ANÁLISE DAS TENSÕES RESIDUAIS EM AÇO X65 PELA TENSOMETRIA POR DIFRAÇÃO DE RAIOS-X E POR RUÍDO MAGNÉTICO BARKHAUSEN Bruna Machado 1, João Marcos A. Rebello 2, Leosdan F. Noris 1, Maria Cindra Fonseca 1 ¹Departamento de Engenharia Mecânica/PGMEC/ UFF Universidade Federal Fluminense, Rua Passo da Pátria, 156, Bloco D, S/302, CEP 24210-240, São Domingos, Niterói RJ, Brasil, mcindra@vm.uff.br ²Programa de Engenharia Metalúrgica e de Materiais PEMM/COPPE/UFRJ Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro RJ, Brasil. RESUMO As tensões residuais estão presentes em componentes mecânicos, estruturas e tubulações, pois todos os processos de fabricação e tratamentos são potenciais geradores de tensões. Considerando que estas tensões internas podem se somar aos carregamentos de serviço, o conhecimento da natureza e magnitude destas tensões torna-se importante, para evitar que resultem na ruptura inesperada e prematura do componente, se forem trativas, e, portanto, deletérias. Entretanto, as tensões de compressão são benéficas, pois aumentam a vida em fadiga e a resistência à corrosão sob tensão. Por este fato, oferecer alternativas de técnicas que facilitem a qualificação e a quantificação das tensões residuais é tarefa de grande importância. O presente trabalho tem como objetivo um estudo comparativo das tensões residuais pelas técnicas de difração de raios-x e ruído magnético Barkhausen (RMB), em amostras de aço API5L X65. Os resultados de RMB foram coerentes com a natureza das tensões residuais por difração de raios-x. Palavras-Chave: tensões residuais, aço API 5L X65, difração de raios-x, ruído magnético Barkhausen. INTRODUÇÃO Os aços ARBL (Alta Resistência e Baixa Liga) fabricados conforme a norma API 5L são aços microligados, utilizados com sucesso em aplicações que requerem custo relativamente baixo, propriedades mecânicas de alta resistência, boa 4612
tenacidade à fratura e excelente soldabilidade, sendo empregados em todo mundo especialmente na fabricação de tubos para transporte de petróleo e gás (1). As tensões residuais influenciam as propriedades mecânicas dos materiais e, em particular, a resistência à fadiga. Através do conhecimento da natureza, trativa ou compressiva, e da magnitude das tensões residuais presentes em um componente ou estrutura, é possível prever as prováveis consequências destes campos de tensão, pois em alguns casos, falhas prematuras podem resultar da combinação de tensões residuais trativas com tensões de serviço, mesmo no regime elástico. É bem estabelecido que tensões residuais de tração, conhecidas como deletérias, resultam na diminuição da vida em fadiga do componente, aumentando a propensão à corrosão sob tensão. Por outro lado, tensões de compressão têm efeitos benéficos, inibindo a nucleação e a propagação de trincas (2)(3). São várias as técnicas existentes disponíveis para medição das tensões residuais e, dentre elas, destacam-se: difração de raios-x, o método do furo cego, difração de nêutrons, ultrassom, ruído magnético Barkhausen, entre outras (4). Assim, o presente trabalho apresenta um estudo comparativo das tensões residuais em amostras de aço ARBL, API 5L X65, pela tensometria por difração de raios-x e por ruído magnético Barkhausen. O primeiro método está bem estabelecido e demonstra-se eficaz na determinação das tensões, residuais e aplicadas, em materiais cristalinos. Ela permite qualificar e quantificar em magnitude e direção as tensões superficiais existentes em dado ponto do material. Os seus princípios básicos foram desenvolvidos há mais de cinquenta anos e são baseados em duas teorias: a teoria da difração de raios-x em materiais cristalinos e a teoria da elasticidade do material sólido, oriunda da mecânica dos sólidos (5)(6). O segundo método tem sido bastante estudado para esta aplicação, e a principal razão para esse interesse deve-se ao fato de se basear no efeito que a presença de tensões mecânicas e/ou descontinuidades microestruturais exerce no movimento das paredes dos domínios magnéticos em materiais ferromagnéticos, durante o processo de magnetização, sem causar danos à integridade do material, demonstrando grande potencial na aplicação em campo. O efeito recíproco (efeito Vilari) faz com que uma tensão de tração aplicada ao material, que tende a alongálo, facilite a sua magnetização na direção de aplicação da tensão, enquanto que 4613
