minicurso 03: tensões residuais em componentes …µes residuais...17 the modern study of fatigue...
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Minicurso 03:
Tensões residuais em componentes mecânicos. Data: 16 e 17 de Setembro de 2014 Prof Telmo R Strohaecker Dr. Toni R Lima LAMEF UFRGS
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Produtos Fundidos ¬ Distintos processos de fabricação com excelente liberdade de forma ¬ fundição em areia, fundição em molde permanente, ¬ fundição em casca cerâmica Apresentam SEMPRE ¬ distribuição heterogênea de propriedades mecânicas ¬ tensões residuais ¬ defeitos de fundição
http://www.automotivebusiness.com.br/magma_schmidt.pdf
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3
Tensões Residuais em peças como soldadas são do nível do limite de escoamento (API 579)
-
Inherent Strain Method (3)
• Three-bar model for welding distortion prediction
– Welding distortion is caused by highly non-uniform temperature distribution in the welded region
– Only middle bar undergoes temperature change
– Elastic-perfect plastic material assumed
– Stress history in the middle bar
• OA: elastic compression
• AB: plastic compression
• BC: elastic tension
• CD: plastic tension
-
Inherent Strain Method (4)
-
14
Tensões Residuais em Soldas
A contração térmica após a solda gera um complexo
estado de tensões residuais da ordem do limite de
escoamento.
-
15
FADIGA
6
e
3
ut
10N'S
10NS9,0
e
ut
e
2
ut
S
S9,0log
3
1b
S
S9,0a
-
16
Ensaios de Fadiga Push – Pull
Flexão rotativa
Flexão alternada
-
17
The modern study of fatigue is generally dated from the work of A. Wohler, a technologist in the German railroad system in the mid-nineteenth century. Wohler was concerned by the failure of axles after various times in service, at loads considerably less than expected. A railcar axle is essentially a round beam in four-point bending, which produces a compressive stress along the top surface and a tensile stress along the bottom. After the axle has rotated a half turn, the bottom becomes the top and vice versa, so the stresses on a particular region of material at the surface varies sinusoidally from tension to compression and back again. This is now known as fully reversed fatigue loading.
-
18
Desenho esquemático de uma máquina de fadiga por flexão rotativa
-
19
-
20
-
21
S
N
S limite à fadiga = 1/2 tensão máx.~
Diagrama de Wohler - Curva S- N
Baixo ciclo – menos que 104 ciclos
Alto ciclo – 104 ou mais ciclos
-
22
Ensaios de Fadiga Push – Pull
Flexão rotativa
Flexão alternada
-
23
Estágios da Fadiga – Iniciação, Propagação estável e Fratura
-
24
Process of fatigue
-
25
-
26
Mecanismo de formação de intrusões/ extrusões em fadiga
-
27
Estágio I - Nucleação:
• Região de maior tensão – usualmente superfície, porém subsuperficial é possível. • Formação de Intrusões – extrusões a partir da superfície do material. •Carregamento cíclico em tensão. •Requer deformação plástica – localizada.
-
28
Controle de Fadiga em Metais
Concentradores de tensão incentivam deformação plástica
A Nucleação de Trincas por Fadiga exige deformação plástica.
REMOVER CONCENTRADORES
AUMENTAR A RESISTÊNCIA
– Inclusões e porosidades são
concentradores de tensões
- O aumento da resistência mecânica (e a resistência
a deformação) melhora o desempenho em fadiga.
-
29
Controle de Fadiga em Metais
Benéficos – Aumento da Resistência.
• Cementação
• Nitretação
• Têmpera por Indução.
• Encruamento.
– Tensões Residuais • Shot-peening.
• Rolamento de roscas.
– Diminuição de inclusões.
– Melhoria do Acabamento Superficial
Deletérios – Diminuir Resistência.
• Descarbonetação.
• Superaquecimento.
• Recozimento.
– Tensões Residuais • Revestimento Cr-Ni.
– Inclusões.
– Mau acabamento • Marcas de Ferramenta.
-
30
Stre
ss, s
Cycles (Log N)
Aumento
Tensões
Trativas
MAS
-
31
Stre
ss, s
Cycles (Log N)
Aumento
Tensões
Trativas
MAS
ou
Descarbonetação
Acabamento
Fósforo
Defeitos..
-
32
Stre
ss, s
Cycles (Log N)
Cementita em contorno
MAS
-
33
Stre
ss, s
Cycles (Log N)
Austenita Retida
MAS
-
34
-
35
-
36
-
37
Efeito do acabamento superficial na resposta em fadiga
-
38
Safe-Life Fatigue (S-N Curve). Finite or infinite life:
Used when inspection impossible or uneconomical.
Rivets. Aerospace (Satellites).
Log Stress Cycles
104 105 106 107 108
Stre
ss (
MPa
)
S-N Curve
Finite Life Stress
– Stresses and strains assessed to
calculate fatigue life using S-N
curve.
Infinite Life Stress
Fatigue Limit
or
– Stresses maintained below
fatigue limit.
-
39
S-N: Effect of Mean Stress. The fatigue life is improved by compressive
stress. St
ress
, s
Cycles (Log N)
Increasing mean compressive stress
UTS
mfata
s
sss 1
The Goodman Relationship.
strength tensile
0at limit endurance
stressmean
at limit endurance
UTS
mfat
m
ma
s
ss
s
ss
-
40
S-N: Effect of Mean Stress.
The fatigue life is improved by compressive stress.
Stre
ss, s
Cycles (Log N)
Aumento tensões
compressivas
-
41
-
42
www.lamef.demet.ufrgs.br
Exemplo de peça temperada por indução
-
43
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44
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45
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46
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47
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48
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49
As tensões máximas devem ser inferiores ao limite de fadiga
Análise de Tensões
Log Stress Cycles
104 105 106 107 108
Stre
ss (
MP
a)
Dados de Fadiga + =
Safe Life
Projeto considerando fadiga.
