XVII Encontro de Modelagem Computacional
V Encontro de Ciência e Tecnologia de Materiais
Universidade Católica de Petrópolis (UCP), Petrópolis/RJ, Brasil. 15-17 out. 2014
PROCESSAMENTO DE SINAIS ULTRASSÔNICOS PARA ANÁLISE DA TEXTURA
CRISTALOGRÁFICA DE MATERIAIS METÁLICOS LAMINADOS.
Rodrigo Guerra de Souza – [email protected]
José Flávio Silveira Feiteira – [email protected]
Escola de Engenharia Industrial Metalúrgica da Universidade Federal Fluminense / EEIMVRUFF. Volta Redonda , RJ, Brasil.
Resumo. No presente trabalho é desenvolvida e aplicada uma metodologia experimental para
análise da textura cristalográfica em materiais metálicos laminados, através do emprego de
um sistema de ultrassom utilizando-se as técnicas da birrefringência acústica e da correlação
cruzada. No Brasil, os ensaios não destrutivos envolvendo o uso do ultrassom, são
empregados quase que exclusivamente, na detecção, na localização, e no dimensionamento
de descontinuidades e defeitos. Neste trabalho são apresentados os resultados das técnicas
aplicadas aos sinais aquisitados, onde se utilizam os fenômenos da variação da velocidade da
onda ultrassônica cisalhante, ou transversal, na caracterização microestrutural, e na
identificação da direção de laminação em ligas metálicas. Este método consiste em
determinar a variação da velocidade de propagação da onda ultrassônica cisalhante
decorrente do processo de laminação da chapa, a partir da medida do intervalo de tempo
decorrido entre seus ecos. A bancada experimental é composta de um aparelho (emissor /
receptor) de ultrassom, transdutores piezelétricos de alta frequência, osciloscópio digital com
software de aquisição de sinais, e microcomputador. Inicialmente, faz-se a análise da textura
do material, uma vez determinada a direção de laminação, via ultrassom, de algumas
amostras de aço, e por fim, a comparação com a análise metalográfica. Os resultados
mostram que as técnicas da birrefringência acústica e da correlação cruzada podem ser
aplicadas para avaliação da textura cristalográfica em amostras de aço.
Palavras-chave: Birrefringência acústica, correlação cruzada, textura, ultrassom.
1.
INTRODUÇÃO
Atualmente, cresce o interesse dos pesquisadores em Acústica no estudo do comportamento e
dos fenômenos acerca da variação da velocidade da onda ultrassônica se propagando nos
sólidos e fluidos. O presente trabalho tem por objetivo aplicar uma técnica de processamento
de sinais para a análise da textura cristalográfica, a partir da determinação da direção de
laminação em materiais metálicos, e trazer o desenvolvimento de uma metodologia não
convencional de ensaio por ultrassom, envolvendo as grandes áreas da Engenharia e
Computação. As etapas de realização foram as seguintes: estudo teórico de técnicas de
processamento de sinais e possíveis aplicações; montagem de uma bancada experimental;
realização dos ensaios; aquisição e processamento dos sinais; e por fim, análise e comparação
dos resultados com a técnica metalográfica. Metais laminados, ou seja, que possuem textura
cristalográfica bem definida, apresentam propriedades mecânicas que variam em função da
direção de laminação. O exemplo de aplicação mais comum é o processo de soldagem. A
Figura 1, mostra a importância de se conhecer a textura, pois o cordão de solda deve ser
perpendicular à direção de laminação das chapas para aumentar a resistência do material
estrutural ao esforço.
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Figura 1: Representação esquemática do processo de soldagem. (Fonte: Souza, 2014)
Como resultado da deformação plástica ocorrida na laminação, os grãos do metal adquirem
uma orientação preferencial paralela à direção de laminação. A maneira mais tradicional de se
determinar a direção de laminação de uma amostra de aço é via ensaio metalográfico, porém
esse ensaio é destrutivo. Nesse contexto, o ensaio por ultrassom apresenta grande destaque
por ser não destrutivo, tendo a possibilidade de caracterização da textura em todo volume do
material, e por ter flexibilidade, portabilidade, alta sensibilidade e precisão.
A metodologia empregada se baseia no fato de que o efeito da textura do material, conforme a
direção de laminação, causa variações no tempo de percurso da onda ultrassônica,
(BITTENCOURT et al., 2003). Conforme a Figura 2, a velocidade de propagação da onda
ultrassônica, no aço, aumenta se a direção de polarização da onda for paralela à direção de
laminação do material, e a velocidade de propagação da onda ultrassônica diminui se a
direção de polarização da onda for perpendicular à direção de laminação do material
(BITTENCOURT, 2000).
