Metodologia não destrutiva para acompanhamento de transformaçÕes microestruturais baseada em medidas de tensão hall



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METODOLOGIA NÃO DESTRUTIVA PARA ACOMPANHAMENTO DE TRANSFORMAÇÕES MICROESTRUTURAIS BASEADA EM MEDIDAS DE TENSÃO HALL

A. L. S. S. Andrade, aluciassouza@gmail.com, IFPB;

E. de M. Silva, edgardmsilva@gmail.com, IFPB;

N. C. dos Santos,IFPB; P. G. Gonçalves, IFPB;

I.Xavier, IFPB;T.Franca,IFPB;

J. P. Leite, UFPB; D. C. de M. Cavalcante, UFCG



RESUMO
Os ensaios Não Destrutivos são usados para avaliar a presença de descontinuidades que possam vir a afetar a integridade de materiais em serviço. Esse é o motivo principal pelo qual são usados em manutenção para detectar defeitos. No presente trabalho, sensores de efeito Hall são utilizados para desenvolvimento de uma metodologia não destrutiva capaz de acompanhar variações microestruturais. Amostras de Aços ( SAE 1020 e UNS -S31803 ) com diferentes geometrias foram utilizados para determinação do efeito das dimensões da peça a ser ensaiada. O efeito da geometria foi estudado por meio de simulações utilizando o Método dos Elementos Finitos. Para análise do efeito das mudanças microestruturais, utilizou-se um material em que na temperatura de estudo ocorresse transformações devido à decomposição de uma única fase, ou seja, de modo que toda variação do sinal fosse devido a presença dessa única fase. Um aço inoxidável duplex que possui essas características para temperaturas abaixo de 525°C foi escolhido. Medidas de permeabilidade magnética baseadas nos valores de tensão Hall foram realizadas, bem como medidas de dureza e difração de raio-X. Os resultados experimentais, que correlacionam as medidas da metodologia apresentada com a técnica consolidada de difração de raio-X, mostram que a mesma é capaz de acompanhar variações microestruturais.

Palavras chaves: aço inoxidável duplex, ensaio não destrutivo, tensão hall.


INTRODUÇÃO
O uso de materiais ferromagnéticos dentro das aplicações na engenharia faz com que a perda de fluxo magnético seja uma das técnicas utilizadas para determinar a presença de descontinuidades tanto na superfície como também no seu interior (1). O efeito Hall, descoberto por Edwin Herbert Hall em in 1879, já é conhecido por mais de cem anos, mas sua utilização tornou-se viável nas últimas três décadas com o advento da microeletrônica.

O efeito Hall é utilizado na indústria em uma ampla variedade de aplicações de sensoriamento, podendo ser encontrado em tacômetros, switches, medidores: de posição, inclinação, nível, pressão, espessura, corrente, tensão, potência, frequência e campo magnético. Também podem ser encontrados na indústria de aviação, utilizados em avaliações não destrutivas (3).

O uso de propriedades magnéticas também já é bastante difundido na ciência dos materiais, mas até então tais propriedades foram utilizadas apenas em mecanismos de detecção de descontinuidades ou falhas.

O aço inoxidável duplex UNS-S31803 tem como principal característica elevada resistência à corrosão e resistência mecânica. Tal ocorre devido à sua composição de 50% ferrítico e 50% austenítico. Por isso é considerado hoje tão importante seu uso em indústrias como petroquímicas, alimentícias, papel e celulose e na de petróleo e gás (4). Entretanto, quando aquecidos a temperaturas superiores a 300 °C esse tipo de aço perde sua tenacidade se tornando um material frágil devido ao surgimento de partículas ricas em cromo que empobrecem a matriz desse elemento (4).

As transformações de fases em um aço UNS S31803 para temperaturas abaixo de 550o C deve-se ao mecanismo de decomposição espinodal. Este mecanismo consiste na decomposição espontânea da matriz de ferrita através de flutuações de composição, formando regiões ricas e pobres em soluto, que origina a fase α’ nas regiões ricas. Com o passar do tempo estas fases coerentes com a matriz perdem a coerência. Este processo de transformação tem sido observado por métodos destrutivos e não destrutivos (4;5).

(5), acompanharam a formação da fase α’ em aços inoxidáveis duplex, na faixa de temperatura de 425°C e 475oC para tempos até 200 horas, através de medidas de velocidade sônica, obtidas por um aparelho de ultrassom industrial. Esta técnica mostrou-se promissora para detecção da fase α’, que possui dimensões nanométricas, na região estudada.

