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PARTÍCULA MAGNÉTICA Curso: Ensaios Não Destrutivos Anotações de aula do Prof. Valtair Antonio Ferraresi 1. FUNDAMENTOS E PRINCÍPIOS DO ENSAIO O processo consiste em submeter a peça, ou parte desta, a um campo magnético. Nesta região, as descontinuidades existentes irão causar um campo de fuga do fluxo magnético. Com a aplicação das partículas ferromagnéticas, ocorrerá à aglomeração destas nos campos de fuga, uma vez que serão por eles atraídas, devido ao surgimento de pólos magnéticos. A aglomeração indicará o contorno do campo de fuga, fornecendo a visualização do formato e da extensão da descontinuidade. Este ensaio é utilizado na localização de descontinuidades superficiais e sub- superficiais em materiais ferromagnéticos. Podem ser aplicadas tanto em peças acabadas quanto semi-acabadas, durante as etapas de fabricação. Magnetismo: É um fenômeno de atração ou repulsão que existe entre certos materiais. Os imãs são conhecidos como um material ferromagnético, podendo ser natural ou artificial. A palavra “magnetismo” vem de uma região da Ásia menor chamada Magnésia (Turquia) onde século atrás observou-se o minério magnetita que é um imã natural. Outro imã natural é a própria terra, cuja ação sobre a agulha imantada das bússolas é conhecida desde os tempos antigos. Oersted foi o primeiro a observar, em 1820, que a corrente elétrica que percorre um fio também pode produzir efeitos magnéticos, isto é, que ela pode mudar a orientação da agulha de uma bússola. Os efeitos magnéticos produzidos pela passagem de uma corrente num fio podem ser aumentados enrolando-se este fio de modo a formar uma bobina de muitas espiras e preenchendo-se o interior da mesma com um cilindro de ferro Pólos Magnéticos Quando se coloca um material ferromagnético próximo de um imã em forma de barra, verifica-se uma atração através de suas extremidades. As propriedades magnéticas de uma barra não são iguais em qualquer ponto, ocorre uma concentração em suas extremidades. A estes pontos onde se manifestam a atração com maior intensidade é chamado de pólos magnéticos. Se dispuser de duas barras imantadas e colocar uma próxima da outra, deixando uma fixa e outra livre, verifica-se que ocorrerá uma força de atração entre as barras. No entanto, separando as barras e girando a barra móvel em 180 graus e novamente aproximar uma da outra, verifica-se uma força de repulsão. Com isso, pode dizer que existe duas espécies de pólos Uma que promove a atração e a outra que promove a repulsão. Campo magnético No espaço que circunda um imã ou um condutor percorrido por uma corrente elétrica, existe um campo magnético. O campo magnético é formado por um conjunto de linhas de fluxo magnético, também denominado de linhas de força, cujo número e forma dependem da fonte geradora. O campo magnético pode ser visualizado quando limalha de material ferromagnético é pulverizada sobre um imã. Tais partículas se comportam como minúsculos imãs e se alinham na direção do campo magnético, formando o que é chamado de linhas de indução ou linhas de fluxo. As linhas de indução são sempre contínuas e mostram claramente a forma do campo magnético. O vetor do campo magnético, B, está relacionado com suas linhas de indução da seguinte maneira: a – a reta tangente a uma linha de indução num ponto qualquer dá a direção do vetor B nesse ponto; b – as linhas de indução são traçadas de tal maneira que o número de linhas que atravessam, por unidade de área, uma superfície perpendicular às mesmas é proporcional ao módulo do vetor B na região considerada.Assim sendo, onde as linhas de indução estão muito próximas umas das outras, B será grande. Sendo pequeno onde elas estiverem muito separadas. As linhas de indução dão simplesmente uma representação gráfica da forma como B varia numa dada região do espaço. A unidade para a medida de B é tesla ou weber/metro2 = 1 N/A.m = 104 Gauss. Imãs permanentes e temporários Existem imãs naturais, conhecidas como “pedras-ímãs” e imãs permanentes artificiais. Um pedaço de ferro comum só permanece imantado durante o período em