Métodos de medição de tensão

A medição de tensão no material normalmente é feita de forma indireta, por exemplo, medindo a deformação. As relações dependem de alguma propriedade do material; no caso das tensões uniaxiais, do módulo de elasticidade. Para medir tensões aplicadas, o procedimento requer a comparação das medições antes e após a aplicação do carregamento externo (SCHAJER; WHITEHEAD, 2018) e, para essa tarefa podem ser usados extensometria, fotoelasticidade e outros. No caso da tensão residual, que se entende como a tensão presente no corpo quando não há carregamento externo ou fonte de tensão,

os procedimentos mais aplicados medem o relaxamento do material, ou seja, um corte ou furo é feito e o quanto a tensão relaxa na posição de medida guarda relação com a sua magnitude original em pontos selecionados.

A utilização de extensômetros está presente em diversos métodos de medição de tensão, conforme será indicado a seguir. No entanto, o uso de extensômetros apresenta limitações comparado a outros métodos por não ser portátil, não poder ser empregado em mais de um lugar após o uso, a sua instalação ser trabalhosa e necessitar de cuidados especiais de proteção. Os métodos conhecidos para medir tensão são classificados por destrutivos, semidestrutivos e não destrutivos.

- Métodos destrutivos:

Como métodos destrutivos, são destacados os métodos de remoção de camada e seccionamento, utilizados principalmente para a medição de tensão residual.

• Remoção de camadas

O método consiste na remoção química de camada na superfície de corpos planos. Essa remoção causa desequilíbrio estático de forças e momentos internos, de modo que a amostra se deforma para restabelecer o equilíbrio. Parâmetros como a deflexão, espessura e propriedades do material são usados para obter as tensões residuais de acordo com a deformação obtida após a remoção de camadas.

• Seccionamento

O método de seccionamento consiste em realizar um corte no material para liberação da tensão residual. Com o relaxamento das tensões surgem deformações. Deve- se ter cuidado durante o processo de corte para não introduzir deformação plástica significativa ou temperatura intensa na superfície, que venham a interferir na tensão original através da modificação das características do material. As deformações durante o processo de corte são medidas com extensômetro e podem ser axiais ou transversais (ROSSINI et al., 2012).

- Métodos semidestrutivos

Os métodos semidestrutivos incluem o método do furo cego (hole drilling) e o do anel usinado (ring core). Suas definições e aplicações são apresentadas a seguir:

• Método do furo cego (hole drilling)

Esse método é dos mais usados para medir tensão residual por ser de fácil aplicação, baixo custo, versátil, com exatidão normalmente adequada e por poder ser usado em diferentes tipos de materiais. O procedimento para aplicação do método requer a usinagem de um pequeno furo não passante no material e a medição do relaxamento ocasionado pelo alívio de tensões. Esse relaxamento ocasiona deformações que podem ser medidas por extensômetros e usadas para calcular as tensões do local onde houve remoção de material. Tal comportamento ocorre porque quando o material estressado é removido o seu entorno deve reajustar seu estado de tensão para obter novo equilíbrio (KANDIL et al., 2001; ROSSINI et al., 2012; RUUD, 1981).

Para implementá-lo, o furo é cercado por extensômetros roseta, medindo as deformações principais relativas. O seu diâmetro pode variar de 1 a 3 mm e igual profundidade. Em relação as suas limitações, erros podem ocorrer por variação no diâmetro e na concentricidade do furo, rugosidade e outros, em especial quando a tensão não é uniforme.

• Método Ring Core

Trata-se de um método semelhante ao hole drilling, baseado no relaxamento de tensão. A diferença é que no lugar de um furo é usinado um anel na superfície do corpo, com diâmetro interno de 15 a 150 mm. O extensômetro de roseta é colocado no centro do anel. Esse método é mais sensível, porém causa mais danos ao material analisado.

- Métodos não-destrutivos

Além de ser um método não destrutivo, apresenta vantagens como baixo custo, simplicidade e rapidez. É aplicado para medição de tensões residuais e aplicadas em materiais com propriedades ferromagnéticas, que são sensíveis ao estado de tensão do material (RUUD, 1981).

O método é fundamentado no fenômeno descoberto pelo físico Heinrich Georg Barkhausen, que mostra que sinais são produzidos por variações descontinuas na magnetização de materiais ferromagnéticos quando sujeitos a mudança de campo magnético (PEREIRA; GRIJALBA; SANTOS, 2016) . A mudança no nível de tensão altera o número de domínios alinhados, reduzindo a energia elástica no magneto. Os domínios são semelhantes aos imãs e sua estrutura também sofre mudanças quando tensões são aplicadas. Isso causa alteração das paredes do domínio e pulsos elétricos são gerados, podendo ser medidos. Esse sinal é conhecido como Ruído de Barkhausen. Outros fatores como a dureza, textura, tamanho de grão também afetam as propriedades magnéticas (KANDIL et al., 2001).