Figura 2: (a) DP // DL. (b) DP ┴ DL. (Fonte: Souza, 2014)
Neste trabalho não se pretende esgotar o vasto tema, pelo contrário, apesar de trazer o
desenvolvimento de uma metodologia experimental, e contribuir para o aprimoramento dos
conhecimentos empíricos acerca da textura cristalográfica de ligas metálicas, a partir da
determinação da direção de laminação da amostra de aço utilizando o ensaio não destrutivo
por ultrassom, o trabalho é mais uma base onde futuras pesquisas poderão ser desenvolvidas.
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2.
METODOLOGIA
2.1 Componentes do Sistema de Medição por Ultrassom
No desenvolvimento do trabalho foi montada uma bancada experimental com os componentes
que integram o sistema ultrassônico mostrados na Figura 3.
Figura 3: Componentes do sistema de medição por ultrassom. (Fonte: Souza, 2014)
Seguem as especificações: osciloscópio digital 25GS/s minipa MO-2062 com software de
aquisição de sinais; emissor / recptor de ultrassom 5058PR olympus; transdutores de ondas
cisalhantes de incidência normal, 5 MHz, ϕ10 mm, e de incidência oblíqua de 60°, 4 MHz e
microcomputador, 2GB, dual core 2.2GHz, HD 160GB, e SOwindows 7, com Matlab e Excel.
Nos ensaios optou-se pelo modo de operação pulso-eco no qual apenas um transdutor com
essa característica é utilizado. A medida do tempo de propagação da onda pela espessura do
material é feita vinculada diretamente à base de tempo selecionada no osciloscópio, como
mostra a Figura 4:
Figura 4: Sinal no osciloscópio na configuração pulso-eco. (Fonte: Souza, 2014).
2.2 Determinação da Direção de Laminação por Ultrassom
Para a determinação da direção de laminação via ultrassom com a utilização do transdutor de
incidência normal, colocou-se o transdutor em pontos distintos da superfície da amostra e
mediu-se o tempo de percurso da onda em cada ponto, de duas maneiras: ora com a direção de
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polarização do transdutor alinhada, ora perpendicular com a direção de referência inicial. A
primeira etapa foi constituída da marcação dos referenciais nas amostras, ver Figura 5(a).
Foram traçadas retas perpendiculares em pontos previamente selecionados da chapa. A
segunda etapa foi caracterizada pelo ensaio de ultrassom propriamente dito. Conforme a
Figura 5 (b) tomou-se uma direção de referência inicial (DRI), alinhou-se a direção de
polarização do transdutor com esta direção, e aquisitou-se o sinal propagado, Figura 5 (c). A
seguir deu-se um giro de 90° no transdutor alinhando-o para a outra posição, conforme o
esquema mostrado na Figura 5 (d), aquisitando-se novamente o sinal em questão.
Figura 5: Determinação da direção de laminação por ultrassom. (Fonte: Souza, 2014).
Os sinais foram aquisitados com o transdutor nessas duas posições. Este procedimento
repetiu-se para todos os pontos selecionados com o intuito de se determinar os tempos de
percurso da onda através da espessura da chapa. Em função da anisotropia do material, cada
sinal obtido para uma determinada direção, chegará adiantado ou atrasado em relação ao
outro, o que define o fenômeno da birrefringência acústica, calculada pela Equação 1,
(LAMY et al., 1999):
=
−
+
2
(1)
A terceira, e última etapa, tratou do processamento dos sinais aquisitados e da geração dos
gráficos comparativos. A técnica aplicada foi da correlação cruzada. No experimento foram
realizadas, em cada ponto da chapa, 10 medições de tempo para cada direção. Cabe ressaltar
que o intervalo entre as medições, no mesmo ponto, chegou a ser maior que 24 horas,
objetivando repetibilidade ótima dos componentes do sistema ultrassônico montado. Os sinais
foram coletados com taxa de aquisição de 10000 pontos num intervalo de 20 us, o que resulta
uma taxa de aquisição de 2 ns/ponto.
2.3 Processamento de Sinais: Aplicação da Técnica da Correlação Cruzada
A correlação cruzada é uma técnica de processamento de sinais que verifica a similaridade
entre dois sinais em função de um atraso entre deles. Esta técnica é frequentemente utilizada
quando se deseja estudar o comportamento de um sinal de curta duração que esteja inserido
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num sinal mais longo. A correlação cruzada r(.) entre duas sequências x(.) e y(.) defasadas de
σ, e ambas de comprimento L, é calculada pela Equação 2. Demonstra-se que o instante de
ocorrência do máximo da sequência r(.) iguala-se ao atraso entre as duas sequências, que
experimentalmente, é o tempo gasto pela onda ao percorrer a espessura do material
(BITTENCOURT et al., 1998).