que estiver sujeito a ação de forças magnetizantes. Por exemplo, ao aproximar um imã de um punhado de prego, verifica-se que vários destes se alinham uns nos outros formando uma corrente. Neste caso, verifica-se que cada prego comporta-se como um pequeno imã. Tirando o imã das proximidades do prego, este passa a não mais se comportar como um imã. PERMEABILIDADE MGNÉTICA (µ) É definida como sendo a facilidade com que o material pode ser magnetizado. É a relação entre a condutividade magnética do material e a do ar. Classificação: - Ferromagnético - µ > 1 – Exemplo: ferro, níquel, cobalto e quase todos os tipos de aço; - Paramagnético - µ = 1 – Exemplo: platina, alumínio, cromo, estanho, potássio; - Diamagnético - µ < 1 – Exemplo: prata, chumbo, cobre, mercúrio. FORÇA DE MAGNETIZAÇÃO – H É a força que estabelece um fluxo magnético (ampères por metro). Pode-se dizer que é a força magnética por unidade de comprimento. Desta forma se um condutor retilíneo conduz 1 A, em um metro desse condutor terá uma força de magnetização de 1A/m. RELUTÂNCIA MAGNÉTICA É a resistência que apresenta um material de ser magnetizado. Os materiais de difícil magnetização apresentam grande relutância. RETENTIVIDADE MAGNÉTICA É definida como sendo a habilidade que possui um material de reter uma parte do campo magnético após a interrupção da força magnetizante. MAGNETISMO REMANENTE – Br É assim denominado o magnetismo que resta no material após a remoção da força magnetizante. FORÇA COERCIVA – Hc É a magnetização inversa que anula o magnetismo remanescente ou residual. CURVA DE SATURAÇÃO (CURVA B x H) É obtida quando se coloca uma barra de ferro que nunca foi imantada no campo de um solenóide. Verifica-se que à medida que se aumenta a intensidade de campo H, a densidade de fluxo B cresce até uma saturação (Figura 2). Figura 2 – Curva de saturação. Fazendo dois gráficos representando a variação B x H e µ x H, verifica-se que ao atingir a permeabilidade máxima, o material está saturado (Figura 3). Com isso, não tem sentido aumentar a corrente no condutor para aumentar a intensidade do campo magnético. Figura I.22 Figura 3 – Campo e permeabilidade magnética “versus” intensidade de campo Verifica-se na Figura 3 que a permeabilidade magnética “µ” cresce com o valor de “H” até um certo limite para em seguida decrescer. Da mesma forma, B não é diretamente proporcional a H. Notar que µ não é constante e depende: - do valor de H e B; - da composição química do material; - da temperatura; - do tratamento térmico. CURVA DE HISTERESE É um fenômeno que ocorre nos materiais ferromagnéticos ao serem magnetizados, e de acordo com a solicitação crescente ou decrescente, ocorrerá uma resposta a esta solicitação com um certo atraso. Alguns materiais ferromagnéticos quando magnetizados através de um campo externo não retornam completamente ao estado inicial quando é removido. Como mostrado na Figura 4, partindo-se da origem O, onde a peça está desmagnetizada, aumentando gradativamente a força magnética, o fluxo dentro do material cresce rapidamente no início, e depois lentamente até a sua saturação. Reduzindo a força magnética até zero (Figura 4b) resulta em magnetismo residual (Br). O fluxo torna-se zero quando for atingido o ponto c (Figura 4c). Este valor chamado de força coerciva do material (Hc). Com o aumento do campo inverso chega-se novamente a saturação. Aumentando a força de magnetização na direção original completa-se a curva de histerese. Figura I.23 Figura 4 – Curva representativa da magnetização (histerese) para um material ferromagnético.Se a forma da curva de histerese é delgada, Figura 4e, significa que o material tem baixa retentividade (baixo campo residual) e é fácil de ser magnetizado (tem baixa relutância). Uma curva larga, Figura 4f, indica que o material tem alta relutância e é difícil de ser magnetizado. CAMPO DE FUGA A interrupção das linhas de força dá origem a novos pólos, provocando a dispersão das linhas de fluxo que dão origem ao campo de fuga (Figura abaixo). No ensaio por partículas magnéticas, ao aplicar um pó ferromagnético no local onde exista um campo de fuga, devido à formação de um dipolo magnético, provocará o agrupamento das partículas, ou seja, as partículas se acumulam em torno do campo de fuga. Desta forma, pode-se dizer que o ensaio por partícula magnética é um detector de campos de fuga, que são revelados pela presença e acúmulo de partículas. 