Comparação de dureza de materiais metálicos utilizando correntes parasitas, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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Campo Grande

RICHARD CORREIA SERAPILHA

COMPARAÇÃO DE DUREZA DE MATERIAIS METÁLICOS

UTILIZANDO CORRENTE PARASITA

Campo Grande

Campo Grande 2017

COMPARAÇÃO DE DUREZA DE MATERIAIS METÁLICOS

UTILIZANDO CORRENTE PARASITA

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Anhanguera Educacional, como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em Engenharia Mecânica. Orientador: Ana Cláudia de Carvalho Silva

RICHARD CORREIA SERAPILHA

CORREIA SERAPILHA, Richard. Comparação de dureza de materiais metálicos utilizando corrente parasita. 2017. 31 páginas. Trabalho de Conclusão de Curso (graduação em Engenharia Mecânica) – Anhanguera Educacional, Campo Grande,

RESUMO

Através da necessidade de se obter as propriedades mecânicas exatas do material a ser utilizado, foi estudado a possibilidade da utilização das correntes parasitas para comparar materiais metálicos, e obter o valor de dureza o mais próximo possível do real, tendo como base um material que foi submetido ao ensaio de dureza comumente utilizado (ensaio por penetração). Para entender o objetivo principal deste trabalho, é necessário ter o conhecimento das propriedades mecânicas dos materiais, conhecer o ensaio por penetração, e entender o funcionamento das correntes parasitas. É estudado este teste com as correntes parasitas, devido ao ensaio por penetração provocar impressões na superfície do material a ser testado, e dependendo da aplicação deste, causando sua inutilização, devido ao princípio de funcionamento dos principais métodos. As correntes parasitas é um ensaio que tem por objetivo detectar trincas e descontinuidades de materiais, e deve ser entendido o princípio de funcionamento, que se baseia na lei de indução eletromagnética. Com a utilização deste ensaio para comparar materiais metálicos, seria possível detectar falhas de fabricação de maneira mais precisa e em toda a superfície do material, além de evitar em todos os casos a condenação de materiais devido ao ensaio, havendo a possibilidade de automação do processo, em caso de produção em grande escala.

Palavras-chave: Ensaio; Dureza; Comparação; Correntes; Parasitas.

CORREIA SERAPILHA, Richard. Comparison of hardness of metallic materials using eddy current. 2017. 31 pages. Course Completion Work (graduation in Mechanical Engineering) – Anhanguera Educacional, Campo Grande, 2017.

ABSTRACT

Due to the need to obtain the exact mechanical properties of the material to be used, it was studied the possibility of using the eddy current to compare metallic materials, and to obtain the hardness value as close as possible to the real one, based on a material that was subjected to the commonly used hardness test (penetration test). To understand the main objective of this work, it is necessary to have knowledge of the mechanical properties of the materials, to know the penetration test, and to understand the functioning of the eddy current. This test is studied with the eddy current, due to the penetration test causing impressions on the surface of the material to be tested, and depending on the application of this, causing its destruction, due to the principle of operation of the main methods. The eddy current is an essay that aims to detect cracks and discontinuities of materials, and should be understood the principle of operation, which is based on the law of electromagnetic induction. With the use of this test to compare metallic materials, it would be possible to detect manufacturing faults in a more precise way and throughout the surface of the material, in addition to avoid in any case the condemnation of materials due to the test, with the possibility of automation of the process, in case of large-scale production.

Key-words : Test; Hardness; Compare; Eddy; Current.

LISTA DE TABELAS

Tabela 01 – Escalas de dureza Rockwell ................................................................ 16 Tabela 02 – Escalas de dureza superficial Rockwell ............................................... 17 Tabela 03 – Conversão de dureza ........................................................................... 20