( )=
1
( ) ( +
+ )
(2)
A Figura 6 mostra o resultado de aplicação da técnica em um sinal aquisitado durante o
trabalho:
Figura 6: (a) Sinal aquisitado. (b) Resultado da correlação cruzada. (Fonte: Souza, 2014)
3.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1. Chapa de Aço API5L X80
Figura 7: Tempo de percurso da onda na amostra do aço API 5L X80. (Fonte: Souza, 2014)
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A chapa de aço API5L X80 (dimensões 200 x 100 x 20 mm) foi submetida ao processo de
laminação à quente, sem que houvesse bobinamento ao termino do processo. A chapa foi
analisada como recebida, e não sofreu tratamento térmico após o processo de laminação. As
medidas por ultrassom foram feitas em 50 pontos distintos na malha de referência escrita na
chapa. A Figura 7 mostra o resultado do tempo de propagação da onda ultrassônica. Constatase que a chapa apresenta textura bem definida devido à variação do tempo em relação às
direções ortogonais consideradas, e que o tempo é menor quando a direção de polarização do
transdutor é paralela à direção de laminação da amostra. Neste caso, os grãos do metal
assumem uma orientação preferencial conforme esta direção.
Figura 8: (a) Birrefringência acústica. (b) Velocidade da onda transversal. (Fonte: Souza, 2014)
Conforme a Figura 8 (b), o resultado acerca da variação da velocidade da onda ultrassônica
em cada ponto da amostra confirma a birrefringência acústica acentuada do material, Figura 8
(a), e reafirma sua textura bem definida, bem como sua anisotropia microestrutural. Na
metalografia, Figura 9, nota-se que os grãos do metal estão alinhados conforme a direção de
laminação.
Figura 9: Fotomicrografia do aço API5L X80 com aumento de 500x. (Fonte: Souza, 2014)
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3.2. Chapa de aço ASTM A36
A chapa de aço ASTM A36 (dimensão 150 x 150 x 5 mm) foi obtida pelo processo de
laminação à quente e não sofreu tratamento térmico após o processo. As medidas por
ultrassom foram feitas em 16 pontos distintos na malha de referência escrita na chapa. A
Figura 10 (a) resume os resultados dos ensaios realizados por ultrassom com as medidas de
tempo obtidas nos pontos distribuídos ao longo da superfície da chapa conforme as duas
direções de polarização consideradas, ora paralela ora perpendicular à direção de referência
inicial adotada. A Figura 10 (b) mostra o resultado da birrefringência acústica gerada pela
textura.
Figura 10: (a) Tempo de percurso da onda. (b) Birrefringência acústica. (Fonte: Souza, 2014)
Os resultados mostram que os grãos neste material não possuem uma orientação preferencial
conforme a direção de laminação, de modo que o material não possui uma textura bem
definida. Esta análise é feita mediante ao do fato de que os tempos de percurso da onda
superficial medidos em cada ponto, ora com a direção de polarização do transdutor paralela,
ora perpendicular à direção de laminação possuem valores muito próximos, o que torna a
velocidade da onda ultrassônica que se propaga pela amostra, aproximadamente, constante.
Constata-se, ainda, pelo gráfico da Figura 10 (b) que para alguns pontos analisados o valor da
birrefringência acústica gerada pela textura é igual a zero. Este comportamento mostra não
haver uma definição da textura no material com relação ao alinhamento dos grãos na direção
de laminação, o que foi comprovado pela análise metalográfica da Figura 11. A maior
diferença entre os tempos medidos nas duas direções consideradas ocorre no ponto 11 da
malha de referência, na qual a birrefringência acústica calculada foi 0.1054%.
Figura 11: Fotomicrografia do aço ASTM A36 com aumento de 500x. (Fonte: Souza, 2014)
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Conforme a Figura 11 observa-se que os grãos da chapa laminada, tanto no corte longitudinal
quanto no transversal, não possuem uma orientação preferencial em relação à direção de
laminação. Admite-se, por uma análise metalúrgica, que a lenta recristalização ocorrida após
o processo de laminação à quente, praticamente elimina a textura preferencial do material
analisado.
4.
CONCLUSÕES
O estudo teórico sobre as técnicas de aquisição e processamento de sinais revelou possíveis
aplicações para o cálculo do tempo decorrido de propagação de uma onda ultrassônica
transversal através da espessura de amostras de materiais metálicos laminados.