No presente trabalho, sensores de efeito Hall foram utilizados numa nova metodologia não destrutiva capaz de acompanhar variações microestruturais. Para esse fim foi escolhido um material em que na temperatura de estudo ocorresse transformações microestruturais devido à decomposição de uma única fase. Assim, apenas o efeito desta transformação modificará o sinal de tensão Hall.
METODOLOGIA
O estudo da influência da espessura da peça nas medidas de tensão Hall foi realizado em um o aço SAE 1020. Amostras de 24 mm de diâmetro e espessuras de 2, 4, 6, 8 e 10 mm foram usinadas. As medidas foram realizadas na posição central das amostras e deslocadas para direita e esquerda, com espaçamentos iguais a três milímetros, sendo realizadas em três posições para direita e três para esquerda na mesma linha.

As medidas de tensão Hall foram realizadas em uma bancada de teste conforme figura 1. Os valores de tensão Hall são diretamente proporcionais ao produto vetorial entre a corrente e o campo aplicado, ou seja, os valores são máximos quando corrente e campo são perpendiculares. O campo aplicado foi gerado por um eletroímã. Utilizou-se um campo de 0,027 Teslas. Os valores de tensão Hall foram obtidos por um sensor do tipo SS495A. Cinquenta medidas foram realizadas em cada ponto e o intervalo de confiança adotado foi de 95%.

Amostras de um aço inoxidável duplex UNS-S31803 com espessuras de 6, 10 e 12 mm foram usinadas para análise do efeito da espessura. As medidas de tensão Hall foram medidas na região central para avaliar o efeito da espessura. Utilizaram-se os mesmo parâmetros aplicados ao aço SAE 1020.

Figura 1. Configuração experimental do ensaio de tensão Hall, contendo: (1) computador; (2) placa de aquisição de dados; (3) fonte de alimentação (CC); (4) bancada de ensaios; (5) sensor Hall; (6) amostra; (7) eletroímã.
A simulação da geometria foi realizada no aço SAE 1020 pelo Método dos Elementos Finitos. O efeito do material no comportamento das linhas de campo foi estudado. A estrutura simulada é o solenoide e a peça conforme figura 2.

Figura 2. Geometria simulada.


Amostras de um aço inoxidável duplex UNS-S31803 foram envelhecidas nas temperaturas de 425°C e 475oC, com os seguintes tempos de envelhecimentos: 12, 24, 48, 100 e 200 horas, a fim de acompanhar a formação da fase á’. Estas e uma amostra na condição como recebida foram submetidas a ensaio de dureza Rockwell C, difração de raio-X e tensão Hall. Os dois primeiros ensaios são técnicas consolidadas e foram utilizadas para comparação de seus resultados com os de medidas magnéticas da nova metodologia não destrutiva apresentada.

Os ensaios de difração de raios-X (DRX) foram realizados com o objetivo de identificar as fases presentes no aço antes e após o tratamento de envelhecimento. As amostras foram confeccionadas nas dimensões de 30x20x8 mm, sendo uma amostra para cada tempo de envelhecimento, em cada uma das três temperaturas de tratamento térmico. O equipamento utilizado foi um difratômetro SIEMENS D5000 (PAIS), operado segundo os parâmetros de radiação ka do Cobre, com tensão de 40 kV e corrente de 30 mA, passo de 0.02o, com tempo por passo igual a 9.6 s.

Os ensaios foram realizados adotando um ângulo de varredura (2q) variando de 30 a 110º. Para o estudo em torno do pico (200) da fase α’, foi aplicado um ângulo de varredura (2q) que variou de 62 a 66º, para as diferentes condições de tratamento de envelhecimento.

Neste trabalho, foi realizado um estudo, a partir dos espectros de DRX, para examinar o perfil do pico (200). Neste sentido, a medida da Largura a Meia Altura (LMA) foi aplicada para analisar a variação no alargamento do pico com o tempo de envelhecimento. Os valores de LMA obtidos dos espectros de difração de raio- X foram ajustados por um filtro não linear de Gauss.



RESULTADOS E DISCUSSÃO
Na figura 2 temos a variação das medidas de tensão Hall em função da variação da espessura, para uma amostra com 24 mm de diâmetro. As medidas foram realizadas a partir do centro da amostra, sendo realizadas três medidas para cada lado. O ponto central corresponde ao ponto zero do gráfico.