-
50
D - Butt weld w/ good toe
D D
-
51
-
52
Thus a material with a higher fracture toughness permits a longer crack at a given stress or a higher stress at a given crack length.
-
53
-
54
Tensões Residuais em Soldas
A contração térmica após a solda gera um complexo
estado de tensões residuais da ordem do limite de
escoamento.
-
55
O pé do cordão de solda age como um concentrador de tensões
-
56
E - Butt weld w/ bad toe
-
57
Good - grind off reinforcement
-
58
Good - burr grind weld toe
-
59
Very good - full face grinding
-
60
Shot peened do pé do cordão de solda
-
61
Refusão do pé-do-cordão (laser)
-
62
Soldas de Chapas
Componentes para indústria leve são fabricados com chapas de 1/2” ou menores e não apresentam alto nível de tensões oriundas da fabricação.
Na indústria pesada presume-se que os componentes são fabricados com chapas com espessura maior que 1” e apresentam alto nível de tensões oriundas da fabricação.
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63
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64
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65
-
66
-
67
-
68
-
69
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70
Teoria da Expansão a Frio
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71
Melhoria da vida em fadiga
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72
Shot Peening
-
73
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74
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75
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76
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77
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78
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79
-
Avaliação de Autofretagem
• Spool sendo reautofretado
-
PROJETOS
15
Nossa engenharia consultou empresa similar nos USA que enfrentou o
mesmo problema.
A solução adotada foi a troca preventiva de praticamente todo o reator
um custo estimado de U$ 3 milhões.
Ouvimos um consultor estrangeiro do Imperial College of London.
Era possível re-autofretar os tubos preventivamente restabelecendo a
condição de projeto.
Não precisou a causa e recomendou a reautofretagem de 60 tubos o que nos
custaria algo ao redor de U$ 100 mil .
Consultamos a UFRGS que desenvolveu um estudo onde foi mapeado a
região de maior perda de autofretagem.
A causa foi identificada e apenas 26 tubos foram substituídos a um custo
de aproximadamente US 50 mil
18º Congresso de Manutenção – ABRAMAN 2003
-
82
-
83
Autofretagem
-
The tube (a) is subjected to internal pressure past its elastic limit (b), leaving an inner layer of compressively stressed metal
-
How to raise the endurance strength
1. Autofrettage
-
86
Preventing Fatigue. Fastenings.
– Cold expansion using mandrel.
Autofrettage. – Cold expansion by pressurisation.
Stress
x
Yielding
Stress
x
Compressive residual stress
Rivets
Pressure Vessels
-
87
Plataformas Flutuantes
-
Figura - Desenho esquemático de um campo produtor offshore.
-
Histórico do grupo de trabalho
-
91
Gancho para Ancoragem de Plataformas Flutuantes
Tensão equivalente - 482ton Tensão principal máxima - 200ton
Aplicação da Pré-carga
-
92
Gancho para Ancoragem de Plataformas Flutuantes
Tensão equivalente residual Tensão principal residual
-
93
Gancho para Ancoragem de Plataformas Flutuantes
Tensão equivalente - 482ton Tensão principal máxima - 200ton
Condição de operação
-
P38 – Manilha de Ancoragem
-
P38 – Manilha de Ancoragem
-
CAD MESHING FEA TESTING
ANALISYS AND TESTING
Shackle
100
-
101
-
102
-
103
CLASSIFICAÇÃO DA CLASSE DE JUNTAS
SOLDADAS EM TERMOS DE DESEMPENHO EM
FADIGA
-
104
-
105
Effect of increase in tensile strength on fatigue life.
-
106
B - Longitudinal butt
B
-
107
C - longit. Butt w/ Reinforcement
C
-
108
C - Transverse Butt, Machined C
-
109
D - Long. Butt w/ Start-stop F2 D
-
110
D - Butt weld w/ good toe
D D
-
111
E - Butt weld w/ bad toe
E
-
112
F2 - Trans. butt in rolled section
F2
-
Tab. 3.5-4a: FAT classes for use with nominal stress at joints improved by hammer peening Max possible FAT after improvement FAT 112 FAT 125 FAT 56
IIW Fatigue Recommendations IIW-1823-07/XIII-2151r4-07/XV-1254r4-07 Dec. 2008
Figure (3.2)-2: Fatigue resistance S-N curves for steel, normal stress, very high cycles applications
-
SAW Longitudinal | U-O-E
Diâmetros Externos 12 ¾” a 48” Espessuras 0,250” a 1,250”
-
Análise de Tensões Residuais em
Tubos Autofretados
0
150
300
450
600
750
900
1050
1200
1350
1500
0 50 100 150 200 250 300 350
Tempo [min]
De
form
ação
[u
m/m
]
Longitudinal_1
Tangencial_1
Longitudinal_2
Tangencial_2
-
Highlights of SP SAR within StorHy
Survey - Crosscutting of RCS - StorHy-System improvement – Comments on several test procedures - QM during autofrettage - Conclusions
An important part of the manufacturing process of containments with a load sharing liner is the autofrettage process:
-
117
Curva típica de crescimento de trinca.
-
118
-
119
Fatigue Crack Growth - Variable Amplitude Loading
-
120
Stationary and Non-Stationary Loading
-
121
Typical Loading Histories
-
Sequência
122
-
Taxa de Crescimento
123
-
Sequência e Taxa de Crescimento
124
-
Taxa de Crescimento de Trinca
125
-
Campo de Tensões após sobre-carga
126
-
Retardo de Crescimento de Trinca
127
-
128
Retardo devido a sobrecarga trativa e trativa e
compressiva
-
Melhoria da Geometria
129
Retardo devido a sobrecarga trativa.
