Laboratório de Dinâmica e Instrumentação - Ladin
END MAGNÉTICOS
Em materiais ferromagnéticos, as regiões com orientação magnética uniforme são denominadas domínios magnéticos. Esses domínios encontram-se magneticamente orientados de maneira aleatória no material, de tal forma que a magnetização geral é nula num estado não magnetizado.
Quando um campo magnético variável é aplicado ao material, produz-se movimentação das p ar edes dos domínios, gerando deslocamentos que tendem a formar domínios maior es, orientados segundo a direção do campo aplicado. Esta movimentação não é contínua, mas realizada aos saltos, e depende de uma série de fatores micro e macro-estruturais do material. Por outro lado, essa movimentação gera pulsos magnéticos que podem ser medidos como uma seqüência de pulsos de voltagem através de uma bobina leitora, colocada na superfície do material.. O sinal assim medido é conhecido por Ruído Magnético de Barkhausen (RMB), tendo este fenômeno sido descoberto por Heinrich Barkhausen em 1919.
O RMB é sensível a alterações microestruturais, tensões mecânicas e deformações plásticas e em decorrência disso possui potencialidade de inovação tecnológica como Ensaio Não Destrutivo (END) para uma grande variedade de aplicações, tais como avaliação de degradação térmica e mecânica, controle de qualidade de tratamentos superficiais, acompanhamento de processo de envelhecimento (térmico, nuclear), avaliação de deformações plásticas, tensão mecânica e residual, dureza, etc...
O tipo de sistema de medição de RMB pode variar dependendo da informação desejad a, da peça a ser moni tora da, e das condições em que a medida será realizada (laboratório, planta industrial, etc..). Um esquema básico do sistema de medida pode ser visto no esquema da Figura, onde uma fonte bipolar fornece corrente para uma bobina de excitação magnética. O campo gerado depende da freqüência e amplitude da corrente que, por sua vez, é controlada através de um programa em microcomputador. O sinal de RMB, lido por uma bobina leitora colocada na superfície material a ser analisada, é amplificado e posteriormente digitalizado e enviado para o microcomputador, onde será analisado pelo programa de controle de instrumentação e processamento de sinais.
Enquanto a indução magnética B pode ser entendida como a resposta do material, em baixa freqüência, a uma excitação de baixa freqüência, o RMB é a resposta em alta freqüência do material, à mesma excitação magnética. Embora a indução magnética seja sensível à variações de microestrutura, tensão mecânica e deformações plásticas a sensibilidade do RMB é muito maior.
RUÍDO MAGNETOMECÂNICO
Da mesma maneira que um campo magnético variável gera movimento das paredes dos domínios, a presença de uma excitação mecânica, como uma tensão mecânica, também provoca movimento dessas paredes: é a chamada propriedade magneto-elástica de materiais ferromagnéticos com magnetostricção positiva. Se um material é submetido a uma tensão, a microestrutura magnética se modifica por magnetostricção, dando origem a uma deformação adicional àquela induzida pela tensão.
Com a ajuda de um modelo de 4 domínios, a Figura exemplifica a relação entre tensão e movimento de paredes dos domínios magnéticos. Uma tensão de compressão provoca uma expansão lateral dos domínios magnéticos, enquanto que uma tensão de tração, uma elongação no sentido da tensão aplicada. As modificações ocorridas nos domínios magnéticos, devido à presença de tensão mecânica, implicam na movimentação das paredes dos domínios de 90º. A deformação total será a soma da deformação elástica e da magnetoelástica.
Se a aplicação da tensão ou deformação elástica é variável, a movimentação das paredes dos domínios ocorrerá de maneira descontínua, como no caso da excitação magnética, gerando um tipo de ruído de Barkhausen denominado Ruído Mecânico de Barkhausen, ou Ruído Magnetomecânico (RMM). Pouco se tem estudado tanto sobre a modelagem do fenômeno de RMM, embora exista potencial de aplicação na análise de degradação mecânica de materiais.
Um exemplo típico de solicitações mecânicas onde este tipo de fenômeno ocorre é o de aços sujeitos a esforços cíclicos, como em processo de fadiga. Neste caso, uma amostra sujeita a um carregamento cíclico (seja num ensaio de fadiga a tração ou a flexão), irá produzir pulsos magnéticos devido ao movimento das paredes dos domínios. Esses pulsos podem ser lidos através de uma bobina sensora, similar à utilizada no caso do RMB, mas sem a necessidade da excitação magnética. Desta maneira é possível seguir a evolução do RMM ao longo de um ciclo de solicitação mecânica e, naturalmente, ao longo de todo o processo de alteração microestrutural devido ao processo de fadiga.
Discutiu-se anteriormente que a movimentação das paredes dos domínios e, por conseguinte, o Ruído Magnético gerado dependem da solicitação ser de tração ou compressão. Portanto, o comportamento do RMM também dependerá do tipo de solicitação cíclica utilizada: tração-compressão, somente tração ou somente compressão
É importante notar que não existe saturação magnetomecânica, ou seja, uma solicitação mecânica jamais irá levar as orientações dos domínios além do eixo fácil de magnetização.
