ESTUDO DA RESPOSTA MAGNÉTICA DO AÇO DE GRÃO NÃO-ORIENTADO APÓS DEFORMAÇÃO MONOTÔNICA EM TRAÇÃO
G.G.B. MARIA1, S.F.S. JUNIOR2, E.C.S. CORRÊA1, M.T.P. AGUILAR3, W. Lopes1 CEFET-MG, Campus I, Av. Amazonas, 5253 Nova Suiça, 30421-169 – Belo
Horizonte-MG, Brasil - wellingtonlopes@deii.cefetmg.br 1
CEFET-MG, Campus I, Departamento de Engenharia de Materiais 2
CDTN, Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear 3
UFMG, Departamento de Engenharia de Materiais e Construção Civil
RESUMO:
A exigência de um alto rendimento dos equipamentos elétrico tem fomentado estudos que buscam uma melhor eficiência aliada a menores perdas energéticas. A utilização de materiais que apresentem boas propriedades eletromagnéticas tem sido levada em consideração. Nesse contexto, os aços elétricos representam um grupo de materiais de grande importância devido à sua capacidade de amplificar o fluxo magnético. Deste modo, este trabalho fez uso do aço GNO (aço de grão não-orientado) para fins automotivos para analisar a relação entre a resposta magnética e a ocorrência da imperfeição superficial “casca de laranja” com uso da técnica de ruído Barkhausen. Neste caso, esse material foi deformado em tração e feita a medição do ruído Barkhausen além da observação do aspecto superficial do material. Os resultados indicaram o aumento do ruído Barkhausen com o acréscimo da quantidade de deformação em tração devido às prováveis alterações na rede cristalina do aço GNO.
Palavras chave: Barkhausen, aço GNO e casca de laranja.
1. INTRODUÇÃO
O desenvolvimento de novas tecnologias para o setor energético tem sido alvo de estudos que tem como objetivo a otimização dos equipamentos elétricos. Uma opção é a utilização de aços capazes de reduzir as perdas magnéticas e elétricas (1). Os aços elétricos representam um grupo de grande importância, pois proporcionam soluções de alto rendimento, devido a sua capacidade de amplificar o fluxo magnético. Como exemplo, o aço GNO não apresenta textura pronunciada de
modo que o mesmo passa a ter maior uniformidade das propriedades magnéticas em todas as direções. Devido a essa isotropia e à manutenção do fluxo magnético, esses aços são normalmente aplicados em motores elétricos e em geradores de energia (2).
As propriedades magnéticas desses materiais são afetadas pelas tensões mecânicas, que mesmo em baixa magnitude podem causar distorções na rede cristalina alterando assim, suas características magnéticas. O tratamento térmico além de adequar o material às suas propriedades finais, também tem como função o alivio dessas mesmas tensões (3).
Em escala estrutural, o contorno de grão, as discordâncias e inclusões atuam como sítios de aprisionamento devido a sua interação com os domínios magnéticos o que resulta em um movimento desigual das paredes de domínio no sentido de aplicação do campo magnético (4).
Considerando esse aspecto, a presença de grãos grosseiros constitui um dos requisitos aos aços elétricos, uma vez que uma menor quantidade de contornos de grão reduz a formação de sítios de aprisionamento, mas favorece a formação de uma rugosidade superficial conhecida como “casca de laranja”. Esse defeito é comum em materiais dúcteis e ocorre devido ao elevado tamanho de grão, no qual o contorno de grão exibe maior deformação do que o interior do mesmo grão (5-6).
Uma forma de verificar o comportamento do material, no que diz respeito às propriedades magnéticas, é por meio do efeito Barkhausen. Neste caso, o ensaio por ruído Barkhausen (Barkhausen Noise – BN) consiste na adoção de pulsos de tensão detectados por uma bobina ferromagnética quando o material é submetido à magnetização. A curva de magnetização apresenta descontinuidades, devido ao movimento não uniforme dos domínios magnéticos, o que permite que essas variações sejam captadas pela sonda eletromagnética (4).
Essa técnica de ensaio é utilizada para diversas aplicações tais como: a estrutura de materiais (7), para estudo das propriedades magnéticas em aços elétricos (8) e para o estudo de esforços mecânicos na curva de histerese de aços (9), dentre outras aplicações.
Diante do exposto, este trabalho investiga a relação entre a resposta magnética e a ocorrência da imperfeição superficial “casca de laranja” com uso da técnica de ruído Barkhausen após esse material sofrer deformação monotônica em tração antes e após o início da ocorrência da "casca de laranja".
2. MATERIAL e MÉTODOS
2.1 Material
O aço selecionado neste trabalho foi o GNO, com 2% de silício fornecido e 0,3 mm de espessura e tamanho de grão igual a 131,28m. A composição química informada pelo fabricante indica a presença de (% em peso): 0,0021C, 2,062Si, 0,4206Mn, 0,0257P, 0,1967Cr e 0,0266Ni.
