Nesse estudo foram analisadas possíveis descontinuidades por meio do ensaio não destrutivo em corpos de aço AISI 4140 sujeitados a ensaios de compressão. A realização do ensaio não destrutivo de ultrassom permitiu a verificação da presença ou ausência de descontinuidades internas no material comprimido. Observou-se que o ensaio de compressão, equivalente ao processo de forjamento em matriz aberta, não originou descontinuidades internas no material e também eliminou os pequenos vazio internos, oriundos do processo de fundição que os corpos originalmente apresentavam. Desta forma, o processo de forjamento, além de propiciar melhoria nas propriedades mecânicas, também ocasiona o fechamento de vazios que surgem durante os processos de fabricação, tais como fundição e metalurgia do pó
O desenvolvimento de métodos não destrutivos tem mostrado alto potencial, aplicando-se na avaliação das propriedades dos materiais [1]. A determinação dos defeitos dos materiais usando ensaios não destrutivos é amplamente aplicada em diversas áreas das indústrias. A segurança na operação de veículos de transportes como aviões, trens, metrôs e balsas requer inspeções de componentes permanentes. A escolha apropriada do método não destrutivo é feita dependendo do tamanho dos defeitos a serem detectados e dependendo do material a ser inspecionado [2].
Os ensaios não destrutivos são fundamentais para a fabricação de componentes mecânicos, permitindo a inspeção sem prejudicar a operacionalidade do componente. É preciso detectar e caracterizar defeitos com o objetivo de prever suas influências sobre o desempenho dos componentes em condições de serviço [3].
Existem ensaios não destrutivos que não são eficientes para avaliar alterações das propriedades dos materiais devido à limitação de aferição somente na camada superficial do material avaliado, sabendo que há diferenças das propriedades mecânicas das regiões interna e periférica dos materiais. Entretanto, ensaios como o ultrassom são bastante eficientes para analisar propriedades internas dos materiais [4].
As técnicas de ensaios não destrutivos vêm sendo utilizadas como método de avaliação de estruturas metálicas, tanto na fase de projeto como na fase de construção. Muitas pesquisas estão sendo realizadas ligadas às indústrias em que há sistemas com tubulações, como empresas petrolíferas, refinarias, termoelétricas, dentre outras, devido a possíveis falhas que vêm aparecendo nas tubulações em sistemas de condução de fluido [5].
Inspeções por ultrassom para a avaliação de componentes mecânicos são as mais usadas hoje para verificação de descontinuidades internas nas indústrias devido à sua facilidade de operação [6].
Ultrassons são ondas acústicas com frequências acima do limite audível. Normalmente, as frequências ultrassônicas situam-se na faixa de 0,5 a 25 Mhz. Os ecos refletidos através do ensaio por ultrassom a partir das heterogeneidades ou descontinuidades presentes nos materiais ensaiados contêm informações pertencentes à localização, ao tamanho e às características dos defeitos. A detecção precisa e a localização dos defeitos são limitadas pela habilidade de interpretar de forma precisa a informação contida nos sinais ultrassônicos obtidos durante uma inspeção [7].
Geralmente, as dimensões reais de uma descontinuidade interna podem ser estimadas com uma razoável precisão por intermédio da altura dos ecos refletidos, fornecendo meios para que a peça possa ser aceita ou rejeitada, baseando-se nos critérios de aceitação da norma aplicável.
As maiores aplicações deste ensaio são os ensaios em soldas, laminados ou forjados, fundidos, materiais compostos, medição de espessura, oxidação ou corrosão etc.
Materiais e Métodos
Foram confeccionados 10 corpos de prova cilíndricos de aço AISI 4140 (0,41%C, 0,77%Mn, 0,02%P, 0,038%S, 0,21%Si, 0,98%Cr, 0,21%Mo), com 20 mm de diâmetro e 30 mm de altura. Os corpos sofreram uma redução de 60% em relação à altura inicial no ensaio de compressão realizado em uma prensa hidráulica com a capacidade de 40 ton e com a velocidade da ferramenta constante de 5mm/s. Para a realização do Ensaio Não Destrutivo (END) de ultrassom, representado na Figura 1, utilizou-se o aparelho de ultrassom, juntamente de seu sistema de monitoramento e um transdutor a partir de onde são detectadas as possíveis descontinuidades.
O END foi realizado antes e depois da realização do ensaio de compressão dos corpos de prova. Na Figura 2 é mostrada a medição por ultrassom da peça com o uso de um transdutor ligado ao aparelho e, por meio do sistema de monitoramento, é possível identificar se há presença de alguma descontinuidade interna.
Basicamente, o aparelho de ultrassom contém circuitos eletrônicos especiais que permitem transmitir ao cristal piezoelétrico, através do cabo coaxial, uma série de pulsos elétricos controlados, que são transformados pelo cristal em ondas ultrassônicas.
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 quanto na posição na tela graduada. Os ecos constituem o registro das descontinuidades encontradas no interior do material. O transdutor é formado pelos cristais, pelos eletrodos e emite um impulso ultrassônico que atravessa o material e reflete nas interfaces, originando o eco. O eco retorna ao transdutor e gera o sinal elétrico correspondente. O bloco-padrão é de material acusticamente semelhante ao da peça ensaiada e com espessura calibrada, pois se a calibração do aparelho for feita em blocos de materiais diferentes a precisão das medidas será afetada.
Para realizar a inspeção, o transdutor foi acoplado à peça, estabelecendo-se uma camada de ar entre o transdutor e a superfície da peça. Esta camada de ar impediu que as vibrações mecânicas produzidas pelo transdutor se propagassem para a peça em razão das características acústicas (impedância acústica) muito diferentes das do material a inspecionar. Por esta razão, foi utilizado um líquido acoplante que estabeleceu uma redução desta diferença e permitiu a passagem das vibrações para a peça.Com a realização do END, foi possível verificar a presença ou a ausência de descontinuidades internas a partir do ensaio não destrutivo de ultrassom.
Resultados
O julgamento das descontinuidades encontradas foi estabelecido de acordo com o procedimento escrito e a norma aplicável. As descontinuidades foram identificadas pelo seu comprimento e pela amplitude do eco de reflexão, que são quantidades mensuráveis pelo inspetor de ultrassom. Com o término das inspeções por ultrassom, identificaram-se as descontinuidades presentes. O corpo antes de forjado apresentou descontinuidades internas, enquanto o corpo, após ter sido forjado, não apresentou descontinuidades internas. No sistema de monitoramento, onde aparecem picos na curva do gráfico, são identificados como defeitos. Esses picos foram visualizados apenas na inspeção da peça antes de forjada, conforme mostra a Figura 3.
Conclusões
O forjamento, além de suprir melhores características das propriedades mecânicas dos materiais, também pode objetivar o fechamento de possíveis vazios que surgem durante os processos de fabricação, como, por exemplo, a fundição.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo financiamento das bolsas de estudo, ao Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) e à Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS).
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