uma tensão de compressão tenderá a dificultá-la (7), conforme apresentado na Figura 1. Figura 1 Alinhamento dos domínios magnéticos devido à (a) tração e (b) compressão (8). MATERIAIS E MÉTODOS No presente trabalho foram estudadas quatro amostras (A, B, C e D) de aço da classe API 5L X65, laminado a quente, conforme a Norma API 5L (2000). A composição química e as propriedades mecânicas do aço estudado são apresentadas nas Tabelas 1 e 2, respectivamente. Tabela 1 Composição química do aço X65 (% em peso). C Si Mn P S Cr Ni Mo V Ti Al 0,128 0,247 1,35 0,011 0,0035 0,022 0,016 0,0024 0,003 0,0029 0,033 Tabela 2 Propriedades mecânicas do aço API X65. Tensão limite de escoamento (MPa) Tensão limite de resistência (MPa) Alongamento mínimo (%) 476 575 18 Quatro amostras foram preparadas por usinagem, usando os processos de fresamento e retificação, com parâmetros de corte selecionados, de modo a resultar em diferentes níveis de tensões residuais na superfície. A seguir, foi realizado o tratamento de shot peening com esferas de vidro, a uma pressão de trabalho de 800 MPa, somente na amostra A, com o intuito de induzir tensões residuais compressivas de elevada magnitude nas superfícies tratadas. Na amostra B foi realizado um tratamento térmico de alívio de tensões (TTAT), de modo a torná-la 4614
isenta de tensões residuais, para considerá-la como referência. As duas outras amostras permaneceram na condição como-usinadas. As tensões residuais foram analisadas por difração de raios-x com um analisador de tensões Stressrad, fabricado pela Radicon, apresentado na Figura 2. Foi usado o método do sen²ψ, com radiação CrΚα (λ= 2,29092 Å), difratando o plano (211) da ferrita. A Figura 3 mostra os 3 (três) pontos de medições das tensões residuais longitudinais (L) superficiais, em cada amostra. Figura 2 Analisador de tensões Stressrad: (1) Goniômetro; (2) Tubo de raios-x; (3) Software; (4) Amostra analisada. Figura 3 Locais e direção da medição das tensões residuais nas amostras. Para realização do ensaio ruído magnético de Barkhausen, o equipamento utilizado para medições das tensões residuais foi o BarkTech, desenvolvido pelo Laboratório de Dinâmica e Instrumentação - LADIN da USP. O controle total do sistema foi realizado pelo software BarkView. Foram utilizados os mesmos parâmetros de ajustes para todas as amostras, nos quais a frequência de excitação do sistema foi de 40 Hz e a frequência de amostragem, de 350 MHz. A montagem do experimento está apresentada na Figura 4. 4615
Figura 4 Montagem do sistema de análise por RMB: (1) Condicionador de sinais; (2) Fonte; (3) Sonda; (4) Software; (5) Amostra analisada. RESULTADOS E DISCUSSÃO Análise por difração de raios-x As tensões residuais foram analisadas na direção longitudinal (L), no centro de cada amostra, por difração de raios-x. Os resultados estão apresentados na Tabela 3 e Figura 4. Tabela 3 Tensões residuais medidas por difração de raios-x. Amostra Ponto Tensão Residual (MPa) A B C D 1-380 ±10 2-380 ±8 3-400 ±11 1 6 ± 3 2 15 ± 5 3 25 ± 9 1 440 ±25 2 450 ±19 3 340 ±23 1-280 ±11 2-270 ±4 3-240±15 Tensão Residual Média (MPa) -390 15 390-270 4616
Figura 4 Tensões residuais médias. Analisando a Tabela 3 e Figura 6, é possível perceber que, conforme desejado, a preparação das amostras resultou em diferentes níveis e naturezas de tensões residuais (trativas e compressivas). A amostra A, que sofreu tratamento mecânico de shot peening, apresentou tensões residuais compressivas de elevada magnitude (-390 MPa). A amostra B, que foi submetida ao TTAT, pode ser considerada como isenta de tensões residuais (15 MPa). A amostra C resultou em tensões residuais de tração, da ordem de 390 MPa, enquanto a amostra D resultou em tensões residuais compressivas, em magnitude menor do que a amostra A, da ordem de -270 MPa. Análise por Ruído magnético Barkhausen (RMB) Os resultados das análises obtidas por RMB estão apresentados na Tabela 4. Tabela 4 Ruído magnético Barkhausen (V). Amostra A B C D Ponto 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 RMB(V) 0,46 0,45 0,46 0,60 0,61 0,58 0,71 0,72 0,71 0,57 0,56 0,57 Média RMB (V) 0,46 0,60 0,71 0,57 4617
Analisando os resultados da Tabela 4 é possível perceber que a amplitude do sinal RMB é um parâmetro que pode ser usado para qualificar a natureza das tensões residuais, pois é possível afirmar que as tensões residuais de tração favorecem o aumento dos sinais RMB, alinhando os domínios magnéticos no sentido da tensão, enquanto as tensões residuais compressivas geram níveis de RMB menores, alinhando os domínios magnéticos em direção perpendicular à tensão, o que está coerente com os resultados obtidos por Sorsa et al., (2018) (7). Para melhor visualização dos resultados, nas Figuras 5 e 6 estão apresentadas os comparativos dos valores de tensões residuais com o RMB, de todos os pontos e de suas médias, respectivamente. Figura 5 Comparativo entre tensões residuais e RMB. Figura 5 Comparativo entre as médias das tensões residuais e RMB. 4618