2.2 Ensaio de Tração
Os ensaios de tração foram realizados em uma máquina de ensaios universal da marca Instron 5582 com uso do software de aquisição de dados Blue Hill 2 com utilização de um extensômetro mecânico do tipo agulhas. As deformações convencionais utilizadas foram de 0,015; 0,03; 0,045; 0,06; 0,08 e 0,11, todos com três repetições.
A avaliação da rugosidade superficial foi feita de forma visual após a deformação em tração dos corpos de prova do aço GNO.
2.3 Ensaio de Ruído Barkhausen
Os ensaios de ruído Barkhausen foram realizados com uso do equipamento da Rollscan 300 da marca Stresstech com a utilização de um software para tratamento dos dados da mesma marca. Este ensaio foi executado antes e após o ensaio de tração para investigar a influência da deformação plástica em tração nas propriedades magnéticas do aço GNO.
Duas condições de ensaio foram adotadas para investigar qual seria o melhor ajuste em termos de tensão e de frequência para investigar a variação da propriedade magnética do aço GNO após a deformação monotônica em tração.
A primeira condição envolveu o uso de um valor de tensão igual a 0,9V e frequência de 9Hz e a segunda com 0,1V e frequências de 6Hz e 7Hz. Para a análise do ruído utilizou-se ainda o valor RMS (Root Mean Square), que corresponde à raiz quadrada do ruído Barkhausen em função do tempo, sendo este valor fornecido pelo software (10).
3. RESULTADOS e DISCUSSÃO
3.1 Ruído Barkhausen
Na Fig. 1 são exibidos os gráficos dos valores de RMS em função da quantidade de deformação monotônica aplicada em tração. Esses dados são apenas ilustrativos, pois mostram que para essas duas condições de ajuste do ensaio (0,1V com frequências de 6Hz e de 7Hz) não foi possível identificar uma tendência quanto ao valor de RMS antes e após a deformação em tração.
0 20 40 60 80 100 120 140 0 2 4 6 8 10 12 R M S Deformação convencionak (%) 0,1V / 6Hz, Antes 0,1V / 6Hz, Depois (a) 0 20 40 60 80 100 120 140 0 2 4 6 8 10 12 R M S Deformação convencional (%) 0,1V / 7Hz, Antes 0,1V / 7Hz, Depois (b)
Figura 1. Variação do valor de RMS (antes e depois da deformação em tração) em função da quantidade de deformação em tração para duas condições de ensaio: a) 0,1V e 6Hz e b) 0,1V e 7Hz aplicadas ao aço GNO.
A dispersão do valor de RMS para a primeira condição de ajuste revela distorções quanto à variação do valor de RMS em função da quantidade de deformação plástica aplicada em tração como registrado pela Fig. 2 que exibe a variação do aumento em termos percentuais do valor de RMS com a quantidade de deformação em tração. 0 30 60 90 120 150 0 2 4 6 8 10 12 % d e A u m e n to d o R M S Deformação (%) 0,1V / 6Hz 0,1V / 7Hz
Figura 2. Variação do percentual de aumento do valor de RMS em função da quantidade de deformação convencional em tração para os dois ajustes de frequência (6Hz e 7Hz) sob tensão de 0,1V do aço GNO.
Deste modo, com o intuito de avaliar outra condição de ensaio fez-se o teste adotando-se agora o valor de tensão de 0,9V e de frequência igual a 9Hz o qual é exibido na Fig. 3. 0 20 40 60 80 100 120 140 0 2 4 6 8 10 12 R M S Deformação convencional (%) 0,9V / 9Hz, Antes 0,9V / 9Hz, Depois
Figura 3. Variação do valor de RMS (antes e depois da deformação em tração) em função da quantidade de deformação em tração para o ajuste de tensão igual a 0,9V e de frequência de 9Hz.
Neste caso foi possível observar a manutenção dos valores de RMS na condição antes do ensaio para todos os valores de deformação convencional em tração e a tendência de acréscimo do valor de RMS com a quantidade de deformação plástica em tração. Esse fato, ou seja, o aumento do valor de RMS indica um acréscimo no ruído Barkhausen, o que está relacionado a uma maior distorção na rede cristalina do aço GNO(9).
3.2 Rugosidade Superficial
Para as condições de ensaio, o aumento da rugosidade superficial do aço GNO foi percebido a partir do valor de deformação convencional em tração de 3,0%, sendo percebida a presença do início de formação da imperfeição superficial “casca de laranja”, enquanto a pior condição de rugosidade superficial foi registrada para a deformação convencional igual a 11%, Fig. 4.
Figura 4. Aspecto superficial do corpo de prova de tração após deformação convencional em tração de 11%.