SUMÁRIO

• Figura 01 – Tensão pela deformação
• Figura 02 – Detecção de descontinuidades por correntes parasitas
• Figura 03 – Descontinuidades detectáveis pelo método
• Figura 04 – Influência da condutividade elétrica
• Figura 05 – Influência da permeabilidade magnética
• Figura 06 – Exemplo de instrumento
• Figura 07 – Exemplo de instrumento
• Figura 08 – Exemplo de instrumento
• Figura 09 – Exemplo de instrumento
• Figura 10 – Variáveis detectadas em um mostrador de gráficos
• Figura 11 – Aparelho destinado a comparar materiais
• 1 INTRODUÇÃO
• 2 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS DUROS
• 2.1 RELAÇÃO DE DUREZA E DUCTILIDADE.......................................................
• 2.2 DEFORMAÇÃO
• 2.3 ALTERAÇÃO DE DUREZA
• 2.3.1 Encruamento
• 2.3.2 Tratamento térmico
• 2.3.3 Endurecimento superficial
• 3 ENSAIO DE DUREZA POR PENETRAÇÃO
• 3.1 DUREZA ROCKWELL
• 3.1.1 Dureza superficial Rockwell
• 3.2 DUREZA BRINELL
• 3.3 DUREZA VICKERS
• 3.4 EQUIVALÊNCIA DE DUREZA
• 4 ENSAIO POR CORRENTES PARASITAS
• 4.1 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS
• 4.2 FUNDAMENTO DAS CORRENTES PARASITAS
• 4.2.1 Condutividade elétrica
• 4.2.2 Permeabilidade magnética
• 4.3 APLICAÇÃO DAS CORRENTES PARASITAS
• 4.4 EQUIPAMENTOS............................................................................................
• 4.5 COMPARAÇÃO DE DUREZA POR CORRENTES PARASITAS
• 4.5.1 Como realizar a comparação
• 4.5.2 Automação do processo
• 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
• REFERÊNCIAS

Com a utilização das correntes parasitas para comparar a dureza de materiais, não se faz necessário o uso de corpos de provas. Desta forma, as propriedades que forem determinadas, serão as reais da peça fabricada. Mesmo que esta peça seja fabricada do mesmo material, poderão ocorrer falhas não notadas no processo de fabricação e as propriedades serão diferentes das planejadas. Não se descarta a utilização do ensaio comum, pois este pode fornecer o caminho certo para qual tipo de metal deve ser utilizado no projeto. Mas é ressaltada a importância da aplicação de ensaios diretamente na peça que será utilizada, para evitar que problemas aconteçam devido a características não desejadas. Para alcançar os objetivos deste trabalho, foi preciso de dias de estudo em diversos artigos e sites relacionados ao ensaio de dureza e ao ensaio de correntes parasitas. Mas o que foi de maior contribuição, foi a consulta de livros destinados a qualificação de profissionais no ensaio de correntes parasitas, podendo desta forma, compreender grande parte do processo de aplicação deste método de ensaio.

2 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS DUROS

A dureza de um material consiste na resistência deste em sofrer uma deformação plástica. Quanto maior a dureza, menor sua usinabilidade. Ou seja, a dureza pode ser associada à resistência a deformação, risco, corte e desbaste. Pois quanto mais duro é o material, mais ele resistirá a deformação, mais difícil será risca-lo, e mais difícil será corta-lo ou desbasta-lo. (CALLISTER, 2008)

2.1 RELAÇÃO DE DUREZA E DUCTILIDADE

Como consequência a dureza, o material se torna frágil e pouco deformável. Ou seja, quanto mais duro for o material, menos ele resistirá a impactos, embora tenha uma alta resistência à ruptura. E quanto mais duro for o material, mais ele resistirá a deformação, mas irá se romper após baixa variação da deformação. O contrario da dureza, é a ductilidade. Quanto mais dúctil é o material, mais usinável será, ou seja, mais fácil será deforma-lo, risca-lo, corta-lo ou desbasta-lo. Portanto, será necessária pouca força para usina-lo, e a tensão máxima suportada será mais baixa, mas este será mais resistente a forças de impactos, se comparada a um material mais duro. Por isso, ferramentas de corte, ferramentas de desbaste ou perfuração, são geralmente, fabricadas de materiais duros, ou sofreram algum tipo de tratamento para torna-las duras. Desta forma, a ferramenta irá usinar (desbastar, perfurar ou cortar) uma peça desejada de forma mais fácil e rápida, e sem sofrer grandes avarias. Supondo que uma peça com a dureza elevada precise ser furada. Neste caso, a broca irá encontrar uma resistência muito grande em perfurar esta peça, podendo tornar esta broca inutilizada após o processo. Neste caso exemplificado, a peça deveria ser submetida a um tratamento, como o recozimento, com o objetivo de reduzir sua dureza e consequentemente, torna-la mais usinável. Portanto, quanto mais dura for a ferramenta em relação à peça, mais fácil será o trabalho a ser realizado nela.

