Capítulo 4 - MÉTODO
DE INSPEÇÃO POR CORRENTES PARASITAS
traduzido do livro: AIR
FORCE TO 33B-1-1 / ARMY TM 1-1500-335-23 / NAVY (NAVAIR) 01-1A-16-1 -
Manual Técnico - Métodos de Inspeção Não Destrutiva, Teoria Básica
- MATERIAIS E PROCESSOS
- Estrutura dos Metais
- Propriedades Mecânicas
- Condutividade Elétrica
- Condutividade e Propriedades Mecânicas
- Proriedades Mecânicas dos Metais Puros
- Ligas Metálicas
- Efeito da Liga Metálica nas Propriedades
Mecânicas
- Efeito da Liga Metálica na Condutividade
- Tratamento Térmico
- Recozimento
- Efeito do Recozimento nas Propriedades
Mecânicas
- Efeito do Recozimento na Condutividade
- Tratamento Térmico de Solubilização
- Efeito do Tratamento Térmico de
Solubilização nas Propriedades Mecânicas
- Efeito do Tratamento Térmico de
Solubilização na Condutividade
- Tratamento Térmico de Precipitação
- Efeito do Tratamento Térmico de
Precipitação nas Propriedades Mecânicas
- Efeito do Tratamento Térmico de
Precipitação na Condutividade
- Medição das Propriedades Mecânicas
- Ensaio de Dureza
2 MATERIAIS E PROCESSOS
2.1 Estrutura dos Metais.
Os átomos de um elemento químico têm um núcleo ou centro com carga
positiva. Ao redor de cada núcleo estão elétrons (carga negativa) em
órbita. Cada elemento tem um núcleo de tamanho diferente, cercado por
um número e arranjo característicos de elétrons em órbita. A
distribuição e o número dos elétrons mais externos determinam as
propriedades do elemento, incluindo sua natureza metálica ou não
metálica. Em um sólido cristalino, os átomos são empilhados em um
arranjo ordenado chamado de rede (estrutura cristalina).
2.2 Propriedades Mecânicas.
A resistência ao escoamento, a resistência à tração e a resistência à
fadiga são determinadas pela resistência à deformação plástica. A
deformação plástica é a distorção permanente do metal e resulta do
cisalhamento ao longo das camadas de átomos. A deformação plástica é
facilitada pela presença de imperfeições localizadas na rede
cristalina. Essas imperfeições da rede são chamadas de discordâncias e
estão presentes em grande número em todos os metais e ligas comerciais.
Se a resistência ao movimento das discordâncias puder ser aumentada, a
resistência mecânica do metal pode ser aumentada.
2.3 Condutividade Elétrica.
A condutividade elétrica é uma medida da facilidade com que os elétrons
podem se mover dentro de um material. Bons condutores de eletricidade
têm elétrons fracamente ligados na rede atômica ou estrutura cristalina
e são relativamente livres de obstáculos ao movimento desses elétrons.
Metais têm maior condutividade do que não metais, mas mesmo dentro dos
metais há uma ampla faixa de condutividade. Uma rede perfeita é aquela
em que não há interrupção no arranjo ordenado dos átomos que compõem o
material. Essa situação oferece o menor número de obstáculos ao fluxo
de elétrons e, portanto, a maior condutividade. Qualquer irregularidade
ou distorção da rede atômica impede o fluxo de elétrons. Fontes de tais
obstruções incluem átomos de elementos de liga e contornos de grãos
(onde ocorrem incompatibilidades de rede devido a diferentes
orientações cristalinas)(NT: Cada grão apresenta uma determinada
orientação cristalina). Obstruções adicionais são criadas quando os
processos de tratamento térmico precipitam elementos de liga nos
contornos de grãos para aumentar a resistência. O trabalho a frio
também cria obstruções ao fluxo de elétrons, devido à sua interrupção
da estrutura da rede. Durante as inspeções por END, é importante
observar que trincas e outras descontinuidades (falta de continuidade
metálica) também impedem o fluxo de elétrons.