O método precisa calibrado possibilita medições com profundidade entre 0,01 e 3 mm. A sensibilidade do método a tensões é elevada, porém a dispersão normalmente é elevada, tornando-o mais adequado para medições de tensões de elevada magnitude (PEREIRA et al., 2016).

• Difração de Raio-X

Quando o material metálico está tensionado, seja tensão aplicada ou residual, a deformação elástica resultante causa a mudança no espaçamento dos planos atômicos da estrutura cristalina (RUUD, 1981). A difração de Raio-X permite medir a distância entre planos do material policristalino, que pode ser comparada com a distância quando o material está livre de tensão. Dessa forma, conhecendo o módulo de elasticidade é possível obter a tensão no material.

O método consiste em aplicar feixes de Raio-X na superfície do material policristalino, que penetra na superfície e é difratado pelos planos do cristal. Através da lei de Bragg, o comprimento de onda e ângulo incidente permitem obter a distância entre planos (KANDIL et al., 2001).

A técnica é eficiente para medir tensões na superfície, e apresenta limitações quanto ao tamanho e geometria da peça testada, além da necessidade de preparação da

superfície, evitando presença de rugosidades que poderiam interferir significativamente com os resultados. Os equipamentos atuais são seguros, segundo o que a literatura informa, embora a exposição aos Raios-X tenha sido uma questão recorrente desde o início da aplicação da técnica, quando se trata de empregá-la em atividades corriqueiras de inspeção no campo.

• Difração de Nêutrons

O método por difração de nêutrons é semelhante a difração de Raio-X, medindo a distância entre planos cristalográficos. A sua maior vantagem refere-se à profundidade penetração, que pode ser próxima a 0,2 mm, podendo chegar a até 100 mm para o alumínio e 25 mm para aço. Por isso, a técnica pode ser usada para avaliar tensões internas. Além disso, apresenta alta resolução e pode fornecer análise tridimensional (ROSSINI et al., 2012). Uma das desvantagens do método está em seu custo elevado e no aparato de segurança necessário para sua aplicação, além da dificuldade de empregar um reator nuclear em campo ou em instalações fabris para a inspeção dos seus produtos.

• Ultrassom

A velocidade da onda ultrassônica é afetada pela variação de tensão no material, fenômeno conhecido como acustoelasticidade (EGLE; BRAY, 1976). O método de ultrassom pode ser usado tanto para tensões residuais quanto tensões aplicadas e não tem restrição quanto ao tipo de material. Além disso, pode ser aplicado em amostras e nos elementos de estrutura reais.

A medição por ultrassom pode ocorrer com diferentes configurações dos transdutores e com diferentes modos de ondas, como longitudinais e cisalhantes, é possível variar a profundidade de propagação com a mudança na frequência aplicada.

• Interferometria

Também conhecida por interferometria eletrônica de padrão speckle (ESPI -

Electronic Speckle Pattern Interferometry). O método permite obter dados de

A técnica é baseada na interferência de feixes de luz incidentes na superfície, o que permite a gravação de imagens. O feixe de laser aplicado é dividido em um feixe de referência e um feixe objeto. O feixe objeto incide na superfície da amostra e a luz refletida é captada pela câmera CCD, onde também incide a luz de referência, que trafega por um caminho diferente (MAXWELL, 2007).

Quando ocorre deformação ocorre mudança de fase no feixe objeto, ocorrendo interferência com o feixe de referência. O feixe do objeto interfere na luz de referência para produzir um padrão de manchas no CCD, formando grãos claros e escuros, o speckle. O deslocamento pode ser obtido pela diferença nos pontos na fotografia antes e após a deformação.

Para melhor visualizar as diferenças entre os métodos, a Tabela 2.1 traz um resumo com suas principais características.

Tabela 2.1 – Resumo dos métodos de medição de tensão

MÉTODO CARACTERISTICAS

Remoção de camadas Tensão biaxial e uniforme, profundidade de inspeção de 0,1 a 3 mm, avalia macro tensões;

Seccionamento Campo de tensão 3-D, profundidade de inspeção dentro de 1 mm, avalia macro-tensões;

Furo cego Tensão biaxial e uniforme, profundidade de inspeção de 0,02 a 15 mm, avalia macro-tensões;

Ruído de Barkhausen Material ferromagnético, profundidade de inspeção de 0,1 a 1 mm, avalia macro-tensões, micro tensões e sub micro tensões;

Difração de Raio-X

Material policristalino de grãos finos, isotrópico e homogêneo, profundidade de inspeção de 1 a 50 um (não destrutivo) e 10 mm(destrutivo), avalia macro-tensões e micro tensões;

Difração de Nêutrons Material policristalino, isotrópico e homogêneo, profundidade de inspeção de 2 a 50 mm, avalia macro e micro tensões;

Ultrassom Material homogêneo, tensão no caminho acústico entre transmissor e receptor, avalia macro, micro e sub micro tensões;

Interferometria Componentes com formato complexo, necessário campo visual adequado da superfície.