-
130
Load Interaction Effects
Application of a single
overload is observed
cause a decrease in crack
growth rate.
This phenomenon is termed
Crack Retardation
Time
Lo
ad
OVERLOAD (OL)
Cra
ck
Le
ng
th, a
N (Cycles)
Overload Point
Growth w/o OL
Growth with OL
-
CRACK CLOSURE
Crack
Wake of Residual Deformation
Plastic Zone at Crack Tip
-Depends on the crack
length, applied stress
and yield stress
Crack closure argument is used to explain the effects of stress ratio and threshold SIF (∆Kth)
-
CRACK CLOSURE
B. Crack Faces
in Contact
C. Faces in Full
Contact
Crack Closure Phenomenon:
Crack surfaces contact each
other before zero load is reached
s (
str
ess)
A
B
C
Time
Wake of Plastically
Deformed Material Crack Face
Plastic
Zone
A. Crack Fully
Open
-
133
Retardation due to an Overload
-
134
Retardation due to an Overload
Crack growth rate does
Not reach a minimum
Immediately after the
over load application.
Minimum reached after
a crack growth of
~ 1/8 to 1/4 overload
plastic zone
Delayed Retardation
da
/dN
, m
m/C
yc
le
10-5
10-4
5
2
5
2
0 1 2 3 4
Distance from the overload, mm
Overload
Applied Here
-
135
Retardation due to an Overload
-
136
Fatigue Crack Growth - Effect of Overloads
-
137
Fatigue Crack Growth - Effect of Overloads
-
138
-
139
-
140
Willenborg Crack Tip Plasticity Model
Model is based on the assumption that retardation is caused
by compressive residual stresses acting on the crack tip.
ai
Plastic Zone
Elastic Material
Surrounding the
Plastic zone
Overload Applied
Elastic Material Exerting
Compressive stress
On the plastic zone
ai
Plastic Zone
Overload Removed
Effective SIF is lowered due to
crack tip compressive residual stress.
-
141
Stress Fields After Overload
-
142
CRACK CLOSURE
Crack
Wake of Residual Deformation
Plastic Zone at Crack Tip
-Depends on the crack
length, applied stress
and yield stress
Crack closure argument is used to explain the effects of stress ratio and threshold SIF (∆Kth)
-
143
Crack closure
Crack
open
Crack
closed
Plastic wake New plastic deformation
-
144
Crack Closure Mechanisms
.
-
145
Fatigue Resistant Design- Example
The cross section of a prototype gun barrel is shown in the figure.
Under repeated firing the barrel rapidly develops an array of 40
radial cracks, which undergo fatigue growth as a result of the cyclic
pressurization. Based on a design pressure of 400 MPa, the Gun
barrel is required to have a wear life of 10,000 rounds. Does the
proposed barrel meet the specification?
As a modification it is proposed that the barrel be fully
autofrettaged. What is the fatigue life of the modified barrel?
A new round is proposed which would operate at a higher pressure.
What is maximum working pressure of the autofrettaged barrel
which would meet the original life Specification of 10000 rounds?
Example from “The Mechanics of Fracture and Fatigue”
by A. P. Parker, E. & F. N. Spon Ltd Publisher, pp 151-157.
-
146
Fatigue Resistant Design- Example (Cont.)
Material Properties:
sYS 1200 MPa, K
IC 90 MPa m,
Paris constants m= 3.1 and C = 1.455x10 -11
when da
dN is in m/cycle and
K is MPa m,
Autofrettaging:
A process in which high pressures are applied to the bore
during manufacture in order to induce internal yielding,
and hence an advantageous compressive Stress field
near the bore.
-
147
Distribuição de Tensões
Autofretagem
-
148
Canhão
-
149
Distribuição de Tensões
Autofretagem
-
150
Canhão
-
151
Fatigue Resistant Design- Example (Cont.)
100 mm
50 mm
W= 50 mm
Pressure, p
-
152
KI = Q p a
100 mm
50 mm
W= 50 mm
Press,
p
Fatigue Resistant Design- Example (Cont.)
Non-autofrettaged
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 a/W
Q
3.
2.
1.
0
-
153
Fatigue Resistant Design- Example (Cont.)
Fatigue (wear) Life of Non-Autofrettaged Gun Barrel, p = 400 MPa
Life of the barrel is only 1012 rounds and does not meet the spec.
Q K
MPa√m
0 . 005
0 . 0075
0 . 01
0 . 0125
0 . 015
0 . 0075
0 . 01
0 . 0125
0 . 015
0 . 0158
0 . 00625
0 . 00875
0 . 01125
0 . 01375
0 . 0154
1 . 271
1 . 134
1 . 069
1 . 0256
1 . 01
71 . 22
75 . 22
80 . 41
85 . 265
88 . 85
312
261
212
177
50
312
573
785
962
1012
ai (m) ai+1 (m) aavg(m) N SN
-
154
Fatigue Resistant Design- Example (Cont.)
100 mm
50 mm
W= 50 mm
Pressure, p
-
155
KI = Q p a
100 mm
50 mm
W= 50 mm
Press,
p
Fatigue Resistant Design- Example (Cont.)
Non-autofrettaged
Autofrettaged sy/p = 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 a/W
Q
3.
2.
1.
0
-
156
KI = Q p a
100 mm
50 mm
W= 50 mm
Press,
p
Fatigue Resistant Design- Example (Cont.)
Non-autofrettaged
Autofrettaged sy/p = 3.5
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 a/W
Q
3.
2.
1.
0
-
157
KI = Q p a
100 mm
50 mm
W= 50 mm
Press,
p
Fatigue Resistant Design- Example (Cont.)
Non-autofrettaged
Autofrettaged sy/p = 3.5
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 a/W
Q
3.
2.
1.
0
-
158
Fatigue Resistant Design- Example (Cont.)