2.3.1 Condutividade e Propriedades Mecânicas.
As
mesmas variáveis de composição química, tratamento térmico e usinagem
que determinam as propriedades mecânicas de um metal também determinam
sua condutividade elétrica e permeabilidade magnética. Como resultado,
foi obtida uma correlação entre a condutividade elétrica e as
propriedades mecânicas. Essa correlação não significa que o valor da
condutividade de um metal medirá de forma confiável suas propriedades
mecânicas. No entanto, para alguns metais,Uma mudança na condutividade
medida em relação a uma faixa de condutividade especificada ou uma
variação excessiva na condutividade dentro de uma determinada peça ou
amostra indica uma provável mudança nas propriedades mecânicas. Essa
mudança pode ser prejudicial ao desempenho do metal. Isso requer
investigação adicional de engenharia usando testes de dureza e outras
formas de teste para determinar a magnitude da mudança e a inutilidade
das peças para o uso. A correlação da medição da condutividade com as
propriedades mecânicas requer uma mudança claramente definida na
condutividade entre as várias ligas (composições químicas diversas),
têmperas ou tratamentos térmicos envolvidos. Existem diferenças na
condutividade e/ou permeabilidade entre diferentes ligas de muitos
metais, incluindo alumínio, cobre, magnésio, aço e titânio. Nem todas
as ligas em cada sistema são separáveis devido à sobreposição das
faixas de condutividade (relação não biunívoca). Se um material tiver
uma condutividade relativamente alta e o outro for relativamente baixo
dentro da faixa fornecida, a separação dos materiais é possível. Alguns
metais têm diferenças claramente definidas na condutividade ou
permeabilidade entre as têmperas padrão de tratamento térmico. Essa
situação existe para a maioria das ligas estruturais de alumínio,
muitas ligas de magnésio, algumas ligas de cobre e vários aços. Pouca
ou nenhuma diferença na condutividade é notada entre as várias
condições de tratamento térmico de ligas de titânio.
2.4 Propriedades Mecânicas de Metais Puros.
Um metal puro é aquele composto inteiramente de um único elemento.
Esses metais raramente são usados em aplicações estruturais e
geralmente são difíceis de preparar devido a problemas na remoção de
todos os traços de outros elementos. Eles têm resistência relativamente
baixa à deformação porque há poucos mecanismos para impedir o movimento
de discordâncias através do metal. Duas condições podem aumentar a
resistência dos metais puros. A resistência ao escoamento, que é uma
medida da primeira deformação plástica detectável, pode ser aumentada
muito ligeiramente pela diminuição do tamanho do grão. Um grão é um
pequeno volume do metal com os mesmos padrões repetitivos
tridimensionais de átomos. A maioria dos metais de engenharia é
composta por um grande número de grãos lado a lado separados pelos
contornos de grãos, geralmente não visíveis a olho nu. A diferença na
orientação da rede em grãos adjacentes fornece maior resistência ao
movimento de discordâncias. Um segundo mecanismo de fortalecimento para
metais puros é o trabalho a frio. O trabalho a frio multiplica o número
de discordâncias, e a interação entre discordâncias em diferentes
planos de rede aumenta a resistência a deformações adicionais.
2.5 Ligas (composição química).
A maioria dos metais de engenharia são ligas metálicas. Uma liga é
formada pela adição de um ou mais metais ou não metais a um metal base
para formar um metal com as propriedades desejadas. Os elementos de
liga são geralmente adicionados durante a fusão de um metal base e as
quantidades adicionadas são especificadas como uma faixa percentual. Os
elementos de liga podem estar em uma ou mais formas no estado
solidificado, dependendo da quantidade adicionada e da taxa de
resfriamento a partir da temperatura de fusão.Alguns elementos podem
ocupar posições de rede normalmente ocupadas por átomos do elemento
principal no material. A liga assim formada é chamada de solução sólida
substitucional. Átomos muito pequenos, como os de carbono, nitrogênio e
hidrogênio, ocupam posições entre os átomos do metal base para formar
soluções sólidas intersticiais. Essa ação pode, na verdade, alterar a
estrutura da rede, sendo um exemplo a adição de carbono ao ferro para
formar aço. Os elementos de liga também podem formar novas estruturas
de rede que são contínuas por todo o metal ou distribuídas como
pequenas partículas de vários tamanhos por todo o metal. A distribuição
dos elementos de liga depende da quantidade de elementos de liga
adicionados em relação à quantidade que pode ser tolerada na rede do
metal base e de sua mudança de solubilidade com a temperatura.