“A” possui um limite de tensão máxima maior que do material “B”, porém, a deformação do material “B” é maior que do material “A”. Um exemplo de metal duro é o ferro fundido, e um exemplo de metal dúctil é o alumínio.

2.3 ALTERAÇÃO DE DUREZA

A maioria dos materiais são submetidos a algum tipo de tratamento para alterar suas propriedades mecânicas após seu processo de fabricação. Isto ocorre para que o material fique mais adequado e possa cumprir o objetivo para o qual foi planejado. (CALLISTER, 2008)

2.3.1 Encruamento

O encruamento, também conhecido por endurecimento por deformação, consiste em realizar um trabalho no material com o objetivo de aumentar sua dureza, de modo que este sofra uma deformação plástica. (CALLISTER, 2008) A partir de certo momento onde um material está sofrendo esforços, após entrar em seu regime plástico, as descontinuidades estruturais do material aumentam de modo que uma descontinuidade é barrada por outra. Portanto, o material fica saturado de descontinuidades, o que acarreta na dificuldade de fazê-las continuar crescendo, e na dificuldade de criar novas descontinuidades. O que acarreta no aumento de dureza. (CALLISTER, 2008) No gráfico de tensão pela deformação, a região de encruamento é situada entre a região de escoamento e o limite de tensão máxima.

2.3.2 Tratamentos térmicos

Outra forma de alterar a dureza de um material é realizando algum tipo de tratamento térmico, que consiste em aumentar e diminuir a temperatura de forma controlada, podendo ocasionar na diminuição ou no aumento da dureza de um material. Alguns dos principais tipos de tratamentos térmicos serão descritos a seguir.

2.3.2.1 Têmpera

Neste tratamento, o material é submetido a uma temperatura superior a sua temperatura crítica, e resfriado repentinamente, por meio de imersão em água ou óleo. Este rápido resfriamento deixa o material saturado de carbono em ferro, tornando-o extremamente duro, mas também muito frágil. (NORTON, 2013)

2.3.2.2 Revenimento

É um processo cujo material é aquecido a uma temperatura abaixo de sua temperatura crítica, deixando-o no calor por um longo tempo, e em seguida resfria-lo lentamente. Isto fará com que o carbono em ferro abaixe sua concentração, recuperando parcialmente sua ductilidade e reduzindo a sua resistência. (NORTON,

2.3.2.3 Recozimento

Este tratamento é capaz de reverter todos os processos vistos anteriormente, incluindo o encruamento. Consiste em aquecer o material a cima da temperatura crítica e resfria-lo lentamente, fazendo o material retornar ao seu estado original. É utilizado mesmo em materiais que não foram submetidos a outros tratamentos térmicos, deixando-os mais dúcteis. (NORTON, 2013)

2.3.2.4 Normalização

É um processo similar ao recozimento, mas este envolve em seu processo um banho a alta temperatura, fazendo o material resfriar mais rápido. É um processo que deixa o material com características intermediárias entre o recozimento e a têmpera. (NORTON, 2013)

3 ENSAIO DE DUREZA POR PENETRAÇÃO

Os ensaios de dureza são muito utilizados por diversas áreas industriais, por serem geralmente baratos e não destrutivos, embora deixe uma impressão no material ensaiado. Este ensaio ainda pode ser utilizado para se obter estimativas de outras propriedades mecânicas do material, como por exemplo a resistência a tração. (CALLISTER, 2008) Para materiais metálicos, usualmente é utilizado o ensaio de dureza por penetração. Para isso, é utilizada uma máquina específica que aplica uma força conhecida por um determinado tempo, utilizando um instrumento especial, com o objetivo de penetrar no material a ser ensaiado. (CALLISTER, 2008) Os principais métodos de medição de dureza são: Rockwell, Brinell e Vickers.

3.1 DUREZA ROCKWELL

O método de dureza Rockwell é um dos métodos mais utilizados pela indústria, além de ser muito simples, e não requer muita habilidade do operador. (CALLISTER, 2008) Neste método, utiliza-se um cone de diamante ou uma esfera de aço endurecido, com o objetivo de penetrar o material. Primeiramente é utilizada uma pré-carga, normalmente de 10 kgf. Quando o equilíbrio é atingido, um indicador que acompanha os movimentos da peça penetrante é ajustado a posição zero. (CALLISTER, 2008) Ainda com a pré-carga aplicada, uma segunda carga é introduzida, aumentando a penetração. Atingido novamente o equilíbrio a carga é removida, mantendo-se a pré-carga. A remoção da carga provoca uma recuperação parcial, reduzindo a profundidade da penetração. O aumento permanente na profundidade da penetração resultante da aplicação e remoção da carga é usado para calcular o valor da dureza Rockwell. Desta forma, pode-se obter a relação de dureza Rockwell pela equação 1 abaixo: (CALLISTER, 2008)