Solution: Modified Design; Autofrettaged
Calculate the critical crack length by iteration KI = Q p a
KI= Q p a
cr K
I= 90 a
cr 0.02775 m
Modified design has a life of 58,604 rounds.
More than adequate.
Q K
MPa√m
ai (m) ai+1 (m) aavg(m) N SN
0 005 0 . 01 0 . 015 0 . 02 0 . 025
0 01 0 . 015 0 . 02 0 . 025 0 . 02775
0 0075 0 . 0125 0 . 0175 0 . 0225 0 . 026375
0 29 0 . 375 0 . 48 0 . 6 0 . 71
17 . 81 29 . 72 45 . 02 63 . 81 81 . 75
45609 9325 2574 873 223
45609 54934 57508 58381 58604
-
159
Fatigue Resistant Design- Example (Cont.)
Solution: Modified Design; Autofrettaged. How much higher the
pressure can be to meet the original lifetime requirement of 10000?
Let us take p = 500 MPa.
Modified autofrettaged design meets the lifetime requirements
even with a 25%increase in the design pressure
KI = Q p acr KI = 90 acr 0.0225 m
ai(m) a
i+1(m) a
avg(m) Q K
MPa m
N S N
0.0050.00750.010.01250.0150.01750.02
0.00750.010.01250.0150.01750.020.0225
0.00630.00880.01130.01380.01630.01880.0213
0.430.4450.470.4910.5050.5670.6525
30.1336.8944.1851.0257.0568.8184.30
446823861364873618346184
446868548218909197091005410238
-
Considerações Gerais
• Atualmente, não existe um método barato, simples e reprodutível de medida direta das tensões residuais. • O limite máximo das tensões residuais, em módulo, é a tensão de escoamento local do material.
-
Considerações Gerais
Tensão Residual
Tensão Aplicada
Tensão Efetiva
-
Considerações Gerais • Dimensões da técnica;
• Representatividade das medidas;
• Conhecimento prévio;
• “medida das tensões residuais”.
-
Classificação dos Métodos
• Métodos destrutivos: (Métodos do Furo, de Remoção de Camada, do Seccionamento)
• Métodos não–destrutivos: (Métodos de Difração (Nêutrons e raios X), Métodos Magnéticos, Métodos de Ultra-som, Simulação numérica.
-
Critérios de seleção
1. Natureza do material;
2. Classe de tensões residuais presentes no material;
3. Distribuição das tensões residuais no componente;
4. A geometria do componente;
5. Onde a medida será realizada ;
6. Tipo de intervenção;
7. Tempo de análise e apresentação dos resultados;
8. Precisão e reprodutibilidade do método;
9. Custo final da medida.
-
Medida das Tensões Residuais Método do furo Seccionamento
Profundidade 0,02-15 mm > 1 mm
Precisão ± 20 MPa ± 10 MPa
Sistema portátil Sim Sim
Difração de neutrons Raios-X
Profundidade 2-50 mm
1-50mm(END) -
2-50 mm (ED)
Precisão ±30 MPa ±20 MPa
Sistema portátil Não Sim
-
Critérios de seleção •National Physics Laboratory, Inglaterra, 2001
•www.npl.co.uk
-
Método do Furo Cego
-
Método do Furo Cego Método destrutivo
baseado no princípio de equilíbrio de tensões residuais.
O procedimento padrão se baseia
na medida da deformação produzida pela relaxação e redistribuição das tensões
residuais induzidas pela usinagem de um pequeno furo na superfície
do material.
-
Método do Furo Cego O Método do Furo data do trabalho pioneiro de Mathar
(1934) o qual utilizou um extensômetro mecânico para a medida das
deformações decorrentes do alívio de tensões nas vizinhanças de um
furo passante em uma chapa fina de um material contendo tensões
residuais.
Soete e Vancrombrugge (1950) obtiveram grande melhoria na
precisão do método, através da utilização de extensômetros de
resistência elétrica para a medida das deformações ao invés do
extensômetro mecânico.
-
Método do Furo Cego Kelsey publicou a primeira investigação da variação das
tensões residuais com a profundidade através do Método do Furo
em 1956. Kelsey também foi o primeiro a utilizar o furo cego ao invés
do furo passante.
As aplicações modernas do Método do Furo datam do
trabalho de Rendler e Vigness (1966). Eles desenvolveram o Método
do Furo Cego num procedimento sistemático e reprodutível e
também definiram a geometria dos extensômetros tipo roseta
estabelecida na norma
ASTM E 837.
-
Método do Furo Cego
-
Método do Furo Cego Bizark e Zochowski foram os primeiros a descreverem um método reprodutível para a medida das tensões residuais não uniformes em 1978. Em 1981, Schajer apresentou a calibração por elementos finitos para o cálculo das tensões residuais. Flaman utilizou a turbina de alta velocidade pela primeira vez em 1982. Schajer, em 1988, apresentou os métodos da Integral e das Séries de Potências, destinados ao calculo das tensões residuais distribuídas de maneira não uniforme com a profundidade.
-
Método do Furo Cego Em 1993, Kockelmann apresentou um método alternativo para o cálculo das tensões residuais distribuídas de maneira não uniforme com a profundidade, através da utilização de dados experimentais para a calibração. Neste mesmo ano, a empresa Micro Measurements lançou a Nota Técnica TN–503–4, indicando um procedimento básico para a determinação das tensões residuais uniformes em componentes mecânicos.
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Método do Furo Cego Neste método, um pequeno furo é usinado na superfície do componente contendo tensões residuais. A deformação na superfície, decorrente do alívio de tensões residuais é medida através de extensômetros de resistência elétrica especialmente desenvolvidos.