2. MÉTODO DE MAGNETIZAÇÃO. Magnetização Longitudinal É um método de magnetização que produz um campo magnético longitudinal na peça, fechando o circuito através do ar. Detecta descontinuidades transversais. Magnetização Circular As linhas de força que formam o campo magnético circulam através da peça em circuito fechado, não fazendo uma ponte através do ar. Detecta descontinuidades longitudinais. Magnetização Multidirecional É um método em que simultaneamente são aplicados na peça dois campos magnéticos: longitudinal e circular. Esta técnica permite detectar descontinuidades em diversas orientações. Vantagens: - Na inspeção de componentes seriados onde se reduz substancialmente o tempo de inspeção; - Economia de partículas magnéticas; - Cada peça ou componente é manuseada apenas uma vez; Desvantagens: - Seu emprego se restringe a peças de geometria simples; - Menor detectabilidade de descontinuidades, comparada com os métodos seqüenciais; 3. TÉCNICAS DE MAGNETIZAÇÃO 3.1. Magnetização por passagem de corrente É a técnica de magnetização em que a corrente circula pela peça, tais como: A – Técnicas dos eletrodos: Utiliza eletrodos para a passagem de corrente na peça. O campo magnético gerado é circular – vide Figura 5. Figura II.3 Figura 5 – Técnica do eletrodo B – Técnica do contato direto Também conhecida como magnetização por placas ou cabeçotes de contato. O campo magnético gerado é circular – vide Figura 6. Figura II.4 Figura 6 – Técnica do contato direto. 3.2. Magnetização Por Indução de Campo magnético. É a técnica de magnetização em que o campo magnético formado na peça é obtido por indução, tais como: condutor central, bobinas e ioque. A – Condutor central É a técnica de magnetização obtida pela passagem de corrente em um ou mais condutores (geralmente de cobre) posicionados no interior de um orifício da peça. O campo magnético gerado na peça é circular – vide Figura 7. É uma técnica utilizada para inspeção de tubos, flanges, engrenagens e peças ocas em geral. Fig. II5 Figura 7 – Técnica do condutor central. B – Bobinas. Nessa técnica a peça é colocada no interior de uma bobina ou solenóide. Figura II.6 Figura 8 – Técnica de magnetização com bobina. C- IOQUE É a técnica de magnetização pela indução de um campo magnético gerado por um eletroímã em forma de U (Figura 9), que é apoiado na peça a ser examinada, onde é gerado um campo magnético. Figura 9 – Técnica de magnetização por ioque. 4 – TÉCNICAS DE ENSAIO 4.1 – Técnica do campo contínuo É a técnica de ensaio utilizada principalmente nos materiais de baixa retentividade (retém baixo magnetismo residual). A aplicação do pó metálico na região de inspeção é realizada simultaneamente com a aplicação da força magnetizante. Todas as operações são realizadas de maneira contínua sem a interrupção do campo magnético. 4.2. Técnica Do Campo Residual É empregada em materiais de alta retentividade, as operações de aplicação de pó magnético, remoção do excesso (pó seco) e a inspeção são realizadas em etapas sucessivas, após a aplicação da força magnetizante. Nesta técnica o pó se acumulará nas descontinuidades devido ao campo de fuga proveniente do magnetismo residual do material. 5. MÉTODOS DE ENSAIO As partículas magnéticas podem ser fornecidas na forma de pó, em pasta ou dispersa em líquido. Em todos os casos, as partículas se constituem de um pó ferromagnético de dimensões, forma, densidade e cor adequadas ao exame. O modo de aplicação pode ser via seca ou via úmida. VIA SECA Neste caso o pó magnético (seco) pode ser aplicado de forma manual ou bombas aspersoras que pulverizam as partículas na região de análise. As partículas por via seca são mais sensíveis na detecção de descontinuidades próximas à superfície. VIA ÚMIDA É o método de ensaio no qual as partículas encontram-se em dispersão num líquido. O líquido pode ser a água, querosene ou óleo leve. Os aplicadores por via úmida são na forma de chuveiro de baixa pressão no caso de máquinas estacionárias ou manuais, tipo borrifadores, que produzem uma névoa sobre a região de exame. Existe no mercado suspensões na forma de “spray”. 