FUNDAO ARMANDO ALVARES PENTEADO FACULDADE DE ENGENHARIA
ENGENHARIA MECNICA CARACTERIZAO MECNICA DE METAIS FERROMAGNTICOS
ATRAVES DO RUDO DE BARKHAUSEN Trabalho de Concluso de Curso.
Orientador: Professor Rodolfo Politano Claudio de Andrade Mura
Felipe Pardini Luccas Marco Longano Ferrante So Paulo 2011 FUNDAO
ARMANDO ALVARES PENTEADO Faculdade de Engenharia Engenharia Mecnica
CLAUDIO DE ANDRADE MURA FELIPE PARDINI LUCCAS MARCO LONGANO
FERRANTE CARACTERIZAO MECNICA DE METAIS FERROMAGNTICOS ATRAVES DO
RUDO DE BARKHAUSEN So Paulo 2011 CLAUDIO DE ANDRADE MURA FELIPE
PARDINI LUCCAS MARCO LONGANO FERRANTE CARACTERIZAO MECNICA DE
METAIS FERROMAGNTICOS ATRAVES DO RUDO DE BARKHAUSEN Trabalho
apresentado ao curso deengenharia mecnica, pela Fundao Armando
Alvares Penteado, como requisito parcial a obteno do grau em
bacharel em Engenharia Mecnica Orientador: Professor Rodolfo
Politano So Paulo 2011 CLAUDIO DE ANDRADE MURA FELIPE PARDINI
LUCCAS MARCO LONGANO FERRANTE CARACTERIZAO MECNICA DE METAIS
FERROMAGNTICOS ATRAVES DO RUDO DE BARKHAUSEN COMISSO EXAMINADORA:
___________________________________ Prof. Rodolfo Politano
___________________________________ Prof. Gustavo Mirapalheta
___________________________________ Prof. Gilberto Rocha So Paulo
2011 Em uma coisa os bbados e os gegrafos tm razo:a Terra gira J
Soares AGRADECIMENTOS Primeiramente, agradecemos a Deus, por nos
dar a oportunidade de estar formando ao lado de amigos.
Agradecemosaosparentespelaforadadadurantetodanossavidae
principalmente neste perodo de formao acadmica.
Tambmaosprofessoresquenosajudaramesempreestiverams
disposiesemespecialaoProf.RodolfoPolitanoeaoProf.SrgioPenedopor nos
auxiliarem durante este trabalho de concluso de curso.
Eporfimsnossasnamoradasenossosamigosquesemprenos incentivaram nos
momentos de desnimo. RESUMO
Nestetrabalhoofococorrelacionaramplitudeefreqnciaobtidaspelo Rudo
de Barkhausen juntamente com a tensodo ensaio de trao, para isso h
umaanalisedosdadosqueforamgeradosatravsdosensaiosocorrendo
simultaneamente.Assimpodemosproporousodeensaiosnodestrutivosem
certas aplicaes.
Palavras-Chave:RudodeBarkhausen/EnsaiodeTrao/Ensaiono Destrutivo
ABSTRACT Thescopeofthispaperistocorrelateamplitudeandfrequency
obtainedapplyingBarkhausenNoiseandtensionfromTractionTest,togetto
this results there is analysis of data from the both experiments
running together. So we can propose the use of Non-destructive
testing in some applications. Key-Words: Barkhausen Noise /
Traction Test / Non-destructive Testing LISTA DE SMBOLOS
Permeabilidade Magntica BInduo Magntica HEstimulao Magntico
mSusceptibilidade Magntica MMagnetizao Hmax Amplitude necessria
para levar o material magnetizao mxima MsSaturao Magntica
MrMagnetizao Remanente HcCampo Coercivo Tenso FFora S0rea da seo p
Tenso do limite plstico uTenso do limite de rupturaE Mdulo ou
limite de elasticidade Deformao nominal L0Comprimento inicial
LComprimento final vCoeficiente de Poisson GMdulo de elasticidade
transversal tTenso cisalhante yDeformao cisalhante mmMilmetro
AWGAmerican wire gauge AAmpere VVolts HzHertzKgfKilograma fora dB
decibel RResistor CCapacitor DCCorrente Contnua h Hora minminutos
LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Formato do campo magntico.
..............................................................................
20 Figura 2 - Comportamento dos dipolos em um material
diamagntico............................. 22 Figura 3 -
Comportamento dos dipolos em um material paramagntico
............................ 23 Figura 4 - Comportamento dos
dipolos em um material ferromagntico.......................... 23
Figura 5 - Ciclo de histerese.
.....................................................................................................
25 Figura 6 - Ciclo de histerese para materiais ferromagnticos
duros. ................................ 26 Figura 7 - Ciclo de
histerese para materiais ferromagnticos moles.
............................... 26 Figura 8 - Expanso da parede de
domnio quando exposta a um campo magntico. . 27 Figura 9 - Efeito
Barkhausen observado na curva de histerese.
....................................... 28 Figura 10 - Curva
tenso-deformao.
..................................................................................
30 Figura 11 - Comportamento da fase elstica e plstica.
..................................................... 31 Figura 12
- Limite de proporcionalidade A.
...........................................................................
32 Figura 13 - Deformaes de engenharia experimentadas por uma barra
prismtica submetida a um carregamento unidirecional.
.......................................................................
33 Figura 14 - Limite de
ruptura....................................................................................................
36 Figura 15 - Limite de resistncia a trao.
.............................................................................
36 Figura 16 - Limite de
ruptura....................................................................................................
37 Figura 17 - Grfico tenso-deformao.
................................................................................
38 Figura 18 - Corpo de prova ao 1010.
...................................................................................
39 Figura 19 - Chapa ao-silcio em formato de E
.................................................................
39 Figura 20 - Chapa ao-silcio em formato de U e as bases da
bobina. ......................... 40 Figura 21 - Bobina sendo
enrolada.
.......................................................................................
41 Figura 22 - Bobinas
excitadoras..............................................................................................
41 Figura 23 - Bobina leitora.
........................................................................................................
42 Figura 24 - Fonte DC.
...............................................................................................................
43 Figura 25 - Mquina de trao universal.
..............................................................................
44 Figura 26 - Montagem dos ensaios simultneos.
.................................................................
46 Figura 27 - Esquema de montagem para obteno de sinal senoidal.
............................. 47 Figura 28 - Grfico com trao de 200
kgf e deformao de 0,9 mm. .............................. 48 Figura
29 -Grfico do perodo P1 P2 ampliado.
.............................................................. 49
Figura 30 - Grfico com trao de 1200 kgf e deformao de 1,6 mm.
.............................. 49 Figura 31 - Grfico do perodo P3
P4 ampliado.
............................................................... 50
Figura 32 - Grfico com trao de 2900 kgf e deformao de 45,00 mm.
....................... 50 Figura 33 - Grfico do perodo P5 P6
ampliado.
............................................................... 51
Figura 34 - Grfico de anlise de tenso com posies dos picos.
.................................. 54 Figura 35 - Comparativo entre
sinal de udio e Analise de freqncia por amplitude por tenso
aplicada.
.........................................................................................................................
57
LISTA DE TABELAS Tabela 1 Valor dos coeficientes elsticos dos
metais. ..........................................................
34 Tabela 2 Valores de freqncia, amplitude e deformao pra cada
tenso. ................... 52 LISTA DE GRFICOS Grafico 1
.......................................................................................................................................
52 Grafico 2
.......................................................................................................................................
53 Grafico 3
.......................................................................................................................................
53 Grafico 4
.......................................................................................................................................
53 SUMRIO 1. INTRODUO
..............................................................................................
16 1.1 Objetivo Geral
........................................................................................
16 1.2 Objetivo Especfico
...............................................................................
17 1.3 Justificativa
............................................................................................
17 1.4 Metodologia
...........................................................................................
18 2. MAGNETISMO E O CAMPO MAGNTICO
................................................. 19 2.1 Campo
Magntico
..................................................................................
19 2.2 Magnetismo
............................................................................................
20 2.2.1 Permeabilidade Magntica
................................................................ 21
2.2.2 Susceptibilidade Magntica
............................................................... 22
2.3 Tipos de Magnetismo nos Materiais
.................................................... 22 2.4 Induo
Eletromagntica
......................................................................
24 2.5 Ciclo de
Histerese..................................................................................
24 2.6 Domnios Magnticos
............................................................................
27 2.7 Paredes de Domnio
..............................................................................
27 2.8 Rudo de Barkhausen
............................................................................
29 3. O ENSAIO DE TRAO
..............................................................................
29 3.1 Ensaio Convencional
............................................................................
30 3.2 Regio de Comportamento Elstico
.................................................... 31 3.3 Limite
de Proporcionalidade
................................................................ 32
3.4 Limite de Elasticidade (E)
.....................................................................
32 3.5 Modulo De Resilincia
...........................................................................
33 3.6 Coeficiente de Poisson (v)
....................................................................
33 3.7 Mdulo de Elasticidade Transversal (G)
.............................................. 34 3.8 Regio de
Comportamento Plstico
.................................................... 35 3.9 Limite
de Escoamento
...........................................................................
35 3.10 Limite de Resistncia a Trao
.......................................................... 36 3.11
Limite de Ruptura
................................................................................
37 4. MATERIAIS E METODOLOGIA
...................................................................
38 4.1 Materiais
.................................................................................................
38 4.1.1 Corpo de Prova
.................................................................................
38 4.1.2 Bobinas Excitadoras
..........................................................................
39 4.1.3 Bobina Leitora
...................................................................................
42 4.1.4 Fonte de Corrente Contnua
.............................................................. 43
4.1.5 Mquina de Ensaio de Trao
........................................................... 44
4.1.6 Software para Gravao de Dados
................................................... 45 4.2 O Ensaio
.................................................................................................
45 4.2.1 Melhorias Propostas
..........................................................................
46 4.3 Anlise de Dados
...................................................................................
48 4.3.1 Anlise de Dados do Ensaio Completo
............................................. 51 5. CONCLUSO
...............................................................................................
58 6. BIBLIOGRAFIA
............................................................................................
58 16 1. INTRODUO
Duranteamagnetizaodemateriaisferromagnticosasparedesde domnio se
expandem em direo ao campo magntico e ao encontrar defeitos ou
imperfeies na estrutura, elas ancoram at que a magnetizao aumente o
suficienteparaultrapassaresteponto.Esseprocessoocorrediversasvezes
duranteamagnetizaodomaterialepodeserobservadonasuacurvade
histerese, este fenmeno conhecido como Efeito Barkhausen. Pode-se
captar o efeito em forma de som, o qual conhecido como Rudo de
Barkhausen.
Atualmenteparaqueumprojetosejaeficiente,precisamossaberas
propriedadesdomaterialutilizado.Paraessadeterminaocomumutilizar
ensaios destrutivos, que em alguns casos no o mtodo mais vivel.
ORudodeBarkhausenpossuigrandepotencialparaensaiosno
destrutivosumavezqueacaptaodeseurudoinfluenciadaportenses
aplicadas,problemasestruturais,trincas,imperfeiesedefeitosna
microestrutura.
Nestetrabalhofocaremosapenasnapartedetensesaplicadase
procuraremoscorrelacionaroensaiodetraocomoRudodeBarkhausen.
Assimanalisaremosapossibilidadedesubstituirumensaiodestrutivoporum
no destrutivo.
1.1 Objetivo Geral
EstudaracorrelaodorudodeBarkhausenedoensaiodetrao
(NBR:6152)paraadeterminaodealgumaspropriedadesmecnicas,como
objetivomaiordesubstituirumensaiodestrutivoporumnodestrutivona
determinaodealgumaspropriedadesmecnicasdemateriais ferromagnticos
especificamente aos carbono. 17 1.2 Objetivo Especfico
Criarumdispositivoquenospermita magnetizarumcorpodeprova sob
especificaes, e com uma sonda leitora extrair arquivos de udio que
nos permitacorrelacionarosdadosdoensaiodetraoquandofeitojuntoao
ensaio de barkhausen. 1.3 Justificativa
Noexistembonsmateriaissenoseconheceassuas propriedades.
Quandoaaplicaoestruturalasprioridadessodeterminarpropriedades
mecnicasassociadasaosdiferentesusos.Nesseaspectoimportante
preservaraintegridadedomaterialaseranalisado.Ento,ensaiosno-destrutivos
so considerados de especial interesse. Inicialmente descoberto por
Heinrich Barkhausen (1919), a magnetizao de um material
ferromagntico geram pulsos de tenso eltrica de pequena durao em uma
bobina que colocada prximo ao material. Estes sinais so captados e
amplificados, portanto so dados facilmente obtidos; Os fatos
citados acima demonstram a facilidade da metodologia; O estudo do
rudo de barkhausen em paralelo com o ensaio de trao ainda no foi
bem documentado; De acordo com o apresentado, os equipamentos
necessrios so de fcil acesso, baixo custo e com provveis resultados
satisfatrio. Atualmente as indstrias procuram a diminuio de custos
e o aumento
deeficinciaemseusprocessos,logotende-seaumaevoluoquandoo assuntoso
ensaios para medio depropriedades.Sendoassim,busca-se a troca de
ensaios destrutivos por ensaios no destrutivos, quando possvel. De
acordo com o Silvrio e Paulo, 2006: 18 Hoje os ensaios no
destrutivos so largamente utilizados na indstria moderna em todo o
mundo para avaliao da qualidade e deteco de variaes na estrutura,
pequenas falhas superficiais, presena de trincas e outras
interrupes fsicas, medida de espessura de materiais e revestimentos
e determinao de outras caractersticas de materiais e produtos
industriais. Classicamente, so considerados ensaios no destrutivos
aqueles que quando realizados em peas acabadas ou semi-acabadas no
interferem nem prejudicam seu uso futuro ou processamento
posterior. Eles so usados para determinao de algumas propriedades
dos materiais e para a deteco de possveis descontinuidades em peas
ou produtos industriais. [...] Uma caracterstica marcante dos END
que eles raramente medem diretamente a propriedade de interesse. O
valor dessa propriedade geralmente obtido a partir de sua correlao
com uma outra grandeza que medida durante a realizao do
teste(ENSAIOS NO DESTRUTIVOS, 2006, p.2).
Paraque,nestetrabalho,sejapossvelestacorrelao,sero realizados o
ensaio de trao com auxlio do efeito Barkhausenque envolve a
magnetostrio para detectar tenses residuais. Assim possvel a
substituio de um ensaio destrutivo por um no destrutivo em
determinados casos. A partir
dacorrelaoestabelecidapossvelaplicaramediodatensopara
conhecerpropriedadesmecnicasdeaoscarbonocomummtodomais prtico e
barato. 1.4 Metodologia
Otrabalhoenvolvepesquisasrealizadasemlivros,siteseminternete
projetos que esto sendo realizados no Brasil e no exterior. 19 Ser
construdo um prottipo da sonda para demonstrar a existncia da
correlao entre a curva obtida em um ensaio de trao em um corpo de
prova padronizado e a curva obtida pelo ensaio de Barkhausen.
Havendo correlao entre as duas curvas, ser possvel a utilizao do
ensaiodeBarkhausencomoalternativaaensaiosdestrutivosemmetais
ferromagnticos. 2. MAGNETISMO E O CAMPO MAGNTICO
Oobjetivoaodiscorrersobreosprincpiosdomagnetismoteruma base terica
que permita fazer analogias com os resultados experimentais aqui
apresentados, procurando no trazer a teoria a questionamento. 2.1
Campo Magntico De acordo com o Lang, 1975: O espao no qual agem as
formas magnticas chamado de campo magntico. Um campo magntico
forma-se, por exemplo, entre as extremidades de um im de basto ou
entre as pernas de um im em ferradura (O Campo Magntico, 1975,
p.15). Deformabemprtica,ocampomagnticopodeserobservadoao
espalharlimalhadeferroemumafolhalisadepapelqueestsobreumim, como
mostra a figura 1 20 Figura 1 - Formato do campo magntico.Fonte:
http://fuches.files.wordpress.com/2009/02/campo_magnetico.jpg
(Consultado em 14/09/2011 s 18h40min).
Seobservarmosoformatodalimalhanoim,conseguimosveras linhas do fluxo
magntico, a intensidade deste fluxo a medida de excitao do campo,
ou induo magntica. 2.2 Magnetismo
Magnetismoaforaatrativaourepulsivadeummaterialoua
influnciadelesobreoutromaterial.Algunsexemplosdemateriaisque
representam estas propriedades so alguns aos, ferro, nquel e
cobalto. Estaforapodeservista,porexemplo,aocolocarumimdebasto
prximo limalha de ferro, notaremos assim que a maior parte da
limalha ser atrada pelas extremidades ou plos do im e pouca limalha
ser atrada para o centro do im.
Quandoaproximamosumplopositivocomoutropositivo,ouum
negativocomoutronegativo,observamosoprincpiodarepulso;Quando 21
aproximamosumplopositivocomumnegativo,observamosoprincpioda
atrao.Estesplosestopresentesnestesmateriaissemprenas
extremidadesopostas,nofazdiferenaquantosedividaestematerial,os plos
continuaram a existir, at em nvel molecular, estas so conhecidas
como molculas magnticas.
Senoforemmagnetizadas,estasmolculaspermanecem desordenadase
conforme expostas a magnetizao (aproximao de um im) os plos nortes
tendem a se orientar no mesmo sentido, tornando as molculas
ordenadas. 2.2.1 Permeabilidade Magntica Segundo Ana (2008): Se um
material no magntico, como vidro ou cobre, for colocado na regio
das linhas de campo de um m, haver uma imperceptvel alterao na
distribuio
daslinhasdecampo.Entretanto,seummaterialmagntico,comooferro,for
colocado na regio das linhas de campo de um m, estas passaro atravs
do ferro em vez de se distriburem no ar ao seu redor porque elas se
concentram
commaiorfacilidadenosmateriaismagnticos.Esteprincpiousadona
blindagem magntica de elementos (as linhas de campo ficam
concentradas na
carcaametlicanoatingindooinstrumentonoseuinterior)einstrumentos
eltricos sensveis e que podem ser afetados pelo campo magntico A
permeabilidade magntica () dada pela frmula: (1) Sendo, B a induo
magntica e H o campo magntico. 22 2.2.2 Susceptibilidade Magntica
Susceptibilidade magntica (m) mede a capacidade de um material se
magnetizar diante uma fonte de estimulao magntica (H). Esta fonte
faz com que os momentos magnticos reajam a este estimulo de
diferentes maneiras, a resultante deste estmulo dado por uma
magnetizao (M). Deacordocomareaodomaterialaesteestmulo,podemos
classificar o material entre diamagntico, paramagntico e
ferromagntico. Esta
classificaosedaporumaformulaemqueseusaasusceptibilidade magntica
como fator, como demonstrado abaixo: (2) 2.3 Tipos de Magnetismo
nos Materiais Diamagnticos so materiais que se magnetizam no
sentido oposto ao
docampoqueoexcita,suasusceptibilidademagnticanegativaesua
permeabilidade magntica menor que 1. (Grijalba, 2010) Figura 2 -
Comportamento dos dipolos em um material diamagntico Fonte:
Grijalba, 2010. Paramagnticossomateriaisqueapresentamasomanulados
momentosmagnticosetendemasealinhardeacordocomocampo 23 magntico
aplicado, sua susceptibilidade magntica positiva e pequena e sua
permeabilidade magntica pouco maior que 1. (Grijalba, 2010) Figura
3 - Comportamento dos dipolos em um material paramagntico Fonte:
Grijalba, 2010.
Devidoasuasusceptibilidadeepermeabilidadeaintensidadede resposta
pequena e os efeitos so de difcil deteco.
Ferromagnticossomateriaisnosquaisosmomentosmagnticos
individuaisdegrandesgruposdemolculassomantidosalinhadosdevidoa
umacoplamentoforte,mesmosemapresenadeumcampoexterno.Estes
grupossochamadosdomniosmagnticos,eagemcomoumpequenoim
permanente.Quandonohumcampoaplicado,estesdomniostm momentos
magnticos distribudos aleatoriamente; porem ao aplicar um campo
magntico os domnios tendem a seguir sua orientao. Figura 4 -
Comportamento dos dipolos em um material ferromagntico. Fonte:
Grijalba, 2010. Issoseda,poisasusceptibilidadepositivaegrandeea
permeabilidade muito maior que 1, portanto a intensidade da
resposta alta e
possibilitaefeitosdetectveis,porestemotivo,estematerialutilizadonos
estudos que envolvem o efeito de Barkhausen. (Grijalba, 2010)
24 2.4 Induo Eletromagntica Ocorreem materiaiscondutoresquando
ocampomagntico,devidoa
diferentesfluxosdeinduo,formaumacorrentenumaregiodestematerial;
estacorrentechamadadecorrenteinduzidaepodesercaptadaatravsde um
medidor de corrente. 2.5 Ciclo de Histerese
umcicloquedemonstraarelaodainduomagntica(B)coma intensidade do
campo magntico (H).
Quandoomaterialseencontradesmagnetizado,eemseguida colocado perto a
um campo magntico, chega ao ponto Hmax, atingindo assim a saturao
magntica (Ms); Aps esta saturao, a magnetizao se inverte e ao
passar por H = 0 achamos o ponto de magnetizao remanente (Mr),
depois M continuadiminuindoatchegarnopontoM=0,nestetemosopontode
coercividade(Hc),quesetratadocamponecessrioparaqueainduoseja nula
aps sua saturao, em seguida segue para o ponto onde a magnetizao
satura,squedestavez,nosentidooposto,eassimseguindoestemesmo padro
ao retornar para a saturaomagntica. 25 Figura 5 - Ciclo de
histerese. Fonte:
http://cienciahoje.uol.com.br/banco-de-imagens/lg/web/images/ch-on-line/colunas/fabrica/108049a.jpg
(Consultado em 03/10/2011 s 19h20min). De acordo com Grijalba:
Aabertura(2Hc)dacurva,vemdeumcomportamentoirreversvel
presentenoprocessodeinversodamagnetizao.Estairreversibilidade
principalmente devida ao movimento interrompido (por tempos muito
pequenos) de paredes de domnio.
Estaaberturamudadeacordocomtipodomaterial,elepodeserum
materialferromagnticoduro; materialmaisutilizadocomoim permanente,
pois uma vez magnetizado, retm melhor sua magnetizao, sua curva
tende a ter um espaamento maior entre os Hcs, como podemos observar
na figura 6. 26 Figura 6 - Ciclo de histerese para materiais
ferromagnticos duros. Fonte:
http://www.alunosonline.com.br/upload/conteudo/images/grafico%201.jpg
(Consultado em 10/10/2011 s 11h25min).
Enquantoosmateriaisferromagnticosmolestendemase magnetizar
facilmente e no reter quase nada, como vemos na figura 7. Figura 7
- Ciclo de histerese para materiais ferromagnticos moles. Fonte:
http://www.alunosonline.com.br/upload/conteudo/images/grafico%202.jpg
(Consultado em 10/10/2011 s 11h30min). 27 2.6 Domnios Magnticos
Domnio magntico trata-se de regies do material onde o alinhamento
magntico dos tomos o mesmo, o domnio porta-se como um pequeno im
permanente.Onmerodedomniosdentrodeumdeterminadovolume
determinadoporumbalanodeenergiadentrodomaterialeaorganizao deles se
da de tal forma que a magnetizao no material nula. 2.7 Paredes de
Domnio Quandohumcampoexternoexcitandoomaterial,osmomentos
magnticosdentrodosdomniostendemasealinharnadireodocampo
magnticoexcitante,estesmomentosfazemcomqueasparedesdodomnio se
expandam e agregue os domnios prximos, como podemos ver na figura
8. Figura 8 - Expanso da parede de domnio quando exposta a um campo
magntico. Fonte: Grijalba, 2010. Esta movimentao se da
continuamente e a rotao de uma parede de domnio para a outra se da
atravs de ngulos de 90 ou 180. 28
Aestruturadaparedesedapelaresultanteentreaenergiadetroca,
quetendeaaumentaraomximoadimensodaparede,eaenergia anisotrpica, que
tende a alinhar os spins para o sentido de fcil magnetizao e faz
com que a dimenso da parede se reduza. De acordo com Grijalba: A
movimentao afetada pela presena de tenses e defeitos como, vazios,
incluses, partculas de segunda fase, discordncias, defeitos
pontuais, econtornosdegro.Osmovimentoserotaesdasparedespodemser
reversveis ou irreversveis dependendo tambm dessas condies. Os
defeitos queatuamcomobarreirasnamovimentaodasparedesdedomnio,so
conhecidas como pontos de ancoragem.
Estespontosdeancoragemfazemcomqueaenergiapotencialda
paredepareaoencontr-los,fazendocomqueessaenergiatenhaque
aumentarparapodersuper-lo,fazendocomqueaparedeseexpandaat
acharumnovopontodeancoragem.Esteprocessoocorrediversasvezes,e
podemosobservarentonacurvadehistereseoEfeitoBarkhausen,quese
tratadestespequenossaltosduranteamagnetizaodomaterial,como podemos
observar na figura 9. Figura 9 - Efeito Barkhausen observado na
curva de histerese. Fonte:
http://sbtvd.anadigi.zip.net/images/histerese.JPG (Consultado em
09/11/2011 s 15h10min).29 2.8 Rudo de Barkhausen Segundo Miguel:
Barkhausenem1919emumalindaexperinciademonstrouquecada
umdosdegrausconsistiaemumsaltoirreversvelseguidodeumasubida
reversvel da induo magntica de B. Sabe-se que estes saltos de
Barkhausen sodevidoaoancoramentodasparedesdedomniopordefeitose/ou
impurezas na amostra que se apresentam como barreiras de potencial
a serem vencidaspelaparedededomnio,umaveztransposta,asparedesavanam
rapidamente at a prxima barreira. 3. O ENSAIO DE TRAO
ParacorrelacionarmosorudodeBarkhauseneoensaiodetrao,
precisamoscompreendertalensaio,parasuacorretautilizaotemosque
entendersuasfases.Comestetipodeensaio,podeseafirmarque
praticamenteasdeformaespromovidasnomaterialsouniformemente
distribudasemtodooseucorpo,pelomenosatseratingidaumacarga
mximaprximado finaldoensaioe,comopossvelfazercomqueacarga
cresanumavelocidaderazoavelmentelentadurantetodooteste,permitindo
assim medir satisfatoriamente a resistncia do material. A
uniformidade termina no momento em que atingida a carga mxima
suportadapelomaterial,quandocomeaaaparecerofenmenodaestrico
oudadiminuiodasecodoprovete,nocasodematriascomcerta
ductilidade,arupturasempresednaregiomaisestreitadomaterial,a menos
que um defeito interno no material, fora dessa regio, promova a
ruptura do mesmo, o que raramente acontece. 30 3.1 Ensaio
Convencional Noscorposdeprovasnormalmenteaseocircular,pormneste
trabalho utilizaremos corpos de provas retangulares. O corpo de
prova preso
pelasextremidadesnasgarrasdefixaododispositivodetestes.Amquina de
ensaio de trao feita para esticar o corpo de prova a uma taxa
constante e padronizada, alm de fazer a medio em tempo real da
carga aplicada e os alongamentos resultantes, isso com o auxlio de
extensmetros. Quandooensaioexecutado,aprpriamquinadeensaiodetrao
forneceumgrficoquedesenhadomecanicamente.Estegrficomostraas relaes
entre fora aplicada e as deformaes ocorridas durante o ciclo.
Arelaoentretensoedeformaoimportanteparadeterminaras propriedades do
material. A tenso correspondente fora dividida pela rea da seo
sobre a qual a fora aplicada (3)
Aplicandoaequaodescritaacimapode-seencontrarosvaloresda tenso e
fazer o grfico conhecido como tenso-deformao. Figura 10 - Curva
tenso-deformao. Fonte: Ensaios dos Materiais pela acadmica:
Gabrieli Bortoli Dalcin, 2007. 31 3.2 Regio de Comportamento
Elstico OpontoArepresentaolimiteelstico,queserofocoprincipaldeste
trabalho,poisseultrapassarmosestelimite,elenomaisumensaiono
destrutivo. Figura 11 - Comportamento da fase elstica e plstica.
Fonte: Ensaios dos Materiais pela acadmica: Gabrieli Bortoli
Dalcin, 2007. A taxa em que o grfico se forma at o ponto A
constate, assumindo um valor uniforme de carga no corpo de prova.
Esta regio conhecida como
faseelstica,etemcomocaractersticasoaumentodaforadetraoe
independentedotempo,a deformao elsticapermanece uniformedurante o
perodoemqueacargamantidaconstante.Tambmassumidoqueaps
remoodacarga,adeformaototalmenterecuperada,ouseja,a deformao
imediatamente retorna para o valor zero. As deformaes dos corpos de
prova so diretamente proporcionais as tenses aplicadas, ou seja,
obedecem a Lei de Hooke na fase elstica. (4)
ArigidezdomaterialdadapelomodulodeelasticidadeEou
conhecidocomomodulodeYoung.Quantomaiorforomdulo,menorsera
deformaoelsticaresultantedaaplicaodeumatenso.Adeformao convencional
ou nominal dada: 32 (5) Onde:Lo = comprimento inicial L =
comprimento final para cada carga P aplicada 3.3 Limite de
Proporcionalidade ALeideHookesvaleatumdeterminadovalordetenso,
representandonogrficopelopontoA,apartirdaqualA,apartirdaquala
deformao deixa de ser proporcional carga aplicada Figura 12 -
Limite de proporcionalidade A. Fonte: Ensaios dos Materiais pela
acadmica: Gabrieli Bortoli Dalcin, 2007. 3.4 Limite de Elasticidade
(E) Mximatensoqueomaterialpodesuportarsemapresentar deformao
permanente aps a retirada da carga. 33 3.5 Modulo De Resilincia a
capacidade de um material de absorver energia quando deformado
elasticamenteeliber-laquando descarregado.Amedidadesta propriedade
dada pelo mdulo de resilincia que a energia de deformao por unidade
de volumenecessriaparatracionarometaldeorigematolimitede
proporcionalidade. 3.6 Coeficiente de Poisson (v)
Medearigidezdomaterialnadireoperpendiculardireode aplicao de carga
uniaxial. Figura 13 - Deformaes de engenharia experimentadas por
uma barra prismtica submetida a um carregamento unidirecional.
Fonte: Ensaios dos Materiais pela acadmica: Gabrieli Bortoli
Dalcin, 2007. 34 3.7 Mdulo de Elasticidade Transversal (G)
Correspondearigidezdeummaterialquandosubmetidoaesforode
cisalhamento. (5) Onde,
esoastensesearespectivadeformaocisalhanteque sofre o corpo de
prova. Tabela 1 Valor dos coeficientes elsticos dos metais. Fonte:
Ensaios dos Materiais pela acadmica: Gabrieli Bortoli Dalcin, 2007.
35 3.8 Regio de Comportamento Plstico
Acimadecertatenso,osmateriaiscomeamasedeformar
plasticamente,ouseja,ocorremdeformaespermanentes.Opontonaqual estas
deformaes permanentes comeam a se tornar significativas chamado de
limite de escoamento.
Duranteadeformaoplsticaatensonecessriaparacontinuara
deformarummetalaumentaatumpontomximo,achamadodelimitede
resistnciatrao,naqualatensoamximanacurvadetenso
deformaodeengenharia.Istocorrespondeamaiortensoqueomaterial pode
resistir, se esta tenso for aplicada e mantida, o resultado ser a
fratura. Toda a deformao at este ponto uniforme na seo. No entanto,
aps este ponto,comeaaseformarumaestrico,naqualtodaadeformao
subseqente est confinada e, nesta regio que ocorrer a ruptura. A
tenso correspondente a fratura chamada de limite de ruptura. 3.9
Limite de Escoamento
Oescoamentoentendidocomoumfenmenolocalizado,quese
caracterizaporumaumentorelativamentegrandenadeformao, acompanhada
por uma pequena variao na tenso. Isso acontece geralmente
noinciodafaseplstica.Duranteoescoamentoacargaoscilaentrevalores
muito prximos um dos outros. 36 Figura 14 - Limite de ruptura.
Fonte: Ensaios dos Materiais pela acadmica: Gabrieli Bortoli
Dalcin, 2007. 3.10 Limite de Resistncia a Trao a tenso
correspondente ao ponto de mxima carga atingida durante
oensaio.Apsoescoamentoocorreoencruamentoqueendurecimento causado
pela quebra de gros que compem o material quando deformados a
frio.Omaterialresistecadavezmaistraoexternanecessitandodeuma tenso
cada vez maior para se deformar. nessa fase que a tenso comea a
subir at atingir um valor mximo, chamado de Limite de Resistncia.
Figura 15 - Limite de resistncia a trao. Fonte: Ensaios dos
Materiais pela acadmica: Gabrieli Bortoli Dalcin, 2007. 37 3.11
Limite de Ruptura
Continuandoatrao,chega-searupturadomaterial,nochamado Limite de
Ruptura. Figura 16 - Limite de ruptura. Fonte: Ensaios dos
Materiais pela acadmica: Gabrieli Bortoli Dalcin, 2007.
Notequeatensonolimitederupturamenordoquenolimitede
resistncia,devidodiminuiodereaqueacontecenocorpodeprova depois que
se atinge a carga mxima.
Nafiguraabaixosepodeanalisartodosesseselementos representados num
mesmo diagrama de tenso deformao. 38 Figura 17 - Grfico
tenso-deformao. Fonte: Ensaios dos Materiais pela acadmica:
Gabrieli Bortoli Dalcin, 2007.
Comestegrfico,tentaremoscorrelacionaratensoaplicadacoma
amplitudedaondaobtidaatravsdoensaiodetraofeitojuntamentecomo Rudo
de Barkhausen. 4. MATERIAIS E METODOLOGIA 4.1 Materiais
Segueadescriodocorpodeprovautilizado,assimcomoos equipamentos
necessrios para o ensaio, obteno e anlise de dados. 4.1.1 Corpo de
Prova Foi utilizada uma tira de ao 1010 com 300,00 mm de
comprimento por 19,00 mm de largura e 3,00 mm de espessura. 39
Figura 18 - Corpo de prova ao 1010. Fonte: Foto tirada no
laboratrio da FAAP, dia 26/11/2011 s 15h11min. 4.1.2 Bobinas
Excitadoras Asbobinasforamfabricadasnolaboratriodeengenhariada
FaculdadeArmandoAlvarezPenteadoFAAP,paraissoutilizamoscomo
ncleo,chapasdeao-silciodeumtransformador,utilizandoaparteEque pode
ser observada na figura 20. Figura 19 - Chapa ao-silcio em formato
de E . 40 Fonte: Foto tirada no laboratrio da FAAP, dia 25/10/2011
s 16h13min. FoiremovidaapernacentraldoEparaqueachapaadquirisseo
formato deUemseguidapeas fresadas de nyloneacrlico foramutilizadas
como as bases da bobina, como mostrado na figura 21. Figura 20 -
Chapa ao-silcio em formato de U e as bases da bobina. Fonte: Foto
tirada no laboratrio da FAAP, dia 25/10/2011 s 16h15min.
Asbasesforamutilizadasparaenrolarasbobinas,paraoqualforam
utilizados fios de cobre AWG 24 e dadas 1200 voltas em cada uma,
utilizando o torno, como podemos ver na figura 22. 41
Figura 21 - Bobina sendo enrolada. Fonte: Foto tirada no
laboratrio da FAAP, dia 25/10/2011 s 18h43min. Depois de feitas, as
bobinas foram acopladas a base em formato de U e devidamente
soldadas, como podemos ver na figura 23. Figura 22 - Bobinas
excitadoras. Fonte: Foto tirada no laboratrio da FAAP, dia
18/11/2011 s 17h45min. 42 4.1.3 Bobina Leitora Inicialmente, a idia
foi adaptar um cabeote leitor de K7, uma vez que eleconstitudodeuma
bobinaleitora decampo magntico.Foramutilizados dois cabeotes para
testes, um da marca SONY e outro da marca AIWA, porm nenhum deles
apresentou uma captao precisa, ou seja, estando devidamente
aterradoosinalpossuainterfernciasmesmosemvariaesdetensopor meio da
fonte. Figura 23 - Bobina leitora. Fonte: Foto tirada no laboratrio
da FAAP, dia 18/11/2011 s 17h50min.
Abobinaleitorautilizadaapsastentativasiniciaisumprodutoda
marcaMemoTronics,enormalmenteutilizadaparagravaestelefnicas,j
quepossuiumabobinaquecaptaocampomagnticoenostornapossvel obter o
campo da pea desejada. 43 4.1.4 Fonte de Corrente Contnua Figura 24
- Fonte DC. Fonte: Foto tirada no laboratrio da FAAP, dia
25/11/2011 s 14h20min. A fonte utilizada uma fonte regulada 2025 da
marca LABO, essa fonte
possuileituradetensoecorrentesendoelasvariveismanualmente,a
corrente varia na faixa de 0 a 2 A, e a tenso varia de 0 a 30 V. 44
4.1.5 Mquina de Ensaio de Trao Figura 25 - Mquina de trao
universal. Fonte: Foto tirada no laboratrio da FAAP, dia 18/11/2011
s 14h45min. FoiutilizadaumamquinadetraouniversaldamarcaLosenhausen
10MP. 45 4.1.6 Software para Gravao de Dados O Software para
aquisio de dados utilizado foi o Adobe Audition
versoCS5.5instaladoemumnotebookSonyVaioVPCW160AB.Osoftware
foiconfiguradoparagravarosdadosemumcanal(mono),aumataxade
amostragem de 48000 Hz, bit depth de 32 bits. O formato do arquivo
gerado .wav (PCM). 4.2 O Ensaio Para realizarmos nosso experimento,
seguimos a seguinte metodologia: -Fixar o corpo de prova na mquina
de trao;-Ligar a bobina excitadora na fonte e acopl-la por
magnetismo em um dos lados do corpo de prova; -Com um pedao de fita
crepe, fixar a bobina leitora no outro lado do corpo de prova.
Ligar o fio desta bonina no computador para obteno dos dados, que
realizada atravs do software Adobe Audition CS5.5; -Ajustar a
maquina de trao para que ela fique zerada, tanto no medidor de
forca, deformao e no grfico; -No total faremos 11 medies por
ensaio, com saltos de 200kgf a partir do instante zero. Sendo que
as 10 primeiras medies sero feitas at o limite elstico e o ltimo
feito a partir do escoamento at a peca romper;-Cada captao de udio
deve ser feita com a forca de trao estabilizada nos patamares
pr-estabelecidos e devem ter durao de 10 segundos cada. Menos para
a ltima medio que devera terminar quando o corpo de prova romper;
-Durante a captao, a potncia da fonte devera variar a voltagem de 5
a 15 volts constantemente e ininterruptamente;-Aps os ensaios
realizados, e os dados devidamente guardados, os corpos de provas
so fotografados. -Para analisarmos os dados de forma quantitativa,
importamos os arquivos de tipo .WAV no software Audacity. Assim
conseguimos 46 selecionar os trechos para estudo do grfico
Amplitude(dB) x Freqncia (Hz).- Figura 26 - Montagem dos ensaios
simultneos. Fonte: Foto tirada no laboratrio da FAAP, dia
24/11/2011 s 16h09min. 4.2.1 Melhorias Propostas
OsdadoscoletadosdoensaiodetraojuntamentecomoRudode
Barkhausennotiveramumsinalhomogneodevidoinstabilidadena
variaodatenso.Paraissofoidiscutidoeestudadoalgumasmaneirasde
padronizaressavariaoparaqueosinalficasseigual,facilitandoassima
interpretao dos resultados.
Primeiramentetentamospadronizarosinalatravsdeumcircuito
osciladorsinusoidalempontedewien,utilizandoumamplificadoroperacional
LM741, como podemosver na figura 28. Esse circuito de sinal tipo
senide foi
montadoemumapowerboard,emseguidatestadoemumosciloscpiopara
analisarosinal,queestavabom,masquandoocircuitofoiligadobobina 47
excitadorahouveumaquedadetensodevidogranderesistnciae impedncia da
bobina. Figura 27 - Esquema de montagem para obteno de sinal
senoidal. Fonte: Foto tirada do material de consulta prprio, dia
05/12/2011 s 10h10min. A segunda tentativa de padronizar a variao
de tenso se deu atravs
deumafontedecorrentealternadacomoffsetparacorrenteDC.Essafonte
consegueemitirsinaisdotiposenideoutriangular,queseriamadequados
paranossosrequisitos,pormquandoaligamosabobina,atensocaiude
20V,geraomximadafonte,para2Vdevidonovamentearesistnciada bobina, no
sendo capaz de magnetizar o material para os ensaios.
Aprximatentativasedeupormeiodeumservomotorconectadoao
switchdevariaodetensodafonte.Paraisso,utilizamosumaplacaPIC para
mandar os sinais de controle ao servo, que ficaria alternando sua
posio de 0 a 180 graus enquanto a fonte estivesse ligada. Este
comando dado pelo softwareSBMASTER da
SOLBET,empresadaqualnoconseguimoscontato para suporte. Todo o
sistema mecnico estava pronto e s precisvamos saber 48
comoprogramaraplaca,assimseminstruo,nofoipossvelconcluirmos
esseprograma.Decidimosentoporfimfazerossinaismanualmente,no
descartandoaspossibilidadesanterioresparamelhoriasfuturasdesinaise
interpretaes de dados. 4.3 Anlise de Dados
Aoanalisarmosumaseqnciadedadospodemosnotaruma
correlaoentreaforadetraoeogrficogerado.Comoserexplicadoa seguir:
Figura 28 - Grfico com trao de 200 kgf e deformao de 0,9 mm. Fonte:
Foto captada do software Adobe Auditions, dia 04/12/2011 s
20h00min. Nogrficoacimapodemosnotar,queonvelderudodiretamente
proporcionalatensodadapelafontenabobinaexcitadora.Sendoassim,
devemos apenas estudar o sinal a partir do momento que a potencia
da fonte aumentada (P1), finalizado quando a potencia atinge o
valor mnimo (P2). 49 Figura 29 -Grfico do perodo P1 P2 ampliado.