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Método do Furo Cego A deformação medida cai rapidamente com a distância a partir do inicio do furo. Deste modo, os extensômetros medem deformações referentes a um valor entre 25 e 40% do efeito das tensões residuais presentes na localidade do furo. A resolução do método é de 0,5 Dm, seguindo o principio de St. Venant, o qual diz que a resposta de deformação da superfície se torna rapidamente insensível aos efeitos das tensões no interior do componente a medida que se aumenta a distância da medida até a superfície. O procedimento indicado para a determinação das tensões residuais uniformes segue a norma ASTM E 837, onde o furo cego é usinado em apenas um passe.
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Método do Furo Cego
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BA 4
)2()(
4
2
213
2
1313
min
max
ss
Método do Furo Cego
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Método do Furo Cego
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Método do Furo Cego
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Método do Furo Cego
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Método do Furo Cego
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Método do Furo Cego
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Método do Furo Cego Procedimento geral:
1. Instalação dos extensômetros de resistência elétrica;
2. Montagem do equipamento de medição;
3. Posicionamento do equipamento de usinagem do furo;
4. Determinação da profundidade zero;
5. Calibração e zeragem dos Extensômetros;
6. Usinagem incremental do furo e medida das deformações;
7. Calculo das tensões residuais.
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Método do Furo Cego ASTM E 837–5 de 2001; Método da Integral: Grande variação com a profundidade; Calibração por simulação numérica. Método de Kockelmann: Grande variação com a profundidade; Calibração através de ensaios experimentais. Método das Séries de Potências: Tensões residuais variam suavemente com a profundidade; Calibração através da simulação numérica.
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Método do Furo Cego
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Método do Furo Cego
RS-200 Vishay
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Método do Furo Cego
MTS-3000 HBM
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Método do Furo Cego Além dos procedimentos e conceitos estipulados anteriormente, é importante levar em consideração que:
1) O método do furo é indicado para a medida das tensões residuais inferiores a 60% do limite de escoamento do material.
2) Quando as tensões residuais iniciais estão próximas do limite de escoamento do material, o concentrador de tensões causado pela presença do furo pode induzir o escoamento localizado da região, relaxando as tensões residuais.
3) De acordo com Beaney, um erro de 15% pode ser esperado quando a magnitude de tensões residuais for superior a 70% do limite de escoamento. Erros de 20% podem ser esperados quando as tensões residuais apresentam valores próximos a 90% do limite de escoamento do material.
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Método do Furo Cego 4) As constantes de calibração para todos os métodos são calculadas assumindo que o o material é homogêneo. Quando isto não ocorre (para materiais endurecidos, por exemplo) um decréscimo na precisão do método pode ser esperado.
5) A abrasão excessiva da superfície da amostra para a instalação dos extensômetros pode resultar em fontes significantes de erros experimentais.
6) Quando a tensão equivalente de von Mises é maior que 50% do limite de escoamento do material, pode ocorrer a plastificação localizada nas vizinhanças do furo gerando erro nas medidas de deformação e conseqüentemente no cálculo das tensões residuais presentes.
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Método do Furo Cego 8) A máxima profundidade de relaxação de deformação medida depende do diâmetro médio do extensômetro tipo roseta, onde o diâmetro do furo influencia na magnitude da deformação medida, desde que a forma da curva deformação contra profundidade é qualitativamente determinada por Dm e quantitativamente determinada por Df.
9) O estado de tensões residuais fora da vizinhança do furo não afeta a deformação medida. Contudo, recomenda-se que a distância média entre furos adjacentes seja de pelo menos seis vezes o diâmetro do furo.
10) Devido ao volume relativamente grande de material removido, o método do furo é sensível apenas a medida das macrotensões residuais.
11) A habilidade do operador foi identificada como sendo, provavelmente, o parâmetro mais importante para o alcance de medidas de qualidade e reprodutibilidade das tensões residuais pelo Método do Furo.
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Apresentação dos Casos Práticos
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Caso 1 – Integridade estrutural do reator de uma indústria petroquímica.
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Caso 2 – Homologação de Ganchos KS da Petrobras.
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Caso 3 – Estudo do estado de tensões em oleoduto da Transpetro.
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Caso 1 – Integridade estrutural do reator de uma indústria petroquímica.
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Descrição do Reator
S-104
S-82
S-65
Entrada do eteno
Saída do polietileno
Objeto de estudo: reator tubular de uma indústria Petroquímica
Função do reator: Polimerização do eteno formando polietileno.
Dimensões:
108 trechos retos de 8m e 27 curvas
Di = 56mm
De = 140mm
Espessura = 42mm
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Descrição do caso
Dados de operação:
Pmáx de trabalho = 285MPa
Tmáx de trabalho = 330ºC
Decomposições
Degradação das cadeias poliméricas formadas ou em formação.
Temperatura de 1200ºC
Tempo de 3s acima de 1000ºC
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Fabricação dos tubos
Material: AISI 4333
Tratamento térmico: temperado e revenido
Processo de fabricação: Extrusão a quente
Autofretagem:
Pressão de autofretagem = 765MPa
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Autofretagem
Distribuição de tensões em tubo de parede espessa.
Distribuição da tensão residual tangencial em tubo autofretado.
Vantagens:
• Aumento da capacidade de carga
• Aumento da vida em fadiga
• Aumento da resistência a corrosão
• Diminuição da taxa de crescimento de trinca
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Problema Verificado
S-104
S-82
S-65
Entrada do eteno
Saída do polietileno
Fractografia da parede do tubo 82. Pontos múltiplos de nucleação de trinca.
O reator operou sem problemas por 18 anos.
No período de alguns meses passou a apresentar algumas falhas.
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Hipótese e Objetivos
Hipótese:
Houve perda de autofretagem devido às decomposições.
