analise ultra som tensóes residuais.pdf

Download analise  ultra som tensóes residuais.pdf

Post on 11-Dec-2015

18 views

Category:

Documents

5 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

<ul><li><p> UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA </p><p>DEPTO. DE ENGENHARIA MECNICA PROGRAMA DE PS-GRADUAO </p><p>ANLISE POR ULTRA-SOM DA TEXTURA DOS MATERIAIS E TENSES RESIDUAIS EM JUNTAS SOLDADAS </p><p>DISSERTAO SUBMETIDA UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PARA A OBTENO DO GRAU DE MESTRE EM </p><p>ENGENHARIA MECNICA </p><p>MESTRANDA: CLEIDE M. MARQUEZE </p><p>FLORIANPOLIS / SC JULHO / 2002 </p></li><li><p> ii</p><p>ANLISE POR ULTRA-SOM DA TEXTURA DOS MATERIAIS E TENSES RESIDUAIS EM JUNTAS SOLDADAS </p><p>CLEIDE M. MARQUEZE </p><p> Esta dissertao foi julgada para obteno do ttulo de </p><p> MESTRE EM ENGENHARIA MECNICA </p><p> ESPECIALIDADE ENGENHARIA MECNICA E APROVADA EM SUA </p><p>FORMA FINAL PELO PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA </p><p>________________________________________________ Prof. Augusto J. de A. Buschinelli, Dr. Ing. - Orientador </p><p>_________________________________________________ Prof. Jos A. Bellini da Cunha Neto, Dr. Eng. - Coordenador do Programa </p><p>BANCA EXAMINADORA: </p><p>__________________________________________________ Marcelo de Siqueira Q. Bittencourt, Dr. Eng. </p><p>___________________________________________________ Prof. Carlos Enrique Nio Bohrquez, Dr. Eng. </p><p>____________________________________________________ Prof. Armando Albertazzi G. Jnior, Dr. Eng. </p></li><li><p> iii</p><p>AGRADECIMENTOS </p><p>- minha famlia pela pacincia, compreenso e incentivo aos estudos. </p><p>- Ao prof. Augusto Buschinelli pela orientao, apoio e incentivo. </p><p>- Ao IEN/CNEN, em especial ao Eng. Marcelo de Siqueira Q. Bittencourt pelo compartilhamento de </p><p>suas pesquisas com relao anlise de tenses residuais por ultra-som com o Laboratrio de </p><p>Soldagem da UFSC. </p><p>- Ao CENPES/ PETROBRS, em especial ao Eng. Roberto Carneval, pelo apoio financeiro, o qual </p><p>possibilitou a realizao desta pesquisa. </p><p>- Aos Laboratrios de Materiais da Eng. Mecnica, Civil e ETFSC pelo apoio na realizao dos </p><p>ensaios. </p><p>- Aos engenheiros, tcnicos e bolsistas do Labsolda/UFSC pela ajuda na preparao dos corpos de </p><p>prova e realizao dos ensaios. </p><p>- Aos colaboradores da Fundao CERTI pela presteza e apoio ao trabalho. </p><p>- Ao Eng. Alexander Espinosa Hernndez pelo desenvolvimento dos programas de aquisio e </p><p>processamento de sinais os quais foram fundamentais para a realizao deste trabalho. </p><p>- A todo povo brasileiro pois, na verdade toda a estrutura universitria existe graas a eles que a </p><p>mantm atravs do pagamento de impostos, que so gerados de seus trabalhos. </p></li><li><p> iv</p><p>SUMRIO </p><p>Lista de abreviaturas...................................................................................................... </p><p>Lista de smbolos............................................................................................................. </p><p> vii </p><p> viii</p><p>Resumo............................................................................................................................. x </p><p>Abstract............................................................................................................................ xi</p><p>1. Introduo.................................................................................................................... 1 </p><p>2. Reviso bibliogrfica................................................................................................... 3 </p><p>2.1. Tenses residuais....................................................................................................... 3 </p><p>2.2. Tenses residuais na soldagem.................................................................................. 3 </p><p>2.3. Mtodos para a determinao das tenses residuais nos materiais................................. 9 </p><p>2.3.1. Difrao de raios-x....................................................................................................... 9</p><p>2.3.2. Difrao de nutrons............................................................................................... 10</p><p>2.3.3. Mtodo do furo cego com extensmetros.............................................................. 10</p><p>2.3.4. Mtodo do furo com tcnicas pticas..................................................................... 12</p><p>2.4. Tcnica ultra-snica para a avaliao da textura dos materiais e medio das </p><p>tenses residuais................................................................................................................</p><p> 15</p><p>2.4.1. Velocidade das ondas ultra-snicas........................................................................ 16</p><p>2.4.2. Acustoelasticidade e birrefringncia....................................................................... 19</p><p>2.4.3. Tcnicas de medies da velocidade da onda ultra-snica..................................... 31</p><p>2.4.4. A textura dos materiais............................................................................................ 32</p><p>2.4.5. Determinao por ultra-som das tenses residuais em juntas soldadas.................. 