Um material ferromagnético quando submetido à ação de um campo externo, o campo aplicado é ampliado pela parcela de magnetização, devido à interação do campo com os dipolos magnéticos e domínios do material. Na figura 2 temos a aplicação de um campo magnético sobre um material com variação apenas das espessuras. A contribuição da magnetização sobre o material é a mesma, visto que a variação é somente da espessura do material. Como a permeabilidade magnética é a mesma, o sensor Hall estará submetido a uma densidade de linhas de campo constante. Sensores de efeito Hall tem como resposta um valor de tensão que é proporcional a corrente e campo aplicado. Para que os valores sejam máximos o campo tem que ser aplicado perpendicularmente ao elemento Hall.

Ao analisarmos o ponto central (zero), que corresponde a medidas realizadas no centro da peça, notamos que os valores de tensão Hall aumentam com o aumento da espessura do material. Estes valores tendem a ficar constantes para espessuras a partir de 8 mm. O aumento se deve a maior facilidade de penetração das linhas de campo à medida que a espessura aumenta. Como a diferença de permeabilidade magnética entre a peça ferromagnética ensaiada e o meio externo ar é grande, as linhas de campo terão maior dificuldade de penetração para espessuras menores, levando a uma redução do ângulo de penetração das linhas de campo e uma consequente redução dos valores de tensão Hall. Deste modo, existe um valor de espessura a partir da qual as linhas terão facilidade de penetrar sem que sofram a influência da interface oposta, que é de ar. Para o ensaio realizado esta espessura ideal foi de 11 mm.

Na figura 3 podemos observar também um aumento nos valores de tensão à medida que as medições são deslocadas para a extremidade da peça. As linhas de campo quando aplicadas, no centro de simetria da peça, elas têm a facilidade de deslocarem uniformemente ao longo do raio da peça, resultando numa redução do ângulo de incidência e redução nos valores de tensão. Contudo, quando aplicadas nas extremidades, as linhas tendem a migrar para o lado de maior permeabilidade. As linhas próximas à interface peça e ar tenderam a penetrar o mais perpendicular e depois fluir na direção contrária a interface. Este comportamento também foi observado em trabalhos realizados com a simulação de linhas de campo em transformadores (6).


Figura 3 – Variação das medidas de tensão Hall em função da variação da espessura, para um aço SAE 1020 de diâmetro de 24 mm. O zero corresponde o centro da peça.


As linhas de campo das amostras com espessuras de 2 e 11 mm foram simuladas por meio do Método dos Elementos Finitos a fim de comprovarmos a interação das linhas de campo com o material em estudo. Na figura 4 esta distribuição de linhas é apresentada. Observa-se que o ângulo de incidência das linhas de campo aumenta com o aumento da espessura do material.




Figura 4. Simulação das linhas de campo para amostras de espessura de 2 e 11 mm.

A segunda parte do trabalho consistiu em aplicar a metodologia para acompanhar variações microestruturais. Para esse fim foi escolhido um material em que na temperatura de estudo ocorresse transformações microestruturais devido à decomposição de uma única fase, logo apenas o efeito desta transformação modificará o sinal de tensão Hall. Um aço inoxidável duplex que possui estas características para temperaturas abaixo de 525ºC foi escolhido.

Medidas de tensão Hall foram realizadas em amostras de 12 mm, visto que a partir de 10 mm, os valores de medidas passavam a independer da espessura da peça. Isto pode ser observado pelos valores de tensão Hall apresentados na tabela I.
Tabela 1. Medidas de tensão Hall em função da espessura do aço inoxidável duplex utilizado. Medidas com erro de 0,0025 mm, obtidos com um intervalo de confiança de 95%.


Espessura (mm)

Valor de tensão Hall em Volts

6

3,95434

10

3,97506

12

3,98

A micrografia do aço inoxidável duplex escolhido na condição como recebido, é apresentada na Figura 5 onde se observa a presença das fases austenita e ferrita e o alongamento dos grãos devido à laminação.


Figura 5 - Microscopia ótica da estrutura do AID. Ataque Behara.


As transformações que ocorrem em função da temperatura e tempo de envelhecimento para os aços inoxidáveis duplex indicam duas regiões distintas, uma para temperatura acima de 600ºC correspondente à formação das fases Cr2N, c,s, etc, e outra para temperaturas abaixo, onde se destaca a fragilização à 475ºC (7). Esta temperatura é caracterizada pela decomposição da fase ainicial em uma fase α’’ rica em Cromo. A fase ƴ não sofre transformação nesta região, (8).

A fase α se decompõe espontaneamente formando uma fase denominada de α’ que tem composição química próxima da fase α. A formação desta fase pode ser estudada pela formação de bandas laterais em torno do pico (200) de difração de raio-x da fase a. Estas provocam alargamento do pico e redução da sua intensidade. Com o objetivo de estudar o efeito destes fenômenos determinou-se a intensidade do pico a meia altura, que é um parâmetro de análise de formação de bandas laterais. (5).