O sistema ultrassônico montado na bancada experimental permitiu que os ensaios fossem
realizados de forma padrão e eficiente, com rapidez e precisão adequadas no desenvolvimento
do trabalho.
A correlação cruzada, técnica de processamento de sinais, aplicada aos sinais ultrassônicos
aquisitados mostrou-se eficaz e de precisão adequada, no cálculo do tempo de percurso da
onda ultrassônica ao se propagar pela espessura da amostra. Já o método direto, segunda
técnica de processamento de sinais aplicada neste trabalho, mostrou-se eficaz na determinação
do tempo de percurso da onda ultrassônica, porém menos preciso quando comparado com a
técnica da correlação cruzada, conforme os resultados apresentados.
A aplicação da equação da birrefringência acústica, empregada juntamente com as técnicas de
processamento de sinais utilizadas neste trabalho, permitiu analisar o comportamento
anisotrópico dos metais laminados, e conforme os resultados apresentados, concluiu-se que a
influência da microestrutura, em média, é de 10% do valor do tempo de propagação da onda
ultrassônica nas duas direções ortogonais entre si consideradas.
Nas amostras do aço API5L X80 com e sem tratamentto, e na amostra do aço ABNT 1045,
analisadas com o transdutor de incidência normal de 5 MHz, o tempo de percurso da onda
ultrassônica transversal foi menor quando a direção de polarização da onda no transdutor esta
paralela à direção de laminação do metal, ou seja, a velocidade da onda ultrassônica
transversal foi maior nesta situação;
A amostra do aço INOX AID 2205, analisada com o transdutor de incidência oblíqua de 60º
de 4MHz, apresentou anisotropia acústica dentro da faixa média de 10% do valor do tempo de
propagação da onda ultrassônica nas duas direções ortogonais entre si consideradas.
A amostra do aço ASTM A36, também analisada com o transdutor de incidência oblíqua de
60º de 4MHz, apresentou baixa anisotropia acustica, ou seja, os tempos de propagação da
onda ultrassônica transversal calculados nas direções ortogonais entre si, ou seja, no eixo
rápido e no eixo lento considerados, tiveram valores muito próximos uns dos outros. Admitese que a recristalização dinâmica ocorrida ao término do processo da laminação à quente,
praticamente elimina a influência da direção de laminação nos valores de tempo decorrido
calculados.
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A metodologia empregada com o sistema ultrassônico montado permitiu, ainda, a análise do
módulo de elasticidade transversal dos materiais metálicos usados no presenta trabalho, uma
vez conhecidos os valores das velocidades calculadas em cada ponto da malha de referência
inscrita nas amostras, verificou-se que o módulo transversal não é constante devido à
anisotropia acústica do metal laminado.
Os resultados obtidos com a metodologia do sistema ultrassônico empregado, foram
comparados com a metodologia metalográfica, ou seja, utilizando-se os equipamentos do
laboratório de metalurgia da EEIMVR-UFF, foram determinadas as respectivas direções de
laminação das amostras, através das micrografias apresentadas.
O desenvolvimnto do presente trabalho mostrou uma aplicação não convencional de
utilização do equipamento de ultrassom, na qual informações da microestrutura dos materiais
metálicos laminados analisados foram reveladas.
5.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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SIGNAL PROCESSING ULTRASONIC TO CRYSTALLOGRAPHIC TEXTURE
ANALYSIS OF MATERIALS METAL ROLLED.
Abstract. In this paper we developed and applied an experimental methodology for analysis
of crystallographic texture in rolled metal materials, through the use of an ultrasound system
using the techniques of acoustic birefringence and cross correlation. In Brazil, nondestructive testing involving the use of ultrasound, are used almost exclusively on the
detection, location and sizing of discontinuities and defects. In this work the results of the
techniques applied to listed signals, where the phenomena of change of velocity of ultrasonic
shear wave are used, or transverse, microstructural characterization, and identification of
rolling direction in alloys are presented. This method determines the variation of the
propagation speed of the ultrasonic shear wave due to the sheet rolling process, from
measuring the time interval between its echoes. The experimental facility consists of an
apparatus (transmitter / receiver) ultrasound, high frequency piezoelectric transducers,
digital oscilloscope signal acquisition software and personal computers. Initially, it is the
analysis of the texture of the material, once determined the direction of lamination, via
ultrasound, a few samples of steel, and finally, the comparison with the metallographic
analysis. The results show that the techniques of the acoustic birefringence and crosscorrelation can be applied for evaluation of the crystallographic texture.
Keywords: Acoustic birefringence, cross correlation, texture, ultrasound.