6. PÓS MAGNÉTICOS São os elementos que indicam as descontinuidades. Na presença de um campo magnético, os pós distribuem uniformemente de acordo com as linhas de força, onde ocorrer fuga de campo o pó magnético irá se acumular, funcionando como detetor de descontinuidades. Diversos fatores influenciam na inspeção, os diretos (divido ao comportamento das partículas no campo magnético) e os indiretos (devido à facilidade de visualização das partículas pelo inspetor). Fatores diretos: - Intensidade do campo de fuga; - Força da gravidade; - Viscosidade do meio; - Movimentação do meio; - Propriedades magnéticas das partículas; - Forma das partículas; - Tamanho das partículas. Fatores Indiretos: - Cor; - Contraste; - Nível de iluminação. Os campos de fuga podem Ter origem em descontinuidades, variações de permeabilidade magnética do meio, mudanças de espessuras, irregularidades superficiais, etc. A força da gravidade age sobre as partículas magnéticas em função da posição de inspeção. Assim, partículas de massa muito grandes dificultam a inspeção. A viscosidade é responsável pela distribuição das partículas na região de inspeção. Na inspeção via seca tomar cuidado com os ventos que podem afetar a sua distribuição. A propriedade magnética das partículas é semelhante às do ferro, pois são óxidos de ferro. No entanto, devem possuir alta permeabilidade magnética para serem facilmente captadas pelos campos de fuga e deve ter o menor magnetismo residual (retentividade pode promover a aglomeração das partículas e aumentar a dificuldade de remoção do excesso). Quanto ao formato, existem as partículas esféricas (facilitam a mobilidade) e alongadas (apresenta melhor comportamento na detecção de campo de fuga). Na prática é feita uma mistura de forma e tamanho. Quanto aos defeitos indiretos, para a perfeita visualização das partículas nas indicações de uma peça em exame, são de fundamental importância a cor, o contraste e a iluminação. A escolha da cor é função da cor da superfície da peça em exame e função também das condições de iluminação (visível, Fluorescente, etc.). Com relação ao contraste são tintas brancas aplicadas de forma a garantir um fundo branco e melhorar o contraste. 6.1. Preparação das partículas Via seca – não requer preparação. Via úmida – requer preparação – ver embalagem do fabricante. 7. DESMAGNETIZAÇÃO O magnetismo residual pode criar problemas, sendo necessário à desmagnetização da peça, tais como: - Interferência na usinagem – induz a magnetização da ferramentade corte afetando o acabamento da peça (retenção de limalha e partículas na ferramenta de corte); - Interferência na soldagem – sopro magnético - Interferência em instrumentos – “há registros de acidentes aéreos por interferências de campos magnéticos do trem de pouso no instrumento de navegação da aeronave”. A desmagnetização é dispensável quando: - Os materiais possuem baixa retentividade; - As peças serão submetidas a tratamento térmico; - As peças serão novamente magnetizadas. São várias as técnicas de desmagnetização, sendo que todas são baseadas no princípio de que uma peça submetida a um campo magnético continuamente invertido e gradualmente reduzido a zero, a peça será desmagnetizada. 