Figura 1. Tipos de Soluções Sólidas
2.5.1 Efeitos da Liga nas Propriedades Mecânicas.
Todas
as distribuições de elementos de liga aumentam a resistência de um
metal à deformação. O aumento da resistência resulta da interferência
dos átomos de liga de partículas formadas pelos átomos de liga com o
movimento de discordâncias ou pela geração de novas discordâncias. Esta
distribuição pode frequentemente ser modificada por tratamento térmico.
2.5.2 Efeitos da Liga na Condutividade.
A
condutividade de um metal diminui à medida que quantidades crescentes
de elementos de liga são adicionados. Mesmo pequenas quantidades de
átomos estranhos podem reduzir significativamente a condutividade.
Alguns elementos de liga têm um efeito muito maior na condutividade do
que outros. Geralmente, átomos que diferem mais severamente em tamanho
e distribuição de elétrons do metal base causam a maior diminuição na
condutividade. A distorção da rede causada pelos átomos de liga e
partículas de diferentes composições químicas inibe o fluxo de elétrons
através da rede. Devido às variações na composição química resultantes
das tolerâncias nas adições de liga, uma faixa de condutividade em vez
de um valor específico de condutividade é obtida para cada liga.
2.6 Tratamento Térmico.
As propriedades dos metais podem ser alteradas modificando o número e a
distribuição de discordâncias, átomos de liga e partículas de
diferentes composições. Essas mudanças podem ser realizadas por meio de
vários tipos de tratamento térmico. Os três principais tipos de
tratamento térmico são: (1) recozimento, (2) tratamento térmico de
solução e (3) tratamento térmico de precipitação ou envelhecimento
artificial.
2.6.1 Recozimento.
No
recozimento, o metal é aquecido a uma temperatura suficientemente alta
para remover os efeitos do trabalho a frio por redistribuição de
discordâncias e, em alguns casos, pela formação de novos grãos livres
de tensões (recristalização). Durante o recozimento de ligas, a
temperatura é selecionada suficientemente alta para permitir que os
átomos de liga migrem facilmente. No entanto, essa temperatura
selecionada é suficientemente abaixo da solubilidade máxima para
favorecer a formação de partículas e compostos separados pelos átomos
de liga.O resfriamento lento da temperatura de recozimento incentiva
ainda mais átomos de liga a se moverem de suas posições aleatórias na
rede do metal base para auxiliar no crescimento de compostos
secundários maiores.
2.6.1.1 Efeitos do Recozimento nas Propriedades Mecânicas.
O
recozimento remove muitos dos obstáculos ao fluxo plástico, como
discordâncias interativas, os numerosos átomos de liga individuais e
partículas finas que normalmente resistem à deformação plástica. Esses
processos geralmente resultam em metais de menor resistência e maior
ductilidade após o recozimento.
2.6.1.2 Efeitos do Recozimento na Condutividade.
O
processo de recozimento reduz os obstáculos ao fluxo de elétrons.
Portanto, o recozimento melhora a condutividade de um metal.
2.6.2 Tratamento Térmico em Solução.
O
número mínimo de átomos de liga ocupará sítios de rede do metal base
quando uma temperatura ligeiramente abaixo do ponto de fusão for
atingida. Em soluções sólidas intersticiais, o número máximo de átomos
ocupará posições intersticiais. À medida que as temperaturas diminuem,
os átomos de muitos elementos de liga tendem a se difundir e formar
compostos ou regiões separadas com uma rede diferente. Se o metal for
resfriado rapidamente, os átomos não têm tempo para se difundir e são
mantidos em suas posições originais da rede (retidos em solução). O
processo é chamado de tratamento térmico de solução. Qualquer atraso no
resfriamento rápido (têmpera retardada) ou uma taxa lenta de
resfriamento permitirá um aumento na difusão e reduzirá o número de
átomos de liga mantidos em solução.
2.6.2.1 Efeitos do Tratamento Térmico de Solução nas Propriedades Mecânicas.
Os
átomos de liga retidos nas posições da rede do metal base pelo
tratamento térmico de solução apresentam obstáculos ao movimento de
discordâncias. A resistência à deformação plástica aumenta a
resistência do metal. Em muitos casos, mais de um elemento de liga
contribui para a maior resistência das ligas. Taxas lentas de
resfriamento devido às temperaturas do tratamento térmico de solução ou
uma temperatura de tratamento térmico de solução muito baixa podem
reduzir a resistência da liga tratada termicamente.
