8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA
Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007
CHARPY INSTRUMENTADO – APLICAÇÃO DE UM FILTRO ELETRÔNICO
BASEADO NA TRANSFORMADA DE FOURIER PARA ELIMINAR SINAIS
INTERFERENTES ORIUNDOS DO MARTELO E CORPO-DE-PROVA.
Hirayama, R, ¹; Santos, G, P¹; Tokimatsu,R, C¹; Gonçalves, A, C¹ & Lago,D, F,¹.
¹Universidade Estadual Paulista- UNESP, Faculdade de Engenharia, Avenida Brasil Centro, 56; U, Av. Brasil Centro, 56, Ilha Solteira – SP, CEP: 15385000
e-mail: glaube_perussi@hotmail.com, rhirayama@gmail.com e ruis@dem.feis.unesp.br .
RESUMO
O ensaio de impacto Charpy convencional que se vale de um martelo pendular para caracterizar mecanicamente os materiais é um ensaio mecânico consagrado no meio científico e industrial. Sua função é determinar a energia total absorvida para causar a fratura completa de um corpo de prova entalhado, padronizado segundo a norma ASTM E-23. Através da instrumentação adequada, pode-se aumentar a quantidade de informações obtidas a partir do ensaio de impacto Charpy clássico. No entanto, a aquisição dos sinais captados e processados pelo microcomputador são carregados de interferências e oscilações indesejáveis que podem conter varias combinações, tais como avanço de trinca, efeitos do processo de deformação, ou mesmo originado pelo impacto das partes envolvidas. Assim faz-se necessário o tratamento do sinal. Discute-se e analisa-se um método de filtragem baseado na transformada de Fourier com o método de média móvel. A filtragem realizada pela transformada de Fourier tenta eliminar a influência dos sinais interferentes a partir da identificação de suas freqüências características. Este método se apresenta como uma alternativa promissora para melhorar a fidelidade do sinal capturado durante o carregamento por impacto.
Palavras-chave: Ensaio de impacto, propriedades mecânicas, tenacidade, análise de sinal.
INTRODUÇÃO
O ensaio de impacto Charpy convencional é um ensaio muito utilizado para determinar energia total absorvida, já o ensaio Charpy Instrumentado aumenta a quantidade de informações captando informações como força máxima, força de limite de escoamento e força de inicio de propagação da trinca, que são utilizadas para calcular a tenacidade à fratura dinâmica. Para a aquisição do sinal são utilizados extensômetros elétricos de resistência, posicionadas no martelo pendular. No trabalho proposto foi estudado o cordão-de-solda do aço COS Civil 300 utilizado na fabricação de perfis metálicos para construção civil. Como a fabricação de tais perfis soldados torna-se de custo muito elevado, propôs-se a utilização de apenas um cordão-de-solda, porém para tal se necessita de uma melhora nas propriedades mecânicas a fim de compensar a falta de um dos cordões.
Com o sinal força – tempo obtidas pelo ensaio de Charpy Instrumentado surgiu outro problema. Junto com o sinal do ensaio aparecem oscilações interferentes causadas: pelo avanço da trinca, efeitos do processo de deformação, ou mesmo originadas pelo impacto das partes envolvidas. O objetivo do estudo é eliminar essas ondas indesejáveis utilizando o método da transformada de Fourier para a identificação das freqüências interferentes eliminando-as para enfim determinar as propriedades do ensaio.
As estruturas metálicas vêm sendo utilizadas no mundo desde o início do século XIX, como um processo construtivo rápido, preciso e de excelente retorno. O conceito de construção racionalizada resume-se, sem dúvida, em obter a melhor solução construtiva para o empreendedor. E é exatamente isso o que a estrutura metálica se propõe a fazer. Combinando-se a utilização da estrutura metálica com modernos componentes e materiais de fechamento e cobertura, o prazo de construção torna-se extremamente reduzido. (www.acominas.com.br). Segundo dados da Associação Brasileira da Construção Metálica – ABCEM, o mercado mundial de aço vivenciou, em 2006, seu quinto ano consecutivo de forte crescimento da produção e demanda [1].