36</p><p>3. Materiais e mtodos..................................................................................................... 39</p><p>3.1. Componentes do sistema de medies por ultra-som................................................ </p><p>3.2. Sistema desenvolvido para o processamento do sinal ultra-snico adquirido........... </p><p> 41</p><p> 45</p></li><li><p> v</p><p>3.3. Determinao da textura de chapas de ao................................................................ 45</p><p>3.3.1. Determinao da direo de laminao por metalografia...................................... 46</p><p>3.3.2. Determinao da direo de laminao por ultra-som............................................ 47</p><p>3.4. Birrefringncia acstica do ao ABNT 1012............................................................. 48</p><p>3.5. Determinao da constante acustoelstica do material atravs do ensaio ultra-snico... 49</p><p>3.6. Determinao por ultra-som, das tenses principais atuando na pea soldada............... 52</p><p>3.7. Determinao pelo mtodo do furo com extensmetros, das tenses principais atuando </p><p>na pea soldada....................................................................................................................... </p><p> 54</p><p>4. Resultados e discusso...................................................................................................... 55</p><p>4.1. Avaliao comparativa da textura de chapas de ao por metalografia e ultra-som......... 55</p><p>4.1.1. Chapa de ao ABNT 1010 laminado a quente.............................................................. 55</p><p>4.1.2. Chapa de ao ABNT 1045 laminada a frio................................................................... 56</p><p>4.1.3. Chapa de ao ASTM A516 grau 70 laminada a quente................................................ 56</p><p>4.1.4. Chapa de ao ABNT 1012 laminada a quente.............................................................. 60</p><p>4.2. Verificao da confiabilidade do programa de processamento de sinais (MATLAB) do </p><p>Labsolda.................................................................................................................................. </p><p> 65</p><p>4.3. Anlise da birrefringncia acstica de chapas de ao ABNT 1012................................. 66</p><p>4.3.1. Anlise do CP de trao................................................................................................ 66</p><p>4.3.2. Anlise da birrefringncia das chapas de ao ABNT 1012 (antes da soldagem)......... 70</p><p>4.3.3. Anlise da birrefringncia das chapas de ao ABNT 1012 (aps a soldagem)............ 72</p><p>4.4. Determinao da constante acustoelstica do material................................................... 75</p><p>4.5. Determinao por ultra-som das tenses principais atuando na chapa soldada.............. 78</p><p>4.6. Determinao das tenses principais na pea soldada pelo mtodo do furo com </p><p>extensmetros......................................................................................................................... </p><p> 87</p></li><li><p> vi</p><p>5. Concluses finais......................................................................................................... 91</p><p>6. Sugestes para trabalhos futuros.............................................................................. 93</p><p>7. Referncias bibliogrficas.......................................................................................... 95</p><p>Anexo A............................................................................................................................ 101</p><p>Anexo B............................................................................................................................ 105</p></li><li><p> vii</p><p>LISTA DE ABREVIATURAS </p><p> CP = corpo de prova. </p><p> DL = direo de laminao. </p><p> DP = direo de polarizao. </p><p> DAC = direo de aplicao da carga. </p><p> ZAC = zona afetada pelo calor. </p><p> ASTM = American Society for Testing of Materials. </p><p> TIG = Tungsten Inert Gas. </p><p> MIG = Metal Inert Gas </p><p> A/D = analgico/digital. </p><p> ABNT = Associao Brasileira de Normas Tcnicas. </p><p> SAE = Society of Automotive Engineers. </p><p> MPa = mega pascal. </p><p> CA = corrente alternada. </p><p> ns = nanosegundo. </p><p> mV = milivolt. </p><p> pV = picovolt. </p><p> t = tonelada </p><p> IEN = Instituto de Engenharia Nuclear </p></li><li><p> viii</p><p>LISTA DE SMBOLOS </p><p> = variao = Temperatura. </p><p> e = Tenso de escoamento. t = Tenso transversal. l = Tenso longitudinal. VL = Velocidade da onda longitudinal. </p><p> VC = Velocidade da onda cisalhante. </p><p>VS = Velocidade da onda superficial. </p><p>E = Mdulo de Young. </p><p> = Densidade. = Coeficiente de Poisson. G = Mdulo de cisalhamento. </p><p> 0 = densidade inicial. VL1 = velocidade da onda longitudinal se propagando na direo 1, com o deslocamento </p><p>das partculas tambm na direo 1. </p><p>Vij = velocidade da onda cisalhante se propagando na direo i, com o deslocamento das </p><p>partculas na direo j. </p><p> e = Constantes elsticas de segunda ordem (constantes de Lam). l, m e n = Constantes elsticas de terceira ordem (constantes de Murnaghan). </p><p> 1, 2 e 3 = Componentes das deformaes principais nas direes 1, 2 e 3. = Deformao. K = Mdulo volumtrico. </p><p> k = constante acustoelstica normalizada. </p></li><li><p> ix</p><p> B = Birrefringncia. </p><p> Bo = Birrefringncia inicial. </p><p> m = constante acustoelstica do material. </p><p> = Angulo entre as direes das tenses principais e a direo de simetria ortotrpica do material. </p><p> 1 e 2 = Tenses principais atuando no material. </p></li><li><p> x</p><p>RESUMO </p><p>Neste trabalho foi desenvolvida e aplicada uma metodologia experimental para se analisar a </p><p>textura dos materiais bem como medir as tenses residuais geradas pela soldagem, atravs do </p><p>emprego do ultra-som utilizando-se a tcnica da birrefringncia acstica. A bancada experimental </p><p>consistiu de um aparelho de ultra-som, um transdutor piezoeltrico de ondas cisalhantes com </p><p>incidncia normal, osciloscpio digital e um microcomputador. Para a aquisio de dados </p><p>instalou-se no microcomputador uma placa de aquisio compatvel com a interface GPIB e </p><p>desenvolveu-se um programa no ambiente Windows que permitiu a aquisio de dados e seu </p><p>posterior armazenamento no microcomputador. Uma vez que as variaes de velocidade em </p><p>funo das tenses resultam em alteraes do tempo de percurso da onda ultra-snica da ordem de </p><p>nanosegundos, foi necessrio realizar medidas do tempo com elevada preciso e resoluo. Para </p><p>isto foi desenvolvido um programa computacional para aumentar a taxa de amostragem e </p><p>processar o sinal atravs da correlao cruzada. Inicialmente fez-se um estudo da determinao da </p><p>textura (direo de laminao) por ultra-som de algumas chapas de ao, para comparao com a </p><p>anlise metalogrfica. Posteriormente analisou-se uma chapa de ao (ABNT 1012), quanto s </p><p>tenses originadas pela soldagem, traando-se curvas de distribuio de tenses paralelas e </p><p>perpendiculares ao cordo de soldagem. O trabalho mostrou que a tcnica da birrefringncia pode </p><p>ser utilizada para a avaliao da direo de laminao de chapas de ao bem como, para a </p><p>avaliao da distribuio de tenso residual em chapas soldadas. Os resultados da distribuio de </p><p>tenses transversais e longitudinais so discutidos e comparados com o levantamento das tenses </p><p>residuais medidos com a tcnica do furo cego (extensometria). </p></li><li><p> 1</p><p>ABSTRACT </p><p>This work describes an experimental methodology based on the birefringence technique, which </p><p>was developed and applied to analyse material texture and to measure residual stresses induced by </p><p>welding process. The experimental system consisted of an ultrasonic equipment, a piezoeletric </p><p>transducer with shear waves, a digital oscilloscope and a microcomputer. For data acquisitions it </p><p>was installed an aquisition card in the computer which is compatible with the GPIB interface. </p><p>Besides that, a program under Windows was developed which permitted the data acquisition and </p><p>storage in the computer. As the ultrasonic wave speed changes with stresses in a magnitude of the </p><p>time of flight in the range of nanoseconds, it was necessary to carry out measures of the time with </p><p>high precision and resolution. For that a computational program was developed in order to </p><p>increase the signal sampling rates and processing by cross correlation. Firstly the texture </p><p>determination (rolled direction) of the different steel was studied by ultrasonic waves and </p><p>compared to metallografic analysis. After that the residual stresses induced by the welding process </p><p>in a mild steel plate (ABNT 1012) was analysed. The results of the stresses destribution paralell </p><p>and transverse to the welding direction was discussed and compared to results from the blind hole </p><p>drilling method with strain gage. </p></li><li><p> 1</p><p>1. Introduo </p><p> As tenses residuais so tenses internas, que existem no material mesmo na ausncia de </p><p>carregamentos externos. Originam-se tanto de processos de fabricao e montagem como em </p><p>servio. Podem ser trativas ou compressivas e, em geral, so triaxiais, variando de ponto para </p><p>ponto, dependendo principalmente da complexidade da geometria da pea. A menos que se faa </p><p>um tratamento trmico de alvio de tenses, o que nem sempre possvel, essa tenso representa </p><p>um fator significativo a ser adicionado s tenses de carregamento quando se determina a </p><p>resistncia de uma estrutura. O conhecimento do campo de tenses residuais, isto , sua </p><p>magnitude, orientao e distribuio, muito importante para a segurana quando se faz o projeto </p><p>de estruturas e tambm para a determinao do tamanho crtico do defeito, nos clculos de </p><p>mecnica da fratura, pois, sabe-se que a tenacidade fratura, influenciada pela microestrutura do </p><p>material na vizinhana da trinca e tambm pelo nvel de tenso, contribuindo com a propagao </p><p>da trinca ou impedindo-a. </p><p>A avaliao de componentes soldados muito importante por questes econmicas e por </p><p>razes de segurana. A integridade destes componentes depende da ausncia de defeitos que </p><p>possam ser prejudiciais, da presena de tenses residuais dentro de nveis aceitveis (se sua </p><p>eliminao no for possvel) e da presena de uma microestrutura apropriada com as propriedades </p><p>mecnicas desejadas, para que no haja degradao sob condies de operao. Portanto, uma </p><p>avaliao no destrutiva com relao aos defeitos, estado de tenses e microestrutura deve ser </p><p>realizada antes e durante o servio do componente para garantir sua integridade [Raj e </p><p>Jayakumar/199...</p></li></ul>