CARACTERIZAÇÃO DA RUGOSIDADE SUPERFICIAL ATRAVÉS DE TÉCNICA ULTRA-SÔNICA

Transcrição

1 CARACTERIZAÇÃO DA RUGOSIDADE SUPERFICIAL ATRAVÉS DE TÉCNICA ULTRA-SÔNICA Joanes Silva Dias CEFET/RJ Mauricio Saldanha Motta CEFET/RJ Trabalho apresentado no XXI Congresso Nacional de Ensaios Não Destrutivos, Salvador, agosto, 2002.

2 As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade do (s) autor(es). SINOPSE Propõe-se a caracterização da rugosidade superficial unidimensional, de superfícies metálicas, através da análise espectral de sinais de ondas ultra-sônicas, provenientes do eco superficial. Os resultados apresentam o comportamento das frequências ultrasônicas frente às rugosidades superficiais das amostras investigadas, indicando a utilidade da técnica como ferramenta de caracterização. 1.INTRODUÇÃO A rugosidade superficial apresenta-se como importante parâmetro microgeométrico, na busca de melhores desempenhos de processos e produtos onde o atrito tenha uma acentuada participação, como por exemplo componentes possuindo movimento relativo entre si ou transporte de fluidos em dutos. A forma mais utilizada para medida do parâmetro rugosidade superficial é através de rugosímetros, os quais podem ter como princípio de funcionamento o contato mecânico ou através do feixe de laser. Entretanto, nem sempre as superfícies investigadas permitem o contato direto e/ou estão opticamente acessíveis, como o interior de tubulações na estimativa de corrosão (1). Assim, o desenvolvimento de metodologias alternativas para determinação da rugosidade superficial apresentam-se de forma atrativa. As técnicas não destrutivas, em particular as técnicas ultra-sônicas, vêm despertando interesse de vários pesquisadores. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Na ausência de rugosidade superficial, os modos de reflexão e transmissão de uma onda ultra-sônica seriam uma simples propagação de planos de onda em direção oposta. Denominando-se R0 e T0 os bem conhecidos coeficientes de reflexão e transmissão, respectivamente, para incidência normal sobre uma interface lisa. Na presença de rugosidade superficial, as ondas tanto refletidas como transmitidas tornam-se complexos modos de espalhamento, possuindo desta forma coeficientes de reflexão e transmissão modificados (2). Presumindo-se que a energia incidente é dividida em partes refletidas e transmitidas do mesmo modo do caso de uma superfície lisa, mas sendo estas partes perturbadas pelas modulações de fase aleatórias, φ r (x,y) e φ t (x,y), respectivamente. Onde a atenuação de onda resultante pode ser representada por (3): E E = A 0 iφ e A ( x, y) dxdy Eq.(1) onde E0 é a amplitude complexa do modo sem perturbação, resultante de uma interface lisa, e φ(x,y) a modulação aleatória de fase, devido à rugosidade superficial.

3 Os coeficientes modificados de reflexão e transmissão podem ser escritos como (2): e h k1 R = R e Eq.(2) T 2 1 2h ( k1 k = T e 2 ) 2 Eq.(3) 0 onde k 1 e k 2 denotam os números de onda longitudinal nos primeiro e segundo meios, respectivamente, e h o parâmetro da rugosidade superficial. 3.METODOLOGIA Como metodologia para caracterização da rugosidade superficial empregou-se a atenuação produzida pela rugosidade superficial, sobre o feixe de onda ultra-sônico refletido na interface de contato. A figura 1 apresenta a configuração do experimento, onde E0 representa o feixe refletido por uma superfície lisa, no caso a superfície de um atrasador de sinais de vidro, sem o contato com a interface possuindo rugosidade superficial e E o feixe refletido, durante o contato com a interface. Assim a influência da rugosidade superficial pode ser analisada por (4): Influência da rugosidade = E/E0 Eq.(4) cristal piezo-elétrico E E 0 atrasador de sinais glicerina líquida Figura 1. Esquemático do experimento realizado corpo de prova A atenuação produzida pela rugosidade superficial foi então calculada através da equação 5, (5). 2 E Atenuação db = 10 log 10 Eq.(5) 2 E0

4 Os resultados da técnica ultra-sônica foram comparados com o parâmetro de rugosidade superficial Ra, obtido por meio de rugosímetro de contato mecânico Produção de Amostras Foram utilizadas chapas de aço do tipo IF (interstitial free), com as dimensões de 150x5x2,6 mm, nas quais produziu-se rugosidade superficial unidimensional, através de lixamento com lixas de mesh 220 e 400. Assim as amostras foram denominadas como 220 e Parâmetros da Técnica Ultra-sônica Aplicou-se a técnica pulso-eco em contato, com transdutor ultra-sônico possuindo frequência central de 30MHz, banda larga e com atrasador de sinais permanente em sílica fundida. Para cada uma das duas amostras, foram adquiridos 10 sinais para as condições com e sem contato, com a interface possuindo rugosidade superficial; sendo a média dos sinais no domínio da frequência, para cada condição, utilizada nas equações 4 e 5. 4.RESULTADOS A tabela 1 apresenta os valores do parâmetro de rugosidade superficial Ra, medido por meio de rugosímetro de contato mecânico. Tabela 1. Valores de Rugosidade Superficial Amostra Rugosidade Ra (mm) 220 6, ,50 Através das figuras 2 e 3 verifica-se a influência da rugosidade superficial sobre a relação E/E 0 e a atenuação do sinal ultra-sônico, respectivamente.

5 Figura 2. Relação E/E 0 versus frequência Figura 3. Atenuação do feixe ultra-sônico resultante da rugosidade superficial. 5.CONCLUSÕES A técnica ultra-sônica mostrou-se promissora na caracterização de rugosidade superficial, apresentando-se sensível na diferenciação das amostras. O aumento do parâmetro de rugosidade superficial Ra produziu um decréscimo da relação E/E0, indicando uma diminuição da energia do feixe refletido, o que pode ser comprovado pelo aumento da atenuação do feixe ultra-sônico.

6 Verifica-se a existência de uma faixa de frequência ótima em relação aos parâmetros de rugosidade superficial. Mostrando a existência de uma correlação entre comprimento de onda ultra-sônica e rugosidade superficial. 6.REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1)PEDERSEN, P.C., GREBE, A., Application of Time Delay Spectrometry for Rough Surface Characterization, Ultrasonics, 39, pp , (2)NAGY, P.B., ADLER, L., Surface Roughness Induced Attenuation os Reflected and Tranmitted Ultrasonic Waves, Journal of Acoustical Society of America, 82, pp , (3)BECKMANN, P., SPIZZICHINO, A., The Scattering of Electromagnetic Waves from Rough Surfaces, New York, Pergamon, (4)NICOLETTI, D.W, Scaling Properties of Ultrasonic Attenuation and Grain Size in Metals, Ph.D. thesis, Drexel University, Philadelfia, Pennsylvania, USA, (5)ROSE, J.H. et al, Effective Ultrasonic Transmission Coefficient for Randomly Rough Surfaces, Journal of Acoustical Society of America, 100, pp , 1996.