Na figura 6 temos a variação de dureza, tensão Hall e largura a meia altura para amostras envelhecidas na temperatura de 475oC. Os resultados de dureza mostram a presença de dois estágios de endurecimentos nas temperaturas em estudo, sendo cada um com taxas de endurecimento bem distintas.

As medidas de largura a meia altura são utilizadas para acompanhamento de transformações microestruturais. (4). Nos aços inoxidáveis duplex, nas temperaturas de estudo, temos somente transformações microestruturais dentro da fase ferrítica. O pico (200) desta fase sofre variações em sua forma devido a formação de uma nova fase denominada α’ dentro da fase α. Na figura 6 temos um aumento dos valores de largura a meia altura para valores inferiores ao tempo de 24 horas. Este aumento inicial se deve a região de formação da fase α’. Esta região corresponde ao primeiro estágio de endurecimento do aço inoxidável estudado. Neste caso o endurecimento com maior taxa se deve a formação da fase α’. No segundo estágio temos o final da formação dessa fase, para tempos estudados.


Figura 6. Variação de medidas de tensão Hall, dureza e largura a meia altura para amostras envelhecidas na temperatura de 475oC.


Os resultados de tensão Hall apresentam um comportamento semelhante ao das medidas de largura a meia altura. Estes mostram serem sensíveis às variações microestruturais do material em estudo. Os valores de tensão Hall medem a capacidade das linhas de campo penetrar no material, sendo uma medida indireta de permeabilidade magnética.

Alguns trabalhos que estudaram a precipitação de fase em aços duplex por meio magnético, tomaram (9;10;11) como base a variação volumétrica da fase ferrita. A fração volumétrica da fase ferrita em aços inoxidáveis duplex têm sido determinada por meio de testes em ferritoscópio (7; 12). A caracterização de α’’ em aços inoxidáveis através da variação da permeabilidade magnética, constatou que a precipitação da fase α’’dificulta o movimento dos domínios magnéticos, quando da aplicação de um campo externo, provocando a diminuição dos valores de permeabilidade (13;14).

A queda nos valores de permeabilidade na metodologia empregada se deve às distorções das linhas de campo, provocadas pela formação dos precipitados, a medida que o tempo de envelhecimento aumenta. Os valores decrescem e tende a se estabilizar com o final da formação da fase α’’.
CONCLUSÕES
No presente trabalho foi estudada a potencialidade do uso de medidas de permeabilidade magnéticas através de resultados obtidos por sensores de efeito Hall, para acompanhamento de transformação microestrutural, chegando às seguintes conclusões:

As medidas de tensão Hall são sensíveis às interações das linhas de campo com o meio. Medidas próximas à extremidade do material sofrem o efeito da interação com a interface ar e aço e resulta em valores maiores que na região central das amostras. Existe uma espessura de material em que esta deixa de influenciar nas medidas para o campo aplicado.

Valores de tensão Hall podem ser empregados para acompanhar variações microestuturais em aços inoxidáveis. Estas linhas são afetadas pela presença de precipitados no aço inoxidável duplex estudado. A fase formada na temperatura de estudo tem tamanho de ordem nanométrica e sua detecção apenas é possível por microscopia eletrônica de transmissão. Isto indica a capacidade da técnica apresentada em acompanhar a formação da fase estudada.
Agradecimentos: Os autores agradecem ao suporte financeiro do CNPQ.
REFERÊNCIAS

1. ENOKIZONO, M., TOKADA, T., TUCHIDA, Y., HACHIKI, N., Finite element analysis of moving magnetic flux type sensor developed for nondestructive testing IEEE. Trans. Magn. 35 1853-1956, 1999.

2. Bi, Y., JILES, D.C., Dependance of magnetic properties on crack size in steels, IEEE, Trans. Magn. 34 (1998), pp. 2021–2224, 1998

3. KOSMAS, K., SARGENTIS, C., TSAMAKIS, D., HRISTOFOROU, E., Non-destructive evaluation of magnetic metallic materials using Hall sensors., Journal of Materials Processing Technology 161, pp. 359–362, 2005.


4. SILVA, E. M. ; ALBUQUERQUE, Victor Hugo Costa de ; LEITE, J. P. ; VARELA, A. C. G., MOURA, E. P. ; TAVARES, J. M. R. S. . Phase Transformations Evaluation on an UNS S31803 Duplex Stainless Steel based on Nondestructive Testing. Materials Science & Engineering. A, Structural Materials: properties, microstructure and processing, v. 516, p. 126-130, 2009.