Como vantagens da construção utilizando estruturas metálicas se destacam: liberdade no projeto de arquitetura, maior área útil, flexibilidade de projeto, compatibilidade com outros materiais, menor prazo de execução, racionalização de materiais e mão-de-obra, alivio de carga nas fundações, garantia de qualidade, antecipação do ganho, organização no canteiro de obras, precisão construtiva, reciclabilidade e preservação do meio ambiente.
Para a construção utilizando estruturas metálicas uma forma comum de peça são os perfis nas formas: I, H, U e Z. Que são produzidos através da conformação a frio, laminação e soldagem de chapas. Este último tem a desvantagem de ser mais caro que os laminados, mas devido a sua versatilidade de combinações possíveis de espessura, altura e largura. Gera muitos estudos na área com o objetivo de minimizar esses custos. Uma das propostas é a fabricação de perfis soldados de um lado apenas e sua implementação tem revelado resultados interessantes, já que o tempo de fabricação e de material depositado reduziria pela metade.
Com o objetivo de obter um cordão-de-solda resistente o suficiente para suportar esse tipo de condição foram realizados estudos com o objetivo de conhecer os microconstituintes presentes e determinar quais seriam mais vantajosos na junta soldada. Neste trabalho foram analisados a fração volumétrica e os valores de microdureza de cada fase.
MATERIAIS E MÉTODOS
Para tal trabalho foi utilizado um cordão-de-solda do aço COS Civil 300 com 0,06% C, 1,16% Mn e 0,66% Si. Para que os ensaios se aproximassem dos perfis reais foram utilizadas duas chapas de 5 metros de comprimento utilizando soldagem arco submerso chanfradas em V com ângulo de 90º. A confecção dos corpos Charpy do tipo A utilizou-se à norma ASTM E23/1996. Confeccionou-se 5 corpos-de-prova do cordão-de-solda, que foram ensaiados numa PW30 instrumentado e infomatizado de impacto Instron Wolpert. A velocidade de impacto do martelo no ensaio foi de 5,52 m/s com fundo de escala de 300 J.
Para análise do sinal foi desenvolvida uma linguagem de programação em Matlab. Primeiramente o programa realiza uma filtragem do sinal utilizando a transformada de Fourier, que representa o sinal no domínio das freqüências para que possa passar um filtro passa baixa eliminando os sinais indesejáveis. A seqüência de operações utilizada no processo de remoção de ruído, através da transformada de Fourier, podem ser facilmente entendidas se observarmos a Figura 1.
Figura 1 – Representação esquemática da seqüência de operações utilizadas na aplicação do filtro de transformada de Fourier.
Espectro de freqüência do sinal analítico
com as freqüências relativos ao ruído
Corte de freqüências
elevadas
Espectro de freqüência do sinal analítico
sem grande parte das freqüências
relativos ao ruído
Sinal analítico
com pouco
ruído
Transformada de
Fourier direta
Transformada de
Fourier inversa
Sinal analítico
com ruído
Devido à complexidade dos cálculos desse tipo de transformada, utilizou-se o programa Matlab para a simplicidade dos cálculos. Nesse programa existem sub rotinas que realizam a transformada de Fourier e o corte das freqüências elevadas.
Os dados de entrada são o tempo, força e freqüência de amostragem. O tempo e a força foram obtidos pela Instron Wolpert. A freqüência de amostragem é calculada sobre o intervalo discreto do equipamento que é de 0,004 ms. d
t
fs
⋅
=
2
1
(1)Com esses dados e utilizando o comando “fft” que transforma o sinal temporal para um sinal no espectro das freqüências. E em seguida realiza o corte das freqüências altas, neste caso essa freqüência de corte também é determinada pelo usuário
Figura 2– Gráfico da amplitude pela freqüência do sinal obtido pelo ensaio Charpy Instrumentado.