Equação 1:

Onde:  HR: é o valor da dureza Rockwell ( hardness Rockwel )  E : é a constante que depende do formato da ferramenta penetrante (100 para ferramenta cônica de diamante, e 130 para ferramenta esférica de aço).  e : é o aumento permanente da profundidade de penetração devido a carga maior, medido em unidades de dois milésimos de milímetro.

Existem várias escalas de dureza Rockwell, estabelecidas de acordo com os tipos de material a se testar. Abaixo são mostradas algumas das características de cada uma das referidas escalas, para pré-carga de 10 kgf:

Tabela 01: Escalas de dureza Rockwell

Este ensaio de dureza pode fornecer valores equivocados caso seja realizado em corpos muito finos, perto de arestas, ou duas impressões estejam próximas. O ideal é que o corpo de prova tenha 10 vezes a profundidade da impressão e que o ensaio seja realizado a uma distância mínima de três vezes o diâmetro da impressão. (CALLISTER, 2008)

normalmente aplicada entre 10 e 30 segundos, sendo que os materiais duros necessitam de mais tempo. (CALLISTER, 2008) Comparada aos outros métodos de ensaio de dureza por penetração, a esfera do teste Brinell provoca uma penetração maior. Desta forma, a dureza medida no teste atinge uma maior parte do material, resultando em um teste mais preciso. (CALLISTER, 2008) O diâmetro da impressão é medido por um microscópio próprio da máquina de dureza, desta forma podendo ser aplicado para calcular o valor da dureza Brinell pela equação 2 abaixo:

Equação 2: √

Onde:  HB : é o valor da dureza Brinell ( hardness Brinell )  P : é o valor da carga aplicada  D : é o diâmetro do penetrador  d : é o diâmetro da impressão média de duas leituras tomadas em ângulo reto.

3.3 DUREZA VICKERS

O ensaio de dureza Vickers consiste em penetrar o material a ser testado utilizando uma força de 1 a 100 kgf, usando um penetrador de diamante, com um formato de uma pirâmide reta e base quadrada e um ângulo de 136°. Esta força é normalmente aplicada por um tempo de 10 a 15 segundos. As duas diagonais da impressão deixadas no material depois da remoção da força são medidas usando-se um microscópio. Após medi-las, calcula-se a média aritmética, e a seguir calcula-se a área da superfície inclinada da impressão. Diferentes configurações de cargas tendem a resultar no mesmo valor de dureza quando o ensaio é realizado em materiais uniformes. (CALLISTER, 2008)

Leituras obtidas pelo teste Vickers são extremamente precisas, e também tem a vantagem de utilizar o mesmo tipo de ferramenta de penetração para todos os metais e superfícies. É possível aplicar o teste a uma grande quantidade de materiais, dos mais duros aos mais moles, com vasta faixa de configurações de cargas. A única desvantagem do ensaio de dureza Vickers, é a máquina utilizada para medição, por ser de porte maior e ser mais cara quando comparadas com as correspondentes para o ensaio de penetração, como Brinell e Rockwell. (CALLISTER, 2008) A dureza Vickers pode ser calculada pela equação 3 abaixo:

Equação 3:

Onde:  HV : é o valor da dureza Vickers ( hardness Vickers )  P : é o valor da carga aplicada  D : é a média aritmética das duas diagonais

3.4 EQUIVALÊNCIA DE DUREZA

A dureza, não é uma propriedade bem definida dos materiais, devido as várias técnicas existentes para realizar este ensaio. Por isso, é possível estabelecer uma equivalência de dureza dos principais tipos. Ou seja, depois de encontrado um valor utilizando um método, é possível consultar uma extensa tabela para que se obtenha o valor em outra escala de dureza. (CALLISTER, 2008) Desta forma, caso uma indústria trabalhe apenas com máquinas de dureza Rockwell, por exemplo, e o cliente solicite a dureza Brinell, basta consultar tal tabela para que possa obter o valor desejado. Segue abaixo uma parte da tabela mencionada: