PARTICULA MAGNETICA

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ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS COM PARTICULAS MAGNETICAS.

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PARTICULA MAGNETICA

  1. 1. Capítulo 4 O Ensaio com Partículas Magnéticas 1. Introdução O ensaio por partículas magnéticas é utilizado na localização de descontinuidades superficiais e sub-superficiais em materiais ferromagnéticos e pode ser aplicado tanto a peças acabadas quanto semi-acabadas e durante as etapas de fabricação. Ele é baseado no princípio de que as linhas de campo magnético em um material ferromagnético são distorcidas por uma interrupção na continuidade do material, que pode ser provocada por variações dimensionais abruptas, presença de descontinuidades estruturais (como trincas e porosidades) ou presença de qualquer material (inclusões) com propriedades magnéticas diferentes do metal base. Se estas descontinuidades são abertas à superfície ou se estão suficientemente próximas à mesma, as linhas de fluxo distorcidas nesta região darão origem aos chamados campos de fuga, promovendo o aparecimento de pólos magnéticos, capazes de atrair partículas magnetizáveis para esta região, revelando-as. As principais vantagens da inspeção com partículas magnéticas são: • é capaz de detectar descontinuidades superficiais e sub-superficiais; • sua realização é relativamente simples e rápida; • a preparação das peças para o ensaio é simples, não havendo necessidade das possíveis descontinuidades estarem necessariamente abertas à superfície, como no ensaio com líquidos penetrantes; • o tamanho e a forma da peça inspecionada tem pouca ou nenhuma influência no resultado. As principais limitações são: • á aplicável apenas aos materiais ferromagnéticos, ou seja, principalmente os aços estruturais ao carbono, de baixa e média liga, feros fundidos ligas a base de cobalto; • a forma e a orientação das descontinuidades em relação ao campo magnético interferem fortemente no resultado do ensaio, sendo necessário, em muitos casos, a realização de mais de um ensaio na mesma peça; • muitas vezes é necessária a desmagnetização da peça após a inspeção; • em geral são necessárias correntes elétricas elevadas, que podem causar o aquecimento indesejado das partes examinadas. 2. Fundamentos 2.1 – Magnetismo Materiais ferromagnéticos colocados nas proximidades de um ímã são atraídos ou repelidos por ele. Este fenômeno é chamado magnetismo. Os ímãs podem ser naturais ou artificiais, fabricados a partir de aços com propriedades magnéticas específicas para esse fim, neste caso chamados de ímãs permanentes.
  2. 2. 2.2 – Linhas de campo magnético A presença de um imã numa região do espaço modifica este espaço, e diz-se que ele está sob a ação de um campo magnético. O campo magnético pode ser visualizado quando limalhas de um material ferromagnético são pulverizadas nesta região, por exemplo sobre uma folha de papel colocada sobre um imã, como mostra a figura 1. As extremidades de um ímã são chamadas de pólos magnéticos, Norte e Sul e, por convenção, as linhas de campo externas ao ímã se dirigem do pólo Norte ao pólo Sul. Figura 1 – Visualização de linhas de campo magnético. Pode-se observar que em uma barra imantada, suas características magnéticas não são iguais ao longo de toda sua extensão, ocorrendo uma concentração da ação de atração magnética em suas extremidades, regiões denominadas pólos magnéticos. As partículas de limalha se comportam como minúsculos imãs e se alinham na direção do campo magnético, formando o que é chamado de linhas de indução ou linhas de fluxo. As linhas de indução são sempre contínuas e mostram claramente a formação do campo magnético. 2.3 – Vetor Indução Magnética B A ação de um imã em cada ponto do campo magnético pode ser caracterizada pelo vetor indução magnética, B. As unidades de medida do módulo do vetor indução magnética são o Tesla (T) ou o Gauss (G) e quantificam a concentração das linhas de indução numa pequena região do espaço que contém o ponto considerado. O Tesla (T) é a indução magnética uniforme que produz uma força constante de 1 N a 1,0 m de um condutor retilíneo situado no vácuo e percorrido por uma corrente elétrica constante de 1 A, sendo perpendiculares entre si as direções da indução magnética, da força e da corrente. 1 Tesla = 104 Gauss 2.4 – Força Magnetizadora H A força magnetizadora de um meio é conhecida como força magnetizadora H e pode ser medida em Oersted (Oe) ou Ampères/metro (A/m). A razão entre B e H depende do material ou meio no qual o campo magnético é criado e define uma característica deste, que é denominada de permeabilidade magnética. 2.5 – Permeabilidade Magnética
  3. 3. A permeabilidade magnética pode ser entendida como sendo a facilidade com que um material pode ser magnetizado e é representada pela letra grega. A permeabilidade magnética de um material é a relação entre a condutividade magnética do material e a condutividade magnética do ar, ou, em outras palavras, a relação entre o magnetismo adquirido pelo material (B) na presença de uma força de magnetização externa (H). Dependendo de suas propriedades magnéticas ou do valor de µ, os materiais podem ser classificados como: • Ferromagnéticos: µ > 1 São materiais que são fortemente atraídos por um imã, como o ferro, cobalto e quase todos os tipos de aço e são ideais para serem submetidos à inspeção pelo método das partículas magnéticas (PM). • Paramagnéticos: µ = 1 São materiais que são levemente atraídos por um imã, como a platina, o alumínio, o cromo, o estanho e o potássio. Não são recomendados para inspeção por PM. • Diamagnéticos: µ < 1 São materiais que são levemente repelidos por um imã, como a prata, o zinco, o chumbo,o cobre e o mercúrio. O ensaio por PM não é aplicável a estes materiais. 2.6 – Histerese Magnética Quando um material ferromagnético é submetido a uma força magnetizante H, é induzido neste um campo magnético B, que tende a aumentar quando H aumenta. Este crescimento de se dá por saltos e de forma não linear. Depois que H aumenta acima de certos valores, a resposta do material em termos do campo magnético induzido diminui, até atingir um valor máximo de B, quando se diz que o material atingiu a saturação magnética. Diminuindo-se a força magnetizadora H, o valor de B tende a diminuir. Contudo, quando H se anula, o material pode reter um magnetismo residual. Para se anular completamente o magnetismo induzido deve-se aplicar uma força magnetizadora de sentido oposto à inicial. Se esta força continua aumentando, o material se magnetiza em sentido oposto e o campo pode continuar aumentando até atingir novamente a saturação Em outras palavras, a aplicação de uma força magnetizadora H a um material ferromagnético induz neste um campo magnético B que é inicialmente proporcional a H. Até um certo limite, retirando-se a força magnetizadora o material retorna a seu estado inicial. A partir de um certo valor de B, mesmo com a retirada completa de H, um certo magnetismo residual existirá neste material e este só pode ser anulado com a aplicação de uma força magnetizadora em sentido contrário e com um valor bem determinado. Para valores muito elevados de H, o material passa a responder mais fracamente e depois não mais responde em termos de crescimento do magnetismo induzido, quando se diz que o valor máximo de B foi atingido e o material está magneticamente saturado. Estes fatos são ilustrados na figura 2.
  4. 4. Magnetismo Induzido B Magnetismo máximo (saturação) Magnetismo Residual Força Magnetizadora H Figura 2 – Histerese magnética (esquemática) 2.7 – Magnetismo num condutor elétrico retilíneo, numa espira e num solenóide A passagem de uma corrente elétrica ao longo de um condutor retilíneo induz linhas de campo magnético B que são círculos com centro no condutor. A intensidade do campo induzido B em um ponto qualquer externo ao condutor cai com o quadrado da distância do centro deste ao ponto considerado. As direções do campo e da corrente são sempre perpendiculares entre si. Se este condutor forma uma linha fechada, o campo induzido se intensifica na região central, efeito que é intensificado se o condutor é dobrado em várias espiras, formando um solenóide. Isto é mostrado na figura 3. Linhas do Campo Magnético Corrente Elétrica (-) Condutor (+ ) (a) Bobina de indução Campo magnético Campo magnético Corrente elétrica Corrente elétrica (b) (c) Figura 4 – Linhas de campo magnético induzido (a) num condutor retilíneo, (b) numa espira e (c) num solenóide.
  5. 5. 2.8 – Campos de fuga Se um ímã é dobrado numa forma semi-aberta ou fechada, as linhas do campo magnético se distorcem na região entre os pólos Quando um campo magnético é induzido num material, as linhas de campo ficam inteiramente contidas no material, se este é homogêneo. Contudo se o material apresenta descontinuidades que modificam suas propriedades magnéticas, as linhas de campo se distorcem e podem sair e entrar novamente no material, gerando localmente pólos Norte e Sul, de forma que o material se comporta, nesta região, como um ímã, o que é ilustrado na figura 5. Figura 5 – Campos de fuga, capazes de atrair material magnetizável. 3. Equipamentos Os principais equipamentos usados no ensaio com partículas magnéticas têm por função basicamente produzir correntes elétricas e induzir campos magnéticos nas peças em exame, total ou localmente e podem ser portáteis ou estacionários. Outros equipamentos auxiliares são usados para avaliação da sensibilidade e calibração, para iluminação adequada e para desmagnetização dos materiais testados. Os equipamentos estacionários em geral são formados por vários módulos, tais como: fonte de corrente elétrica (1), bobina de magnetização e desmagnetização (2), barras de contato elétrico (3), reservatório de suspensão líquida de partículas magnéticas (4), bomba (5) e sistemas de controle (6). Um equipamento típico é mostrado na figura 6. 2 3 6 1, 4 e 5 embutidos no gabinete Figura 6 – Equipamento estacionário típico para inspeção com partículas magnéticas.
  6. 6. Os equipamentos portáteis podem formar conjuntos a partir de peças avulsas (1), dentre elas; barras de contato elétrico (2), eletroímãs, conhecidos como “yokes” (3), que podem ter pernas fixas ou articuladas, bobinas de magnetização e desmagnetização (4), fontes de luz ultra-violeta (5), mostrados na figura 7, 1 5 2 3 4 Figura 7 – Equipamentos portáteis para inspeção com partículas magnéticas (ver texto). Alguns dispositivos auxiliares para avaliação da sensibilidade do ensaio e calibração dos equipamentos são mostrados nas figuras 8 e 9. 1 1 1 1 2 Figura 8 – Dispositivos auxiliares (1) indicadores de campo magnético e (2) anel de Ketos.
  7. 7. 1 3 2 5 4 6 Figura 9 – Dispositivos auxiliares (1) barra de teste de Yoke, (2) e (3) medidores de intensidade de luz branca e ultravioleta, (4) e (6) medidores de campo magnético e residual e (5) medidores por efeito Hall. 4. Materiais e Consumíveis As partículas magnéticas receberam este nome e ele tem sido usado por razões históricas, mas na verdade elas são facilmente magnetizáveis e não devem reter um magnetismo residual elevado. Elas são, em geral, uma combinação de finas partículas de ferro e óxido de ferro, com a aparência, quando secas, de uma farinha fina como a de trigo, e são o principal consumível usado neste ensaio. Seu tamanho varia entre 0,2 µm e 0,4 mm, com distribuição granulométrica bem controlada. Elas podem ser coloridas (também chamadas de visíveis) ou fluorescentes. A figura 10 mostra partículas coloridas vistas a olho nu e ao microscópio. As características desejáveis para as partículas magnéticas são: • devem possuir alta permeabilidade magnética; • devem possuir baixa retentividade; • devem ter o tamanho e a forma bem controlados; • devem ser atóxicas e • devem estar livres de sujeira, graxa e outros materiais que comprometam o seu uso. Figura 10 – Partículas magnéticas coloridas vistas a olho nu e ao microscópio eletrônico.
  8. 8. Quanto ao modo de utilização, as partículas podem ser aplicadas a seco ou em suspensão num líquido, em geral água ou um derivado leve de petróleo. As principais características das partículas secas são: • são utilizadas como fornecidas, aplicadas diretamente na superfície a ser examinada; • em geral não são reutilizadas; • podem ser utilizadas sob condições ambientais adversas; • as partículas coloridas apresentam coloração cinza clara, preta, vermelha e amarela; • a cor é escolhida de forma a apresentar o maior contraste possível contra a superfície da peça examinada e • o exame é realizado sob luz branca natural ou artificial. As partículas magnéticas fluorescentes secas estão também disponíveis, mas não são muito utilizadas devido ao seu alto custo e limitações de uso. O uso das partículas magnéticas fluorescentes requer a utilização de luz negra e a disponibilidade de uma área de trabalho escura, requisitos geralmente não disponíveis para trabalhos em campo, onde o método a seco é o mais adequado. As partículas secas são aplicadas, em geral, por aspersores de borracha, como os mostrados na figura 11. Figura 11 – Aspersores de borracha para aplicação de partículas magnéticas secas, As principais características das partículas úmidas são: • são fabricadas para serem utilizadas em suspensão, em um meio como água ou um destilado leve de petróleo, a uma dada concentração; • são aplicadas na superfície de teste por meio de jatos, vazamento ou spray; • são disponíveis coloridas ou fluorescentes; • em geral são fornecidas como concentrados secos ou em pasta para serem preparados pelo usuário; • em alguns casos são fornecidas já misturadas com o meio de suspensão; • as suspensões são normalmente utilizadas em equipamentos estacionários e a suspensão é mantida num reservatório e recirculada para uso contínuo e • podem também ser utilizadas de forma não reaproveitável, com as aplicações por aerosol.
  9. 9. A concentração de partículas em suspensão líquida deve ser bem controlada e tubos centrifugadores como o mostrado na figura 12 são necessários para se determinar a concentração de uma suspensão após sua preparação ou durante a sua utilização quando contínua, em equipamentos estacionários. Figura 12 – Tubo centrifugador. Quanto à forma, as partículas podem ser esféricas ou alongadas. Partículas esféricas apresentam maior facilidade para formar aglomerados, mas são mais difíceis de magnetizar. 5. Técnicas de Inspeção Diversas técnicas podem ser usadas na inspeção com partículas magnéticas, dependendo dos materiais e equipamentos disponíveis e da sensibilidade desejada. Com relação às partículas, pode-se usar a técnica a seco ou úmida e a visível ou fluorescente. Quanto à magnetização, esta pode ser total ou parcial em relação ao objeto inspecionado, pode ser longitudinal ou transversal (ou circular) em relação ao eixo principal da peça, e ainda pode-se usar a magnetização contínua ou residual. Quanto ao tipo de corrente elétrica usado para induzir os campos magnéticos, esta pode ser alternada ou contínua, retificada em meia onda ou onda completa, O ensaio com partículas secas é geralmente superior ao ensaio por via úmida para a detecção de descontinuidades próximas à superfície, no exame de objetos grandes, com o uso de equipamentos portáteis para magnetização local e também quando a magnetização é realizada utilizando-se uma fonte de corrente retificada de meia onda, situação em que a mobilidade das partículas é maior para descontinuidades relativamente profundas. Esta técnica entretanto não pode ser utilizada em áreas confinadas sem a utilização de protetores para respiração, a probabilidade de detecção de descontinuidades superficiais finas é bem menor do que a obtida pela técnica por via úmida e as taxas de produção são menores dos que as obtidas utilizando-se a técnica via úmida. A técnica do pó seco ainda apresenta dificuldades para adaptação em sistemas de movimentação para a realização dos exames e é difícil de ser utilizada em posições de magnetização sobre-cabeça.
  10. 10. A inspeção com partículas fluorescentes requer uma câmara escura e o uso de luz ultravioleta com intensidade mínima de 1000 µW/cm2 na superfície examinada e o tempo de espera no ambiente escurecido deve ser de pelo menos 5 minutos antes de se iniciar o exame. A magnetização total ou parcial vai depender do tamanho das peças ou da área a ser examinada e dos equipamentos disponíveis. A figura 13 mostra estas técnicas, usando um equipamento estacionário e barras de contato, respectivamente. Em ambos os casos a magnetização é obtida pela passagem de corrente elétrica pelas peças em exame. (a) (b) Figura 13 – Magnetização total (a) usando uma bobina e local (b) usando barras de contato para inspeção com partículas magnéticas. A magnetização longitudinal é indicada para detecção de descontinuidades perpendiculares ao eixo principal da peça e em geral pode ser feita com o uso de bobinas ou de um “yoke”, como mostra a figura 14. Figura 14 – Magnetização longitudinal.
  11. 11. A quantidade de corrente necessária para produzir magnetização longitudinal suficiente (da ordem de 11.000 G ) para o ensaio pode ser estimada a partir do comprimento (L) e do diâmetro (D) médio da peça a ensaiar. Se a relação L/D for igual ou maior do que 4, o número de Amperes-espiras é dado por 35.000/(L/D+2). Se a relação L/D for menor do que 4 e maior do que este número é dado por 45.000/L/D. Quando se usa “yoke”, a magnetização deve ser tal que se consiga levantar a barra de teste mostrada na figura 9 (1) com as pernas do “yoke” nas mesmas condições em que será usado durante o ensaio. A magnetização transversal ou circular é indicada para detecção de descontinuidades paralelas ao eixo principal da peça e em geral pode ser feita com o uso de barras de contato ou de um condutor central, como mostra a figura 15. Corrente Figura 15 – Magnetização transversal. Quando a magnetização é feita com barras de contato, a corrente necessária para produzir magnetização adequada dependerá da distância entre as barras de contato e da espessura da peça. Recomenda-se uma corrente entre 90 e 110 A para cada 2,5 cm de separação entre as barras, se a espessura for de até 2 cm. Para espessuras superiores a corrente deverá ser entre 100e 125 A para cada 2,5 cm de separação entre as barras de contato. Distâncias inferiores a 8 cm em geral não são usadas devido à tendência das partículas se aglomerarem na região de união das barras de contato com a peça, dificultando a interpretação. Se a magnetização for obtida por condução entre as extremidades da peça, a corrente necessária é da ordem de 1.000A para cada 2,5 cm de diâmetro da peça. No caso de uso de condutor central são usadas correntes de 100 a 1.000 A por polegada (2,5cm) de diâmetro do furo por onde passará o condutor. É bom lembrar que a intensidade do campo cai com o quadrado da distância ao centro do condutor. Na técnica da magnetização contínua as partículas são aplicadas simultaneamente com a indução do campo magnético. Entretanto, em algumas situações isso não é conveniente, por exemplo, por razões de segurança, e nestes casos pode-se usar a técnica residual, na qual apenas o campo residual é usado para gerar campos de fuga e indicar a existência de descontinuidades. De modo
  12. 12. geral usa-se a técnica de magnetização contínua, que permite maior sensibilidade, com magnetização do material em teste na região de saturação magnética. Corrente alternada produz campo magnético alternado, com inversão de polaridade na mesma freqüência da corrente elétrica, o que dá maior mobilidade às partículas e maior sensibilidade ao ensaio. Contudo, campos alternados se propagam apenas pela superfície da peça e portanto essa técnica não permite a detecção de descontinuidades sub-superficiais. Corrente contínua retificada em meia onda permite ainda uma certa mobilidade das partículas, menor que em corrente alternada. Corrente contínua com retificação em onda completa resulta na maior penetração possível e menor mobilidade, sendo geralmente usada com partículas em suspensão líquida, o que compensa pelo menos parcialmente a menor mobilidade. A figura 16 mostra a forma de onda destes três tipos de corrente. (a) (b) (c) Figura 16 – Tipos de corrente (a) alternada, (b) retificada em meia onda e (c) retificada em onda completa As etapas de realização do ensaio são mostradas na figura 17 e são: (1) (2) (3) (4) Figura 17 – Etapas de realização do ensaio com partículas magnéticas. 1. preparação inicial da peça: consiste na limpeza da superfície de forma a permitir a interação das partículas com os campos de fuga de forma a permitir um bom contraste entre partículas e superfície. Esta etapa é mais simples que a etapa similar no ensaio com líquidos penetrantes. Podem ser usados meios químicos ou mecânicos, como lavagem, desengraxe, escovação etc, dependendo do estado da peça como recebida; 2. indução do campo magnético, usando as técnicas e equipamentos descritos anteriormente, com intensidade adequada; 3. aplicação das partículas magnéticas, secas ou em suspensão em líquido, de maneira uniforme ao longo da superfície e na quantidade correta. Pequena quantidade pode ser insuficiente para gerar as indicações e quantidade excessiva pode diminuir o contraste e a sensibilidade do ensaio; 4. exame da superfície para identificação das possíveis indicações e interpretação em termos da possibilidade de uso da peça.
  13. 13. 5. Indicações Como no ensaio por líquidos penetrantes, as indicações produzidas no ensaio com partículas magnéticas podem ser relevantes, irrelevantes ou falsas. Indicações falsas são aquelas que aparecem mas não são causadas por descontinuidades e sim por falhas de operação, como preparação inadequada da peça, ou uso errado do equipamento e materiais. As indicações irrelevantes são aquelas associadas com a geração de campos de fuga em regiões onde existem variações conhecidas e esperadas, em função da geometria das peças ou do processamento sofrido, tais com cantos em rasgos de chaveta ou limite entre uma região cementada e outra não cementada, por exemplo. Indicações relevantes são indicações que realmente indicam a presença de descontinuidade e precisam ser interpretadas e avaliadas em termos da possibilidade ou não de uso da peça examinada e da necessidade de reparos, se for o caso. A figuras 17 e 18 mostram indicações típicas obtidas no ensaio com partículas magnéticas. (a) (b) (c) (d) Figura 17 – Indicações do ensaio com partículas magnéticas fluorescentes (a) e (b) trincas de forjamento e (c) e (d) trincas devidas ao tratamento térmico. (CONFERIR)
  14. 14. (a) (b) Figura 18 – Indicações do ensaio com partículas magnéticas coloridas (a) trincas e mordeduras em cordão de solda e (b) trinca em peça forjada. (CONFERIR) 6. Desmagnetização Em muitas situações é necessária a desmagnetização da peça após a inspeção com partículas magnéticas, pois o magnetismo residual pode ser prejudicial ao funcionamento ou ao uso posterior do material ensaiado. Por exemplo, se a peça vai ser usinada após o ensaio, cavacos de usinagem podem ficar grudados na peça, prejudicando ou até mesmo impedindo a operação. A desmagnetização, em geral, é feita usando-se um campo magnético alternado decrescente com o uso de bobinas de desmagnetização. O campo decrescente pode ser obtido usando-se uma corrente elétrica decrescente ou aumentando-se a distância entre a peça e a bobina, através da movimentação de um ou outro. 7. Aplicações O ensaio com partículas magnéticas, como já dito, só é aplicável a materiais ferromagnéticos. No que se refere aos processos de fabricação, o ensaio pode ser aplicado a peças usinadas, fundidas, forjadas, soldadas e outras, tratadas ou não termicamente, intercalado ou após o processamento. Quanto às descontinuidades, o método é sensível a descontinuidades superficiais e subsuperficiais, não necessariamente abertas à superfície. A natureza destas descontinuidades deve ser tal que produza variações locais das propriedades magnéticas do material ensaiado, capazes de gerar campos de fuga, tais como, presença de vazios ou materiais estranhos (trincas, porosidades, falta de fusão ou penetração, rechupes, inclusões metálicas e não metálicas), regiões com diferentes fases, causadas por tratamentos termo-químico-mecânicos (têmpera, cementação etc.) ou ainda por variações bruscas de composição química, como na soldagem de materiais dissimilares ou brasagem, por exemplo. Quanto ao tipo de indústria, este ensaio tem sido usado na fabricação e manutenção metalmecânica em geral, como caldeirarias, tubulações, industriais naval, ferroviária, automobilística, de máquinas e equipamentos agrícolas, estruturas etc.

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