Em seguida é realizada a aquisição dos pontos: energia absorvida (integração da curva força x deslocamento), força máxima, escoamento e inicio de propagação de trinca (taxa de alteração daflexibilidade – CCR – compliance changing rate). Para finalmente calcular o KID e o JID dados pelo conceito da Mecânica Elasto plástica. A rotina computacional para o calculo da tenacidade se baseia nos dois métodos propostos por Angamuthu (1999) e pela ASTM E-399/90.
A rotina computacional nos dá duas opções de seqüência, sendo elas denominadas Frágil, onde é apresentado no término do polimento a curva polida a indicação do ponto de força máxima, cujo valor é utilizado para o cálculo de KID, dada pelo principio da Mecânica da fratura elástica linear, e na segunda opção Dúctil onde após a apresentação do término do polimento da curva, a rotina computacional pede a definição da flexibilidade e
imediatamente fornece os valores de força máxima, inicio de propagação de trinca e de escoamento e os valores de energia utilizados para o cálculo de JIDdados pelo conceito da Mecânica elasto plástica.
O programa fornece as propriedades como: energia absorvida até Fini (máquina), força de escoamento energia absorvida até Fini (F x d), força de inicio de propagação da trinca (Fini ), força máxima (Fm ) ,Energia total (Charpy Instrumentado), Energia total (Charpy convencional) mostrado na Tabela 1 e gera os gráficos representados na Figura 2.
RESULTADOS
O primeiro gráfico faz uma comparação do sinal original com todas as interferências e o sinal depois de filtrado. No segundo é mostrado o exato ponto da força de escoamento, que foi encontrado utilizando E=210 MPa (módulo de elasticidade). No terceiro é apresentado o gráfico da taxa de alteração da flexibilidade. E o último gráfico é identificado os pontos de força de iniciação de trinca, força de escoamento e força máxima.
São apresentados os resultados dos cinco corpos-de-prova do cordão-de-solda do aço COS Civil 300, na Tabela 1.A primeira energia absorvida até a força de inicio de propagação da trinca (Fini) representa a energia captada pela máquina Instron Wolpert, a segunda foi calculado pela integração da curva até a Fini. Os dados de força de escoamento, força de inicio de trinca e força máxima foram obtidas pelo programa e são mostradas na Figura 3. A energia total foi calculada pelo método da integração de toda a curva.
Para o calculo de KID foram utilizados dois métodos primeiramente pela força de inicio de trinca e posteriormente pela força máxima. Quando o material apresenta comportamento mecânico essencialmente frágil a força de inicio de trinca ocorre próximo ao ponto de carga máxima por isso se usa a Fm para o calculo de KID. Como não se sabe exatamente o real comportamento do material utilizamos a força de inico de trinca para o calculo de KID.
Com o ponto de iniciação da trinca obtido pela taxa de alteração da flexibilidade calculou-se o JID.
Tabela 1. Resultados para cinco corpos-de-prova do aço COS Civil 300 soldados por arco submerso.