A Figura 7 apresenta os resultados do envelope médio do ruído de Barkhausen, sendo que a unidade usada é o volt (V). Pode-se afirmar que a mínima amplitude de sinal observada é a da amostra A, que apresenta o maior nível de tensões residuais de compressão. Já a máxima amplitude é indicada pela amostra C, com o maior nível de tensões residuais trativas. Entre as amplitudes dos sinais das amostras com a mesma natureza de tensões residuais (A e D), observa-se a mínima na amostra com a maior magnitude de tensões residuais de compressão (A), indicando sensibilidade dos sinais com relação à quantificação destas tensões. Figura 7 Envelopes médios de RMB. O parâmetro estatístico RMS (Root Mean Square) é utilizado para análise do RMB, e a correspondência dos perfis deste parâmetro está na Figura 8. Figura 8 Comportamento dos perfis do RMSRMB. 4619
A análise da Figura 8 permite considerar que as medições foram realizadas em regiões iguais do corpo de prova na ausência de variações microestruturais, tais como aquelas que ocorrem na zona termicamente afetada de juntas soldadas, por exemplo, aumentos no valor RMSRMB foram produzidos pelo aumento nas tensões de tração presentes no material, o que está coerente com os resultados de Yu Deng et al. (2018) (8), como ocorreu nas amostras C e B (com tensões residuais de tração da ordem de 15 MPa). Diminuições dos valores RMSRMB no ponto 2 de medição das amostras contendo tensões residuais de compressão (A e D) também podem ser notadas. CONCLUSÕES Os resultados obtidos no presente trabalho, onde amostras com diferentes níveis de tensões residuais foram analisadas e comparadas com o uso de duas técnicas, difração de raios-x e RMB, permitem as seguintes conclusões: 1. Os sinais do RMB aumentam em áreas contendo tensões residuais de tração, e diminuem em áreas com tensões residuais compressivas. 2. A técnica de ruído magnético Barkhausen permite qualificar tensões residuais e apresenta grande potencial para aplicação no campo. 3. Existe sensibilidade dos sinais de RMB com relação à magnitude das tensões residuais. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq, à CAPES e à FAPERJ pelo suporte financeiro, que permitiu a realização do presente trabalho. REFERÊNCIAS BIBIOGRÁFICAS 1) Scotti A., Li H., Miranda, R. M., A Round-robin test with thermal simulation of the welding HAZ to draw CCT diagrams: a need for harmonized procedures and microconstituent terminologies, Soldagem & Inspeção, v. 19, pp. 279-290, 2014. 4620
2) Fuhr, J. P.; Basha M.; Wollmann M.; Lothar, W.; Coverage and peening angle effects in shot peening on HCF performance of TI-6AL-4V, Procedia Engineering, v. 213, p. 682-690, 2018. 3) Li, H.Y., Sun, H. L., Bowen, P., Knott, J. F.; Effects of compressive residual stress on short fatigue crack growth in a nickel-based superalloy, International Journal of Fatigue, v. 108, pp.53-61, 2018. 4) Pedrosa, P.D., Rebello, J.M.A. & Cindra Fonseca, M.P, Residual stress state behavior under fatigue loading in duplex stainless steel, Journal of Strain Analysis for Engineering Design, v. 46, pp.298-303, 2011. 5) Rossini, N.S., Dassisti, M., Benyounis, K.Y., Olabi, A.G., Methods of measuring residual stresses in components, Materials and Design, v. 35, pp. 572 588, 2012. 6) Cindra Fonseca, M. P. Evolução do estado de tensões residuais em juntas soldadas de tubulação durante ciclos de fadiga. 2000. Tese (Doutorado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais) - COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro. 7) Sorsa A., Santa-aho, S., Wartlaunen, J., Suominem L., Vippola M., Leiviska, K., Effect of Shot Peening Parameters to Residual Stress Profiles and Barkhausen Noise, Journal of Nondestructive Evaluation, v. 37, 2018. 8) Yu Deng, Zhe Li, Juan Chen, Xin Qi, The effects of the structure characteristics on Magnetic Barkhausen noise in commercial steels, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, v. 451, PP. 276-282, 2018. RESIDUAL STRESSES ANALYSIS IN X65 STEEL BY X-RAY DIFFRACTION TENSIOMETRY AND MAGNETIC BARKHAUSEN NOISE TECHNIQUE ABSTRACT All manufacturing processes and treatments are potential generators of residual stresses. These residual stresses are present in mechanical components, structures and pipes, and can be added to the service loads. It is important to know its magnitude, nature and direction, in order to avoid an unexpected and premature rupture of components, being the tensile stresses deleterious, while the compression stresses are beneficial, as they increase fatigue life and resistance to stress 4621
corrosion cracking. Therefore, to offer alternatives of techniques that facilitate the qualification and quantification of residual stresses is a task of great importance. In this context, the present work has as objective a comparative study of the residual stresses using X-ray diffraction and magnetic Barkhausen noise technique (RMB) in X65 steel samples. The results of the RMB were consistent with the nature of the residual stresses by X-ray diffraction. Key-words: residual stresses, steel API 5L X65, X-ray diffraction, magnetic Barkhausen noise technique. 4622