2.6.2.2 Efeitos do Tratamento Térmico de Solução na Condutividade.
A
distorção e as tensões estabelecidas pela substituição dos átomos de
liga pelos do metal base reduzem a condutividade do metal. Quanto maior
o número de átomos de soluto de um material específico, maior será a
redução na condutividade. A presença de vacâncias na rede, causada pelo
tratamento térmico de solução, também perturba a estrutura eletrônica
de uma liga e contribui para uma menor condutividade.
2.6.3 Tratamento Térmico por Precipitação.
Se
uma liga foi tratada termicamente por solução para reter átomos na
mesma rede ocupada em alta temperatura, as propriedades podem ser ainda
mais modificadas por um tratamento de precipitação ou envelhecimento.
Durante um tratamento de precipitação, uma liga é aquecida a uma
temperatura que permitirá a difusão e a coalescência dos átomos de liga
para formar partículas microscópicas de diferentes composições e
estruturas de rede dentro do metal. O número, tamanho,e a distribuição
das partículas são controladas pelo tempo e pela temperatura do
processo de envelhecimento. As temperaturas são muito mais baixas do
que as necessárias para o tratamento térmico de solução ou recozimento.
Temperaturas mais baixas e tempos mais curtos resultam em tamanhos de
partículas menores. Temperaturas mais altas favorecem a formação de
partículas em menor número, porém maiores.
2.6.3.1 Efeitos do Tratamento por Precipitação nas Propriedades Mecânicas.
Os
tratamentos de precipitação ou envelhecimento são geralmente projetados
para aumentar a resistência das ligas, particularmente o limite de
escoamento. O reforço é realizado pela formação de pequenas partículas
de composição e estrutura de rede diferentes da rede original. As
pequenas partículas fornecem obstáculos ao movimento de discordâncias
nas quais os planos dos átomos deslizam uns sobre os outros, causando
deformação plástica. O maior reforço geralmente ocorre em uma faixa
específica de tamanho de partícula para um sistema de liga particular.
Em muitos casos, o envelhecimento é realizado sob condições projetadas
para fornecer uma combinação específica de resistência e ductilidade,
ou resistência à corrosão. À medida que o envelhecimento aumenta além
do tempo ou temperatura ideais, o tamanho das partículas aumenta e
ocorre um amolecimento gradual. Quando o material é envelhecido por um
tempo excessivo ou a uma temperatura muito alta, diz-se que está
superenvelhecido.
2.6.3.2 Efeitos do Endurecimento por Precipitação na Condutividade.
A
remoção de átomos estranhos da rede de origem durante o endurecimento
por precipitação remove grande parte da distorção da distribuição de
elétrons na rede. Essa ação favorece o movimento de elétrons através do
metal e resulta em maior condutividade. À medida que maiores
quantidades de átomos estranhos são removidos da solução e o
crescimento de partículas ocorre durante o superenvelhecimento, a
condutividade continua a aumentar.
2.7 Medição de Propriedades Mecânicas.
O método mais comum para determinar a resistência dos metais é por meio
de um ensaio de resistência à tração. No ensaio de resistência à
tração, um corpo de prova é removido do metal a ser testado, usinado em
uma configuração especificada e testado até que falhe (rompa). Isso é
realizado aplicando-se uma força de tração conhecida. A força de tração
é a tensão na qual ocorre uma quantidade conhecida de deformação
plástica, e a tensão de ruptura pode então ser determinada. Muitos
outros ensaios destrutivos podem ser realizados para estabelecer
propriedades como resistência ao impacto, sensibilidade ao entalhe
(tenacidade ao impacto) e resistência à fadiga. Todos esses métodos
exigem a destruição de uma seção da peça a ser testada e envolvem tempo
e custos consideráveis.
2.7.1 Ensaio de Dureza.
Uma
medida aproximada da resistência dos metais pode ser estabelecida por
meio de ensaios de dureza. A dureza é geralmente determinada pela
resistência de um metal à penetração de um indentador arredondado ou
pontiagudo pressionado na superfície com uma força estática conhecida.
A medição da dureza é baseada na profundidade de penetração do
indentador ou na área plana da indentação. Para muitos metais, foi
estabelecida uma correlação entre dureza e resistência à tração.A
dureza não fornece informações sobre ductilidade, embora medidores de
dureza portáteis estejam disponíveis; o acesso e a geometria geralmente
limitam seu uso.
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