983±0,4382 1,9137±0,1284 1,9611±0,0645 A menor atenuação presente no aço austenítico pode ser explicada pelo tamanho do grão, o qual possui um tamanho de 40 a 60mm, enquanto que o aço martensítico possui um tamanho menor, confirmando o experimento de Badidi(2003). Outra forma de justificar o resultado obtido está expressa no trabalho de Gadelha Neto (2007), onde se estabeleceu a relação que a dureza é proporcional a atenuação sônica. A influência humana nas medições e por ocasionais heterogeneidades no material, podem ter causado uma pequena modificação no valor da atenuação, conseqüentemente, fazendo o desvio aumentar, variando de 3 a 18% do valor estabelecido. 5. CONCLUSÕES Os resultados encontrados permitiram concluir que o método ultrassônico de pulso-eco por imersão é uma interessante ferramenta para atribuição da atenuação e, principalmente, para comparação. A relação entre o tamanho de grão e da dureza com a atenuação estão coerentes com os trabalhos de Badidi(2003) e Gadelha Neto(2007). Os resultados da atenuação obtidas no trabalho são importantes para indústria, pelo fato de expressar a dificuldade na realização dos ensaios ultrassônicos. Dependendo do valor estabelecido, a atenuação pode inviabilizar o processo de inspeção. O objetivo principal para os trabalhos futuros será estabelecer uma relação entre propriedades dos materiais com a atenuação sônica, e tentar diminuir a imprecisão dos resultados para maior confiabilidade da técnica. 6. AGRADECIMENTOS Ao IFBA, pela infra-estrutura; ao GPEND pelo auxílio técnico. REFERENCIAS ANDREUCCI, R., Ensaio por Ultra-Som aspectos básicos - 3ªedição ASM. Stainless steel, ASM specialty handbook, ASM, BADIDI, A., LEBAILI, S. Grain size influence on ultrasonic velocity and attenuation CHEN, C. H., Ultrasonic and Advanced Methods for Nondestructive Testing and Material Characterization. World Scientific, 2007; GADELHA NETO, O.S., Caracterização de microestruturas por ensaio de ultra som em aço 1045, II- CONNEPI, 2007.
7 HAUPTMANN, P. Application of Ultrasonic Sensors in the Process Industry. Measurement Science and Technology. Institute of Physics Publishing, HELIER, C. Handbook of Nondestructive Evaluation. McGraw-Hill Professional, p. International, v. 36, pp.1-5, JÚNIOR, M. V.. Nitretação a Plasma do aço ABNT 316L em Baixas Temperaturas, Tese de Doutorado PPGEMM, Porto Alegre RS, Brasil, LOBERTO, T., Estudo da viabilidade do ensaio de ultra-som na inspeção de juntas soldadas de aços inoxidáveis austeníticos AISI-316. Dissertação de mestrado Universidade Católica do Paraná Curitiba, MAIA, J.M., Sistema ultrassônico para auxilio ao diagnostico da osteoporose p Tese de Doutorado, DEB/FEEC/UNICAMP, Campinas. MARTINHON, G. Avaliação e Implementação de Métodos de Estimação de Tempo de Atraso de Sinais de Ultra-som p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) Universidade Estadual Paulista, Ilha Solteira, OLIVEIRA, M. A., Estudo do conteúdo espectral e perfil do feixe ultrassônico em aço inoxidável 316L submetido a diferentes ciclos isotérmicos. XVIII CONAEND&IEV, PINEDO, C. E., Tratamento térmico e superficial do aço inoxidável martensitico AISI 420 destinado a moldes para injeção de polímeros. 2º Encontro da Cadeia de Ferramentas, Moldes e Matrizes, São Paulo/SP, SANTIN, J.L Ultra-Som Técnica e aplicação, TEBECHERANI, C., Apostila de Aços inoxidáveis, Disponível em < acesso 4 jul 2010.