RUÍDO MAGNETOACÚSTICO
Os movimentos descontínuos das paredes dos domínios magnéticos, sob o efeito de um campo magnético ou de solicitações mecânica variáveis, geram também emissões acústicas, chamadas na literatura de Emissão Acústica Magnética, ou Emissão Acústica de Barkhausen ou ainda, Ruído Acústico de Barkhausen (RAB) para diferenciá-las da emissão acústica convencional.
Emissão Acústica (EA) são ondas mecânicas transientes, de altíssima freqüência (entre algumas dezenas de kHz ao MHz) e de baixíssima energia, geradas num material que esteja sendo solicitado. Em geral, tais ondas são causadas pela propagação de discordâncias ou trincas quando sujeitas a tensão ou deformação. O sensor utilizado para detectar este fenômeno é do tipo piezoelétrico, e deve operar na zona de ressonância para aumentar a sensibilidade de detecção, tendo assim uma resposta não linear.
O fenômeno da Emissão Acústica de Barkhausen, ou RAB, é ainda mais complexo do que o RMB, e pouco se tem estudado dele, tanto do ponto de vista de entendimento do fenômeno em si quanto de suas possíveis aplicações. Entretanto, como o fator gerador de RAB é a movimentação descontínua das paredes dos domínios magnéticos (seja por excitação magnética ou mecânica), ele também irá depender das condições da microestrutura, deformações plásticas e tensões mecânicas e, como no caso do RMB, pode também ser utilizado para avaliar propriedades mecânicas.
RMB E PROPRIEDADES MECÂNICAS
O RMB tem sido utilizado para caracterização de propriedades mecânicas de aço e monitoramento de suas alterações. Medidas de tensões mecânicas, tensões residuais, deformações plásticas, dureza, tratamentos superficiais, degradação mecânica e térmica, avaliação de condição de superfície em processos de usinagem e conformação, são exemplos de aplicações dessa técnica.
O gráfico ilustra a medição de tensão mecânica em uma viga em flexão, tanto sujeita a diferentes níveis de tensão de compressão quanto de tração. Baseado nesse tipo de resultado é que se desenvolvem metodologias para análise de tensões residuais. Sempre é possível estabelecer essa correlação e, portanto, calibrar o processo de medida. No entanto, como o RMB é sensível também à alterações da microestrutura, a cada alteração desta, uma nova calibração deve ser feita.
O gráfico à direita ilustra a utillização do RMB para avaliação de dureza de um componente. A dureza Vickers e o RMB foram medidos ao longo de uma peça. Percebe-se que, de uma maneira geral, o RMB diminui com o aumento da dureza do material.
Baseado nessa correlação, o RMB tem sido utilizado para controle de qualidade de tratamentos térmicos, de superfícies usinadas, entre outros.
A Figura a o lado ilustra o comportamento do RMB na caracterização de anisotropia mecânica em chapas de aço laminadas. Sem tensão mecânica, existe anisotropia devido à deformação plástica decorrente do processo de laminação, caracterizada pela curva com eixo maior na vertical. À medida que uma tensão de tração é aplicada no sentido ortogonal, ocorre uma rotação do eixo de anisotropia. Num valor intermediário de tensão mecânica, o mapeamento polar de RMB indica um estado "quase" isotrópico, mas quando a tensão aumenta, ocorre rotação do eixo de fácil magnetização, que se alinhando com a direção da tensão aplicada. Este exemplo ilustra, de uma outra forma, como o comportamento do RMB é dependente da tensão mecânica aplicada.
O gráfico apresenta uma comparação entre a curva de tensão-deformação de um aço ASTM 1070 e o coeficiente de anisotropia magnética k, obtido com os sinais de Barkhausen. No regime linear elástico a curva de k é crescente. Quando se atinge o regime elástico não linear, a curva sofre inflexão e torna-se decrescente. Ao se entrar no regime plástico, a curva é decrescente, mas com inclinação mais suave.
O Ruído Magnético de Barkhausen tem se mostrado uma ferramenta eficiente e confiável na caracterização de propriedades mecânicas de materiais, sobretudo num contexto de inspeções não destrutivas nas mais variadas plantas industriais. O sucesso no desenvolvimento de sistemas de medidas e inspeção baseadas no RMB depende da sinergia de utilização de conhecimentos de áreas como ciência dos materiais, eletrônica, processos mecânicos, física e processamento de sinais
VANTAGENS E DESVANTAGENS DO RMB
Pode ser utilizado para analisar uma grande variedade de propriedas instrínsecas do material: variações na dureza, alteração microestrutural, controle de qualidade em tratamentos de superfícies e em processos de usinagem e conformação, avaliação de degradação térmica ou nuclear, análise de textura e anisotropia, vida residual de fadiga, etc... e também de propriedades extrínsecas como deformações plásticas e tensões mecânicas e residuais.
A informação pode ser dada de uma maneira simples do tipo sim/não
não tem custos de utilização
É automatizável
Devido à sensibilidade a uma vasta gama de características do material, o RMB deve ser utilizado de maneira relativa, sendo necessária a utilização de um estado padrão de referência do material a ser inspecionado, em relação ao qual se deseja avaliar alterações.