Objetivos:
1. Avaliação da integridade estrutural dos tubos do reator.
2. Recuperação da integridade estrutural.
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Método do Furo
Método de Sachs
MEF
Monitoramento da Reautofretagem
MEF
Procedimento Integridade Estrutural de Tubos
Autofretados
Determinação da Causa das Falhas
Recuperação da Integridade Estrutural
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Determinação da causa das falhas Método do Furo
Objetivos:
Determinação experimental da distribuição de tensões residuais na parede do tubo.
-
Determinação da causa das falhas Método da remoção de camada de Sachs
120
56 m
m
42 m
m
Roseta 1
Roseta 3Roseta 2
100 mm
200 mm
Objetivos:
Determinação experimental da distribuição de tensões residuais na parede do tubo.
S-104
S-82
S-65
Entrada do
eteno
Saída do
polietileno
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Determinação da causa das falhas Método dos Elementos Finitos
Objetivo:
Verificar se a temperatura de decomposição pode alterar o campo de tensões.
Análise Estrutural
Obtenção das tensões residuais resultantes da
autofretagem
Obtenção das tensões residuais resultantes do
super-aquecimento
Obtenção do gradiente de temperatura
Autofretagem
Condições de operação
Superaquecimento
Resfriamento
Análise Térmica
-
Determinação da causa das falhas Resultados Métodos Experimentais
Houve perda de autofretagem para todas as amostras analisadas.
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
17 MPa
60 MPa52 MPa
23 MPa29 MPa
185 MPa
268 MPa
328 MPa
300 MPa
456 MPa
smáx
smin
Te
nsõ
es
Re
sid
ua
is (
MP
a)
Profundidade (mm)
Método do furo na superfície interna do tubo.
Método da remoção de camada de Sachs.
-450
-300
-150
0
150
300
450
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Camada Removida [mm]
Te
nsã
o T
an
ge
ncia
l [M
Pa
]
65 82 104 128
Pi
-
Determinação da causa das falhas Resultados Método dos Elementos Finitos
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
0 6 12 18 24 30 36 42
Distância [mm]
Tensão [M
Pa]
Tangencial
Von Mises
Pi
Pe
Distribuição de TR na parede do tubo após a autofretagem.
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
0 6 12 18 24 30 36 42
Distância [mm]
Te
nsã
o [M
Pa
]
Tangencial
Longitudinal
Von Mises
Pi
Pe
Distribuição de TR na parede do tubo após o processo de decomposição.
Comprova-se que a temperatura de decomposição pode ter conduzido à perda de autofretagem.
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Recuperação da Integridade Estrutural Método dos Elementos Finitos
Objetivo:
Verificar se é possível recuperar as TR compressivas submetendo o tubo a uma reautofretagem.
Análise Estrutural
Obtenção das tensões residuais resultantes da
autofretagem
Obtenção das tensões residuais resultantes do
super-aquecimento
Obtenção do gradiente de temperatura
Autofretagem
Condições de operação
Superaquecimento
Resfriamento
Análise Térmica
Obtenção da distribuição de tensões em operação
Reaplicação das condições de operação
Reautofretagem
-
Recuperação da Integridade Estrutural Monitoramento da reautofretagem
Objetivo:
Determinar o nível de perda de autofretagem para cada segmento reautofretado.
B
C
A
Princípio do método
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Recuperação da Integridade Estrutural Monitoramento da reautofretagem
8000mm
Tubo preparado para o ensaio. Preautof. = Pautof. Orig. = 765 MPa = 7800 kgf/cm2
-
Recuperação da Integridade Estrutural Resultado / MEF
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
0 6 12 18 24 30 36 42
Distância [mm]
Tensão [M
Pa]
Tangencial
Von Mises
Pi
Pe
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
0 6 12 18 24 30 36 42
Distância [mm]
Tensão [M
Pa]
Tangencial
Von Mises
Pi
Pe
Distribuição de TR na parede do tubo após a autofretagem.
Distribuição de TR na parede do tubo após a reautofretagem.
O estado de TR pode ser recuperado com sucesso através do processo de reautofretagem.
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Recuperação da Integridade Estrutural Resultado / Monitoramento da reautofretagem
Verifica-se a existência de uma regiao onde a perda de autofretagem é maior.
Perfil de perda de autofretagem ao longo do reator.
Localização dos tubos ensaiados.
SS-4
SS-7
SS-8
SS-2
S-130 S-131
S-84
S-46
S-66
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Caso 2 – Homologação de Ganchos KS da Petrobras.
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Os ganchos KS para ancoragem de plataformas.
Este gancho permite a ancoragem de plataformas em águas profundas (3km de lâmina d’água)
1,2m de comprimento e 420kgf.
Possibilita a conexão e desconexão de linhas de ancoragem, que permite a retirada e recolocação de uma linha para inspeção e manutenção, sem a necessidade de descravação da âncora, com grande economia de recursos.
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Os ganchos KS para ancoragem de plataformas.
Idealizado por Komura e Senquini em 1997, teve o seu desenvolvimento orientado por duas questões básicas:
Estrutural: dimensões apropriadas do gancho para que ele suporte as forças a que será submetido em serviço.
Funcional: operacionalidade do gancho, sua capacidade de ser conectado e desconectado por um robô em grandes profundidades.
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Introdução de TR compressivas na curvatura interna do gancho.
Vantagens:
Aumento da vida em fadiga;
Diminuição da taxa de propagação de trinca;
Aumento da carga de trabalho.
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Ensaio para introdução de TR compressiva.
Carga total: 13573 kN.
Plastificação de uma região da curvatura interna do gancho pela aplicação de carregamento de tração.
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Determinação dos valores das TR pelo método do furo. Localização do ponto de medição.
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Instrumentação e montagem do equipamento de medição.
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Resultado e Conclusão
-1000
-800
-600
-400
-200
0
200
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Profundidade [mm]
Te
nsã
o R
esid
ua
l [M
Pa
]
Tensão principal máxima
Tensão principal mínima
Distribuição de TR ao longo da profundidade.