8. SEQÜÊNCIA BÁSICA DE EXECUÇÃO DO ENSAIO Figura 10 – Seqüência de ensaio Limpeza – jato de areia, escova de aço, solvente, etc. O objetivo é retirar da superfície em exame todo material que prejudica o ensaio. Técnica de Varredura – Escolhida a técnica de magnetização a ser empregada, é importante que o inspetor procure visualizar ou esquematizar a peça, como será o campo magnético formado, se longitudinal ou circular – não se conhece a orientação da descontinuidade. Para garantir que a inspeção foi adequada é preciso que uma outra varredura, defasada de mais ou menos 90º do eixo anterior, seja realizada na mesma região. Vide Figura 11 Figura 11 – Técnica de varredura em solda. Técnica de verificação da intensidade de campo – Além da técnica de varredura é necessário que a densidade de fluxo (B) na região de exame seja suficiente para garantir a formação de campo de fuga com intensidade suficiente para atraírem as partículas magnéticas. No caso da técnica ioque, a força magnetizante é estabelecida pela capacidade mínima de levantar uma massa de 4,5 kg, quando se utiliza corrente alternada e de 18,5 kg quando se utiliza corrente contínua. EQUIPAMENTOS E ACESSÓRIOS Requisitos técnicos: - atender os requisitos e critérios de aceitação previsto em normas - apresentar características técnicas para o inspetor executar calibrações com o intuito de garantir a confiabilidade do ensaio. - Atender as exigências de trabalho contínuo ou não com um nível de resposta de reprodutibilidade e desempenho adequados. - Análise dos requisitos dos equipamentos: Técnica do ioque: - Produz campo magnético longitudinal - Não aquecem os pontos de contatos, já que a corrente magnetizante flui pelo enrolamento do ioque, e não pela peça. - Campo magnético na área útil esteja entre 17 e 65 A/m - Comprovação da força de magnetização – levantar uma massa de 4,5 kg no máximo espaçamento entre os pólos, para Corrente Alternada. Técnica do eletrodo: - Neste a corrente circula pela peça entre os dois eletrodos - Corrente – é função da espessura da peça: - Espessura menor que 20 mm - utilizar corrente entre 3,6 a 4,4 Ampéres por milímetro de espaçamento entre eletrodos. - Espessura maior ou igual a 20 mm – 4,0 a 5,0 Ampéres por milímetro de espaçamento entre eletrodos. - Tomar cuidados na sua utilização – por exemplo, a corrente de magnetização só deve ser ligada após o posicionamento adequado dos eletrodos na peça – Existe possibilidade de abertura de arco entre a peça e o eletrodo. - Cálculo da corrente de magnetização – Exemplo Calcular a corrente de magnetização para uma peça com 15 mm de espessura, supondo o espaçamento entre eletrodos de 150 mm Resposta _ entre 540 a 660 A. Técnica da Bobina: Exemplo: Calcular a corrente de magnetização para uma peça cujo diâmetro é de 40 mm e o comprimento é de 4000 mm. Resposta: 1 – Dividir a seção em 10 partes – 400 mm cada. Isto é função do equipamento utilizado. 2 – Com base na Norma Petrobrás 1598-a, para L/D maior que 4 usa-se a seguinte fórmula para determinar a quantidade de Ampères –espira, dado por: 35000 / (L/D + 2) = 2.900 A.espira. Considerando uma bobina de 5 espiras, tem-se 580 A, que é a corrente a ser ajustada no amperímetro do equipamento. CÓDIGOS, NORMAS, ESPECIFICAÇÕES E PROCEDIMENTOS Normas aplicáveis: - ASME V artigo 7 – Exame por partícula magnética - ASTM A 275-82 – Método para exame de forjados de aço - ASTM E 709-80 – Prática recomendada para exame por partículas magnéticas. Procedimento: - Objetivo; - Aplicação; - Normas de referência; - Material a ser examinado; - Equipamentos de ensaio; - Técnicas de magnetização; - Correntes de magnetização; - Partículas ferromagnéticas - Temperatura da peça e da suspensão - Estado das superfícies a serem examinadas; - Método e/ou ferramentas para preparação e limpeza da superfície; - Esquema indicativo da sobreposição; - Descrição da execução do exame; - Desmagnetização - Limpeza final; - Mapa de registro dos resultados; - Formulários e relatórios - Critérios de aceitação. INDICAÇÕES NÃO RELEVANTES (INDICAÇÕES FALSAS) São indicações corretas, produzidas por um campo de fuga que não tem sua causa numa descontinuidade que afete a utilização da peça. As causas mais comuns de aparecimento de indicações não relevantes são: - corrente de magnetização excessiva; - geometria da peça; - variações de permeabilidade dentro da peça; - peças com tratamento térmico localizado; - interface entre dois materiais com propriedades magnéticas diferentes. A interface entre dois materiais com propriedades magnéticas diferentes, como por exemplo solda austenítica em metal base ferrítica, produzirá indicações não relevantes.
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