CS 01
CS 02
CS 03
CS 04 CS 05 Média
Desvio
Filtro
media
móvel
Filtro
media
móvel
Filtro
media
móvel
Filtro
media
móvel
Filtro
media
móvel
Energia absorvida até F
ini.(máquina) [J]
10,5
8,0
8,2
7,6
9,7
8,6
1,3
Energia absorvida até F
ini(F x d) [J]
9,6
7,6
7,7
6,4
8,5
7,8
1,3
Força de escoamento [kN]
13,6
13,9
13,8
13,5
13,4
13,7
0,2
F
ini[kN]
14,1
14,2
14,2
13,7
14,2
14,1
0,2
F
m[kN]
15,1 14,3 14,3 14,3 15,4 14,5 0,4
Energia total (Charpy Instrumentado)
37,5
27,7
27,6
27,7
33,7
30,1
4,9
Energia total (Charpy convencional)
43,9
33,6
32,6
29
40,8
36,0
6,2
Cálculo de K
ID[MPa*m
1/2] (F
iu)
51,5 59,0 49,7 62,6 66,9 55,7 6,1
Cálculo de K
ID[Mpa*m
1/2] (F
m)
63,9 67,9 64,1 71,9 72,2 67,0 3,8
Cálculo de J
ID[kJ/m²]
261,2
199,8
205,1
190,4 241,3
13,8
3,0
CONCLUSÃO
Observa-se que os resultados obtidos do ensaio Charpy Instrumentado são menores que os dados fornecidos pela Instron Wolpert, esse fato é comprovado na comparação da energia absorvida até Fini da máquina e da integração da curva F x d até força de inicio da trinca. O mesmo ocorrendo na energia total do ensaio instrumentado e convencional. Esse problema deve ser causado pelo fato do ensaio convencional existirem perdas de energia na queda do martelo.
Com respeito à tenacidade observam-se diferentes resultados entre a tenacidade à fratura e a energia do impacto Charpy. O maior valor de tenacidade à fratura se encontra na amostra CS05 e para a energia total CS01. Esse fato já foi estudado e comprovado e está relacionado à quantidade de material envolvido, raio de ponta. Apesar dos ensaios terem sido realizados sem a presença de uma trinca acredita-se que o entalhe foi suficiente para realizar uma trinca ao nível de grão.
Com a rotina implementada utilizando a filtragem pelo método de Fourier surge uma nova ferramenta para o tratamento das curvas força x tempo. Possibilitando um melhor entendimento do processo de aquisição de informações do ensaio Charpy Instrumentado. Essa ferramenta ainda necessita de melhoras, que somente através de ensaios com outros tipos de materiais poderá ser definitivamente implementada.
REFERÊNCIAS
1. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. Standard test methods for Plane-Strain Fracture Toughness of Metallic Materials. In:__. Annual book of ASTM standards: metals test methods and analytical procedures. Danvers: ASTM, 1997. (ASTM E 399-90).
2. ANGAMUTHU, K.; GUHA, B.; Abd ACHAR, D. R. G. Investigation of dynamic fracture toughness (JId) behavior of strength mis-matched Q & T steel weldmenst using instrumented Charpy impact testing. Engineering Fracture Mechanics. Vol. 64, p 417-432, 1999.
FORTES, C. Apostila de Soldagem a Arco Submerso. ESAB, 2004.
3. NOGUEIRA, F. C. Influência do raio de ponta do entalhe, do tipo de carregamento e da microestrutura no processo à fratura do aço estrutural ABNT – 4340. Dissertação (mestrado) Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, 2006.
4. RODRIGUES, A. R. Charpy Instrumentado – Determinação da tenacidade à fratura dinâmica de materiais metálicos. Ilha Solteira, 2001. 119p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Universidade Estadual Paulista.
5. VILCHEZ, C. A. Z. Influência de Ciclos Térmicos na Microestrutura e Propriedades Mecânicas de Junta Soldada do Aço COS CIVIL 300. 2005. Dissertação (mestrado) – Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, 2005.
6. ZIEDAS, S.; TATINI I. (org.). Soldagem. Coleção Tecnologia Senai, São Paulo, 1997.
UNIDADES E NOMENCLATURAS
Fini força de iniciação de trinca (kN) Fm força máxima (kN)
KID tenacidade à fratura dinâmica elástica – linear(MPa*m1/2) (Fiu)
KID tenacidade à fratura dinâmica elástica – linear (Mpa*m1/2) (Fm) JID tenacidade à fratura dinâmica elasto-plástico (kJ/m²)
fs freqüência de amostragem. (Hz) td intervalo discreto. (m/s)