Verifica-se a existência de um estado de tensão residual altamente compressivo.
O processo de introdução de TR foi executado com sucesso.
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Homologação do Gancho KS 50.
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Caso 3 – Estudo do estado de tensões em oleoduto da Transpetro.
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Apresentação do Problema.
Necessidade de abaixamento de um trecho de um oleoduto no município de Itapoá / SC a fim de aumentar a profundidade de um rio.
Abaixamento com a linha em operação.
-
Apresentação do Problema.
Vista aérea da região
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Etapas para execução da obra
De acordo com a recomendação prática API 1117
Movement of In-Service Pipeline
1- topografia
2- escoramento
3- escavação e instalação de suportes
4- abaixamento
5- berço de areia
6- reaterro e remoção de escoramento
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Condições básicas para movimentação.
Garantir que no trecho a ser movimentado não haja:
1- esforços residuais elevados decorrentes de montagem forçada;
2- Defeitos em juntas soldadas;
3- corrosão interna ou externa;
4- Defeitos superficiais severos, concentradores de tensões.
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Características do duto.
Diâmetro ext. = 30” (76,2 cm)
Diâmetro int. = 28,88” (73,35 cm)
Material = API 5L X46
Pmáx. Adm. = 70 kgf/cm2
Peso do duto = 263,7 kgf/m
Peso do produto = 346,4kgf/m
Rebaixamento = 1,5 m
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Determinação do estado de tensões no duto.
A medição realizada permite avaliar o nível de tensões existente atualmente no duto e prever, analiticamente, se o duto vai suportar as tensões durante o rebaixamento.
Estado de Tensões no Duto
Tensões Residuais
Tensões devido ao peso próprio
Tensões devido ao empuxo
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Determinação do estado de tensões.
Método empregado: Método do furo
Sistema de Aquisição de dados:
Unidade de medição e condicionamento de sinal Spider 8-30 da HBM.
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Determinação dos pontos de medição.
1 2 3 4 5
Foram selecionados 5 pontos de medição ao longo do duto.
Seleção dos pontos críticos – a cargo da empresa responsável pela obra.
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Instrumentação e Medição .
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Resultados.
Estado de tensões no Ponto 1 2 Estado de tensões no Ponto
3 Estado de tensões no Ponto
1 2 3 4 5
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Súmula do Curso
• Aula 1 – Introdução sobre Tensões Residuais.
• Aula 2 – Medição das Tensões Residuais.
• Aula 3 – Determinação das Tensões Residuais.
• Aula 4 – Estudo de casos práticos.
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Súmula: Aula 3
Visão detalhada
Difração de Raios X;
Difração de Nêutrons;
Métodos Micromagnéticos;
Comparação de técnicas.
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Difração de raios X
-
Difração de raios X
-
Difração de raios X 1950 Primeiras aplicações do método de difração de raios X;
1960 industria automotiva;
1970 aplicações nas industrias aeroespacial e nuclear;
Desde então os últimos anos foram marcados pelo
desenvolvimento de equipamentos portáteis, detectores mais
sofisticados e medidas “In Situ” através da difração de
raios X em materiais cristalinos.
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Difração de raios X
-
Difração de raios X
-
Difração de raios X
-
Difração de raios X
)(*sin**1
2211
2 ss
s
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dd
o
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-
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Difração de raios X
-
Difração de raios X
0minmax0
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1
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E
hkl
-
Difração de raios X
-
Difração de raios X
-
Difração de raios X 3 Métodos derivados: Método do Ângulo Único, o qual utiliza um único ângulo de incidência da radiação, medindo-se a difração em detectores posicionados em duas direções diferentes. Método dos Dois Ângulos utiliza dois ângulos (geralmente 0° e 45°), sendo este mais utilizado nos Estados Unidos. Método do sen2 é o método mais utilizado na União Européia e no Japão. Este método é similar ao método dos dois ângulos, porém utiliza vários ângulos , sendo considerado estatisticamente mais preciso.
-
Variação para o dublete K para um aço simulado (211) utilizando a radiação CrK e o pico com 2 a 156°.
A material recozido; B e C materiais parcialmente endurecidos; D material completamente endurecido.
Difração de raios X
-
Difração de raios X cot*
d
d
(130° < 2 < 165°)
A radiação deve ser escolhida de modo a evitar ou minimizar a fluorescência da amostra, ou seja, a emissão de raios X pela amostra a ser analisada, pois esta reduz a resolução dos picos de difração.
A medida das tensões residuais por difração de raios X é considerada uma técnica não destrutiva quando restrita a análise superficial. Contudo, freqüentemente as análises sub-superficiais se fazem necessárias.
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Difração de raios X Equipamentos:
-
Difração de raios X Equipamentos:
-
Difração de raios X Equipamentos:
-
Difração de raios X Equipamentos:
-
Difração de raios X Equipamentos:
-
Difração de raios X Equipamentos:
-
Difração de raios X Equipamentos:
-
Difração de raios X
dZZ
ZZdZ
Z
ZZZ
Z
Z
d
Z
Z
d
dC 0
1
0
1
2111
)(6
)(2)()(
ssss
-
Difração de raios X
0
10
011 )(4)()(Z
ZZZZZ ddC sss
-
Difração de Nêutrons
-
Difração de Nêutrons
-
Métodos Micromagnéticos
-
Método Magnético
-
Método Magnético
Denomina-se permeabilidade relativa à capacidade do material intensificar a magnitude do campo externo através do alinhamento dos seus domínios magnéticos. Ela tem relação com a mobilidade dos domínios.
Efeitos de um campo magnético externo sobre os domínios:
O ferro é magnetizado na direção do
campo aplicado. A magnetização cria
um pólo magnético no ferro que é
inverso ao pólo do campo.