5. Albuquerque, V. H. C., SILVA, E. M.; Pereira, L. J.,; Moura, E. P.; Araújo, V. L. ; Tavares, J. M. R.S., Spinodal decomposition mechanism study on the duplex stainless steel UNS S31803 using ultrasonic speed measurements. Materials in Engineering, Materials and Design, v. 31, p. 2147-2150, 2010.



6. CARLSON, R. e FREDERIC, W., Optimal design of a set of permanent magnet generators with the same cross-section, João Pessoa, Momag 15º SBMO – Simpósio Brasileiro de Micro-ondas e Optoeletrônica e o 10º CBMag – Congresso Brasileiro de Eletromagnetismo, 2012.
7. TAVARES, S.S.M., PARDAL, J.M., GUERREIRO, J.L., GOMES, A.M., DA SILVA, M.R., “Magnetic detection of sigma phase in duplex stainless steel UNS S31803”, J. Magn. Magn. Mater. 322 (2010), pp. 129-133, 2010.
8. FREITAS, V. L. A., Normando, P. G., Albuquerque, V. H. C.,, Silva, E. M, and Silva, A. A., Nondestructive Characterization and Evaluation of Embrittlement Kinetics and Elastic Constants of Duplex Stainless Steel SAF 2205 for Different Aging Times at 425°C and 475°C”. Journal of Nondestructive Evaluation, 2011, Volume 30, Number 3, Pages 130-136.
9. TAVARES, S. S. M.; PEDROZA, P. D. S., TEODÓSIO, J. R., DA SILVA, M. R., NETO, J. M., PAIRIS, S., Magnetic properties of the UNS S39205 duplex stainless steel”, Journal of Alloys and Compounds 351 (2003), pp. 283–288, 2003.
10. TAVARES, S.S.M., TERRA, V.F., NETO, P.L., MATOS, D.E., “Corrosion resistance evaluation of the UNS S31803 duplex stainless steels aged at low temperatures (350–550o C) using DLEPR tests”, J. Mater. Sci. 40(15), pp. 4025–8, 2005.
11. TAVARES, S.S.M., MELLO, S.R., GOMES, A.M., NETO, J.M., DA SILVA, M.R., PARDAL, J. M., “X-ray diffraction and magnetic characterization of the retained austenite in a chromium alloyed high carbon steel”. Journal of Mater. Sci. 41 (2006), pp. 4732-4736, 2006.
12. NORMANDO, P. G., MOURA, E. P., SOUZA, J. A., TAVARES, S. S. M., PADOVESE, L. R., Ultrasound, eddy current and magnetic Barkhausen noise as tools for sigma phase detection on a UNS S31803 duplex stainless steel”, Mater. Sci. Eng. A 527 (2010), pp. 2886–2891, 2010.
13. PARDAL, J.M., Propriedades mecânicas e magnéticasdo aço maraging classe 300 em diversas condições de tratamento térmico, Dissertação de Mestrado, UFF, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, 2004.
14. PARDAL, J.M., 2009, Efeitos dos Tratamentos Térmicos nas Propriedades Mecânicas, Magnéticas e na Resistência à Corrosão de Aços Inoxidáveis Supeduplex, Tese de D.Sc., 440 p., Depto. Eng. Mecânica/UFF, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.

NO DESTRUCTIVE METHODS FOR TRACKING CHANGES BASED ON MEASURES MICROSTRUCTURAL VOLTAGE HALL
ABSTRACT
The Nondestructive Testing are used to assess the presence of discontinuities that may affect the integrity of materials in service. This is the main reason why they are used to detect defects in maintenance. In the present work, Hall effect sensors are used to develop a nondestructive methodology able to follow microstructural variations. Samples l (SAE 1020 and UNS-S31803) with different geometries were used to determine the effect of the dimensions of the part to be tested. The effect of geometry has been studied by simulations using the Finite Element Method. For analysis of the effect of microstructural changes, we used a material in which the transformations teoccur due to the decomposition of a single phase, in the temperature of study. This means, that any variation in signal was due to the presence of this unique phase. A duplex stainless steel which has these characteristics for temperatures below 525 ° C was chosen. Measurements of magnetic permeability based on the Hall voltage values ​​were taken as well as hardness measurements and X-ray diffraction. The experimental results which correlate the measurements of the methodology presented with the consolidated technique of X-ray diffraction, show that it is able to follow microstructural changes.


Key words: duplex stainless steel, non destructive test, hall voltage.

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