O aumento da deformação acentuou o defeito “casca de laranja”, uma vez que uma quantidade maior de deformação em um material com granulometria de 131,28m promoveu o espalhamento da deformação ao longo dos grãos de modo que os mesmos se direcionassem para fora da superfície da chapa, ocasionando deste modo, essa imperfeição superficial ao material (5-6).
O aumento dos valores de RMS pode ser associado ao agravamento do fenômeno “casca de laranja”. À medida que a deformação em tração aumenta, a rede cristalina sofre maiores distorções o que afeta o desempenho magnético do material. Nesta condição, novos centros de aprisionamento são criados, dificultando a orientação dos momentos magnéticos e piorando a resposta magnética (9).
4. CONCLUSÕES
O aumento da quantidade de deformação levou a um aumento no valor RMS, além de acentuar a rugosidade superficial, por meio do aumento do defeito “casca
de laranja”. Conclui-se que a deformação monotônica em tração levou a uma deterioração das propriedades magnéticas em virtude da distorção causada na rede cristalina do aço GNO.
REFERÊNCIAS
1. TAKASHIMA, M., MORITO, N., HONDA, A., MAEDA, C. Nonoriented electrical steel sheet with low iron loss for high-efficiency motor cores. IEEE Transactions on Magnetics, v. 35, 557-561, 1999.
2. LOSS, H. B. Utilização de pós do desempoeiramento no ciclo produtivo da aciaria.
2010, 108p. Dissertação (Mestrado em Engenharia industrial) – Centro Universitário do
Leste de Minas Gerais, Coronel Fabriciano/MG, 2010.
3. SANTOS, H. O. Estudo de orientações cristalográficas de aços ao silício utilizando técnicas de difração de raios X, difração de elétrons e método etch pit. 1999. 82p. Dissertação (Mestrado em Ciência na Área de Reatores Nucleares de Potência e Tecnologia do Combustível Nuclear) - Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, São Paulo/SP, 1999.
4. BOHN, F. Propriedades estatísticas do ruído Barkhausen em materiais magnéticos artificialmente estruturados. 2009. 242p. Tese (Doutorado em Física) – Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria/RS, 2009.
5. CASTRO, J.R., CORRÊA, E.C.S., AGUILAR, M.T., CETLIN, P.R., LOPES, W. Estudo do
fenômeno casca de laranja para o aço GNO. Anais do 66° Congresso Anual da
Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração – ABM 2012, São Paulo/SP, p. 3159-3168, 18 a 22 de Julho de 2011.
6. BRITES, F.S., BARBOSA, I.S., SANTOS, P.D., RUIBACKI, W.O. Comparação do acabamento superficial e do nível de deformação entre um processo convencional de estampagem e o processo Guerin. Anais do 7° Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação – COBEF 2013, Itatiaia/RJ, p. 1-10, 20 a 24 de Maio de 2013.
7. BERTOTTI, G., FIORILLO, F., SASSI, M.P. Barkhausen noise and domain structure dynamics in Si-Fe at different points of the magnetization curve. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, v.29, p. 136-148, 1981.
8. BOHN, F., GÜNDEL, A., LANDGRAF, F.J.G., SEVERINO, A.M., SOMMER, R.L. Magnetostriction, Barkhausen noise and magnetization process in E 110 grade non-oriented electrical steels. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, v.317, p. 20-28, 2007.
9. ANGLADA-RIVERA, J., PADOVESE, L.R., CAPÓ-SÁNCHEZ, J. Magnetic Barkhausen noise and hysteresis loop in commercial carbon steel: influence of applied tensile
stress and grain size. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, v.238, p. 299-306, 2001.
10. SULLIVAN, D.O. COTTERELL, M.; TANNER, D.A.; MESZAROS, I. Characterization of ferritic stainless steel by Barkhausen techniques. NDT&E International, v 37, p.489-496, 2004.
STUDY OF MAGNETIC BEHAVIOR OF NON-ORIENTED GRAIN STEEL (GNO) AFTER MONOTONIC DEFORMATION IN TENSION
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UFMG, Departament of Materials and Construction Engineering
ABSTRACT
The necessity for a high performance of electrical equipment has motivated studies that look for a better efficiency combined with lower energy losses. The use of materials that present adequate electromagnetic properties has to be considered. This manner, the electrical steels are a important group of materials due to their ability to amplify the magnetic flux. Thus, this work presents the GNO (non oriented steel) steel used to automotive purposes to analyze the relationship between the magnetic response and the occurrence of surface imperfection "orange peel" with the use of the Barkhausen noise technique. This material was deformed by tension, measured the Barkhausen noise and observed the surface aspects. The results indicated the increase in Barkhausen noise with the strain in tension due to the probable distortions in the crystal lattice of the GNO steel.