Deste modo ocorre a atração
entre a barra de ferro e o ímã.
Num material
ferromagnético,
livre, os
domínios
cancelam-se
uns aos outros.
Campo
magnético
externo.
-
Método Magnético
As propriedades magnéticas dos materiais podem ser divididas em duas categorias gerais: As Insensíveis à estrutura (Magnetização de saturação e resistividade elétrica). As sensíveis à estrutura (Permeabilidade, coercitividade, perdas por histerese, remanescência, estabilidade magnética). Estas propriedades são sensíveis às tensões mecânicas e à deformação plástica a que o material é submetido e também a variações da microestrutura do material, como a presença de fases microestruturais e de defeitos. Este fato possibilita a aplicação das medidas magnéticas para a inspeção não destrutiva de alterações em materiais.
Jiles, Recent Advances and Future Directions in Magnetic Materials, 2003
-
Método Magnético Jiles, Recent Advances and Future Directions in Magnetic Materials, 2003
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Método Magnético
B
H
Saturation
Rotation
Irreversible motion
Blochwall
Pinning
point Reversible motion
Ferromagnetischer
Werkstoff
Magnetische
Domänen
Blochwände
Externes Magnetfeld, H
Verschiebung der Blochwände
H H
Drehprozess
H
Ferromagnetic
material
Magnetic
domains
Bloch
walls
External magnetic field, H
Bloch wall motion Rotation
-
Método Magnético B [T]
H [A/cm]t
BW1
RP RPBW1
BW1
BW1
BW2
BW2
BW2
RP RP
Ferromagnetic materials
Magnetic domains
Bloch walls
Magnetization
Bloch wall movements
- BW1: Stress sensitive
- BW2: No interaction with
macrostresses
Rotation processes
- RP: Stress sensitive
SAB – BW1; SMB – BW2
-
Método Magnético
H [A/cm]
B [T]Macro-tensões
-> Elevam a densidade de energia elástica
-> Mudanças Microestruturais -> Movimentos das BW1 e RP
Tensões residuais -> Re-magnetização
Materiais com magnetostricção positiva
Tensões trativas (compressivas)
-> Elevam (reduzem) a susceptibilidade diferencial cdiff -> A Coercividade Hc is auterada para valores menores (maiores)
-
Método Magnético B [T]
H [A/cm]t
ferrite
martensite
-
Método Magnético
-
Método Magnético Primeiramente, é importante lembrar que um material será magnetizado até o ponto de saturação em uma dada velocidade determinada pela frequência de excitação (fH) e da intensidade do campo magnético aplicado (Hmax). Silva Jr. testou a influência da frequência de excitação na sensibilidade do método utilizando duas frequências de 10 e 100 Hz, constatando que a frequência de 100 Hz é mais sensível a baixos valores de tensões do que a frequência de 10 Hz. Campos magnéticos alternados de 100 A/cm de intensidade são indicados na literatura como bons valores para as medidas micromagnéticas.
-
Método Magnético Em geral, se a microestrutura é controlada, a dureza e a distribuição das tensões residuais podem ser avaliadas através da medida de Mmax e Hcm; O método é indireto, deste modo, faz–se necessária a utilização de uma etapa de calibração, para relacionar os parâmetros micromagnéticos com o estado de tensões residuais do material. Esta calibração pode ser realizada através de ensaios mecânicos ou através de outros métodos de determinação das tensões residuais, tais como, o Método de Difração de raios X e/ou o Método do Furo.
-
Método Magnético
3MA (Micromagnetic-Multi-Parameter- Microstructure and Stress Analysis) este trabalha com diversos parâmetros tais como: Ruído Barkhausen, Permeabilidade, Resistência Magnética tangencial, Coercitividade e Impedância das correntes parasitas.
-
Método Magnético
-
Método Magnético
H
B
H
B
Magnetic Hysteresis
B
H
Tangential Magnetic Field Analysis Eddy-current Impedance
Barkhausen Noise Incremental Permeability
H
B
-
Método Magnético
Wie wurde das gemessen ? Skala Y-Achse ?
0
1
2
3
4
5
6
7
0
Stress [MPa]
Bar
khau
sen
no
ise
am
plit
ud
e M
MA
X [
V]
Compression stress Tensile stress
- s + s
-
Método Magnético
Ruído magnético medido (série de pulsos)
Mínimos quadrados do sinal medido após vários ciclos
-
Método Magnético
-
Método Magnético
-
Método Magnético
-
Método Magnético B
H
-
Mmax para a fA de 10 MHz (0,01 mm)
Método Magnético
-
Hcm para a fA de 10 MHz (0,01 mm)
Método Magnético
-
Tensões Residuais para a fA de 10 MHz (0,01 mm)
Método Magnético
-
Tensões Residuais para a fA de 10 MHz (0,01 mm)
Método Magnético
-
Método Magnético
-
Método Magnético
relétricaA Cf
****
1
0
Onde: fA é a freqüência de análise em Hz, Celétrica é a condutividade elétrica em -1 m-1, 0 é a permeabilidade magnética no vácuo: 4 x 10–7 Hm-1 e r é a permeabilidade relativa do material analisado.
-
Método Magnético
relétricaA Cf
****
1
0
-
Método Magnético
-
Método Magnético
-
Método Magnético
-
Método Magnético
BarkTech agiliza avaliação de peças metálicas
http://www.usp.br/agen/bols/2006/rede1915.htm#primdestaq#primdestaq
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Método Magnético
(1) corresponde ao núcleo da unidade de magnetização, (2) corresponde a bobina de excitação da unidade de magnetização, (3) corresponde ao detector de fluxo magnético, (4) é a bobina sensora e (5) o núcleo ferromagnético desta bobina .
-
Método Magnético
3MA probe (Rotation field probe)
Sample
-
Método Magnético
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