Fonte: Foto captada do software Adobe Auditions, dia 04/12/2011 s
20h05min. No perodo analisado, visualmente nota-se que o numero de
ciclos por perodo de tempo encontra-se espaado enquanto temos 200
kgf de trao. Figura 30 - Grfico com trao de 1200 kgf e deformao de
1,6 mm. Fonte: Foto captada do software Adobe Auditions, dia
04/12/2011 s 20h10min. 50 Figura 31 - Grfico do perodo P3 P4
ampliado. Fonte: Foto captada do software Adobe Auditions, dia
04/12/2011 s 20h15min.
ComparandoestegrficocomogrficodaFigura30nota-sequeo numero de
ciclos por perodos maior, tornando o grfico menos espaado. Figura
32 - Grfico com trao de 2900 kgf e deformao de 45,00 mm. Fonte:
Foto captada do software Adobe Auditions, dia 04/12/2011 s
20h20min. 51 Figura 33 - Grfico do perodo P5 P6 ampliado. Fonte:
Foto captada do software Adobe Auditions, dia 04/12/2011 s
20h25min. FazendoumcomparativodoperodoP5P6(momentodaruptura) com os
anteriores, podemos notar que o grfico tem um nmero de ciclos ainda
maior que os dois perodos anteriores. A amplitude do grfico na
magnetizao se torna mais constante e padronizado durante todo o
perodo analisado. 4.3.1 Anlise de Dados do Ensaio Completo A tabela
abaixo uma anlise dos grficos de amplitude por freqncia
deumensaiocompletoondepodemosobservarosvaloresdequatropicos para
cada tenso, que varia de 200 em 200kgf at a ruptura do corpo de
prova. Observa-sequeasfreqnciassomaioresnofinaldoensaioquandoas
tenses so maiores, j a amplitude menor quando a tenso maior.
Nota-se tambmquealgunsvaloresemdeterminadastensesnoseguemesse
padro, isso se deve falta de padronizao da tenso enviada pela fonte
para a captao dos sinais. Os valores de deformao do corpo de prova
podem ser vistos em todas as tenses aplicadas. 52 Tabela 2 Valores
de freqncia, amplitude e deformao pra cada tenso. -Grfico 1Grfico
2Grfico 3Grfico 4 Tenso (Kgf) Deformao (mm) Freq (Hz) Amp (dB) Freq
(Hz) Amp (dB) Freq (Hz) Amp (dB) Freq (Hz) Amp (dB) 2000.5
786-17,97117-72,914099-72,720092-72,4 4000.7
831-177108-72,814090-73,120087-72,4 6000.9
815-19,47100-72,914070-73,220073-73 8000.9
811-19,87097-73,714076-73,320087-74,5 10001.0
828-20,47098-74,114072-7320089-72 12001.2
820-217103-74,214078-73,420089-75,2 14001.3
831-20,67088-73,714075-73,620082-75,3 16001.5
826-217100-7414068-73,820088-74,9 18001.6
824-20,97101-73,814092-73,420082-75,5 2000 1.9
832-20,97097-73,714095-73,220081-75 22002.2
866-227113-74,714096-72,820105-72,1 Ruptura 49
865-22,87098-70,514096-72,220105-72,6 Grafico 1 53 Grafico 2
Grafico 3 Grafico 4 54 Aps analise dos dados da tabela anterior
juntamente com os grficos feitos a partir dos mesmos, mostraremos
de quais posies (picos) dos grfico saram os valores estudados,
juntamente com os sinais captados pelo Audition
duranteoensaioparacadatensoaplicada.Assimpoderemoscomparar
visualmenteosgrficosparacadatensoemostrararelaodoRudode Barkhausen
com o ensaio de trao. O perodo de tempo mostrado nos grficos da
esquerda de 1,5 segundos para todas as tenses. Os picos mostrados
na figura 35 foram retirados na mesma posio em todos os grficos da
figura 36. Figura 34 - Grfico de anlise de tenso com posies dos
picos. Fonte: Foto captada do software Audacity, dia 06/12/2011 s
05h10min. 55 200kgf 400Kgf 600Kgf 800Kgf 56 1000Kgf 1200Kgf 1400Kgf
1600Kgf 57 1800Kgf 2000Kgf2200KgfRuptura Figura 35 - Comparativo
entre sinal de udio e Analise de freqncia por amplitude por tenso
aplicada. Fonte: Imagem captada do software Audacity, dia
06/12/2011 s 05h15min. 58 5. CONCLUSO
Comacaptaodosdados,eseusrespectivosestudos,conclumos
queexisteumacorrelaoentreoSinaldeBarkhausenobtidoeoensaiode
trao.Tornandoassimvivelasubstituiodeensaiodestrutivoparaum
ensaionodestrutivoparamateriaisferromagnticos,emdeterminadas
situaes.Oaumentodatensoimplicaumareduodaamplitudenos grficos, e o
aumento da freqncia do sinal. Isso quer dizer que quanto menor for
a amplitude e maior a freqncia mais fragilizado o corpo em estudo
estar. Sabemos que, aps varias dificuldades encontradas para
correlacionar
osdados,temosmuitoscamposetcnicasparaaprimoraraqualidadede nossos
equipamentos e dados obtidos, podendo assim evidenciar mais ainda o
fenmenodescrito,viabilizandoumafuturamquinaoudispositivopara
diagnsticos de trincas, falhas estruturais e tenses residuais. 6.
BIBLIOGRAFIA - DALCIN, G. Ensaio dos Materiais. Santo Angelo:
2007.-GRIJALBA,F.Desenvolvimentodeensaionodestrutivobaseadono rudo
magntico de barkhausen para caracterizao de tenses elsticas e
deformaes plsticas em ao. 2010. -
http://translate.google.com.br/translate?hl=pt-BR&langpair=en|pt&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_susceptibility,
Consultado em 12/12/2011 s 18h40min. - JOHANNES, L. O Campo
Magntico, 1975. - JUNIOR, S. F. S.; MARQUES P. V. Ensaios No
Destrutivos. Belo Horizonte, 2006. - NOVAK, M. A. Introduo ao
Magnetismo. http://www.cbpf.br/~labmag/miguel.pdf (Consultado em
16/11/2011 s 17h20min). - SAMBAQUI, A. B. K. Apostila de Mquinas
Eltricas I. Joinville, 2008.