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As primeiras aplicações de ultrassons ocorreram no início do século passado, quando eram utilizados na detecção de icebergs no mar e durante a Primeira Guerra Mundial, na detecção de submarinos e determinação da profundidade do local navegado. O uso de ultrassons como um método de ensaio não destrutivo se deu como uma alternativa à necessidade de comprimentos de onda cada vez menores visando à detecção de descontinuidades muito pequenas. Segundo registros, O uso na inspeção de defeitos em peças aconteceu a partir de 1929, com Sokolov e Mulhauser. Sokolov nessa época já havia construído uma série de instrumentos que geravam ultrassons para a inspeção de metais e, em seguida, fazia a “autópsia” para confirmar a existência das descontinuidades, principalmente, em ferros fundidos. O pesquisador russo foi responsável por diversos estudos a respeito do uso de ultrassons como uma técnica de ensaio não destrutiva e, inicialmente, dizia que o ensaio apenas complementaria a inspeção por raios-x. Em 1939, os russos já executavam inspeção de metais com razoável sensibilidade utilizando os ultrassons.

Apesar dos importantes avanços feitos por Sokolov e Mulhauser, o maior desenvolvimento e aplicação da técnica ocorreu durante a Segunda Guerra Mundial, principalmente, com a empresa Firestone em 1940 nos Estados Unidos, desenvolvendo e comercializando aparelhos destinados à análise da reflexão de impulsos (ecos).

O ensaio por ultrassom é caracterizado por ser um método versátil de ensaio, o qual é aplicado em materiais metálicos e não metálicos. Defeitos ou descontinuidades como poros, inclusões e trincas podem ser detectados no interior da peça, assim como medições de espessura. O diferencial deste ensaio em relação a ensaios mais simples e baratos é o fato de permitir uma inspeção volumétrica da peça, o que não é

possível em ensaios com líquidos penetrantes e partículas magnéticas, por exemplo. Além disso, possibilita a medição do tamanho da descontinuidade e a posição do defeito é determinada com muita precisão.

A técnica utiliza altas frequências de ondas acústicas geradas por transdutores piezelétricos. Frequências de 1 a 10MHz são normalmente utilizadas, no entanto maiores ou menores frequências podem ser requeridas para certas análises. As ondas emitidas pelo transdutor percorrem o volume do material e ao encontrarem uma superfície de separação de dois meios com características acústicas diferentes são refletidas e captadas novamente pelo mesmo transdutor ou por outro localizado na superfície oposta ao emissor.

Efeito piezelétrico nos ensaios por ultrassom

O efeito piezelétrico foi descoberto por Pierre1 e Jacques2 Curie em 1880. Os dois pesquisadores realizaram um experimento que consistiu em cortar uma lâmina cristalina de quartzo e, em seguida, aplicar cargas mecânicas nas duas faces opostas dessa lâmina, inúmeras vezes. Após a aplicação das forças, observava-se o aparecimento de cargas elétricas; uma face positiva e outra negativa na lâmina. Ao aplicarem esforços mecânicos diferentes chegaram à conclusão de que o grau de “eletrificação” ou de separação de cargas era proporcional à intensidade dos esforços mecânicos aplicados. Diversos são os materiais que produzem o efeito piezelétrico entre eles o quartzo, a turmalina e compostos como sulfato de lítio, titanato de bário, metaniobato de chumbo e o zirconato-titanato de chumbo.

  1. Lippmann3 deduziu, teoricamente, um ano após a descoberta do efeito piezelétrico que o mesmo deveria possuir um fenômeno inverso ou recíproco. Segundo sua teoria, ao aplicar cargas elétricas positivas e negativas nas faces opostas da lâmina cristalina, estas deveriam produzir uma deformação no cristal, semelhante à deformação promovida, inicialmente, nos experimentos realizados pelos

1Pierre Curie nasceu em Paris, França, no dia 15 de maio de 1859 e faleceu na mesma cidade em 19 de abril de 1906. Foi um físico pioneiro no estudo da cristalografia, magnetismo, piezeletricidade e radioatividade. Ganhou o prêmio Nobel da Física em 1903, juntamente com sua esposa Marie Curie, pelos seus estudos sobre a radioatividade.

2Jacques Curie físico francês nascido em Paris no dia 28 de outubro de 1855 e faleceu em Montpellier, França, em 19 de fevereiro de 1941. Foi professor de mineralogia na Universidade de Montpellier e irmão de Pierre Curie, com quem desenvolveu os estudos a respeito da piezeletricidade.

3Gabriel Lippmann físico nascido em Bonnevoie, Luxemburgo,em 16 de agosto de 1845. O pesquisador recebeu o prêmio Nobel de Física em 1908 pelo seu método de reprodução fotográfica em cores com base no fenômeno de interferência. Lippmann faleceu em 13 de julho de 1921 aos 75 anos de idade.

Utilização de ultrassons na caracterização de microestruturas de materiais.

A microestrutura de vários materiais tem sido extensivamente estudada utilizando-se técnicas baseadas no comportamento de ondas e vibrações mecânicas de alta frequência.

Nestes casos, determina-se, experimentalmente, o efeito da distribuição e natureza dos constituintes, da textura cristalográfica, do encruamento, entre outros, nos parâmetros físicos associados à propagação de ondas ultrassonoras (impedância acústica (Z), coeficiente de atenuação (α)), numa grande variedade de metais e ligas metálicas, dentre outros. Utilizando-se o método impulso - eco, medem-se as velocidades de propagação de ondas longitudinais e as mudanças no arranjo micro estrutural são responsabilizadas pelas mudanças observadas nas velocidades de propagação medidas.

Resultados de trabalhos que empreendemos levaram-nos a comprovar que:

  • As ondas ultrassônicas podem ser usadas na investigação e inspeção da microestrutura de materiais atendendo às perspectivas das comunidades acadêmicas e
  • Os resultados das experiências realizadas com os metais e ligas policristalinas disponíveis mostraram que estes variam, significativamente, com a distribuição e composição das fases presentes, o alinhamento dos componentes, o encruamento da microestrutura,

Conceituação

O estudo da propagação de ondas elásticas de alta frequência em sólidos tem- se revelado muito eficiente quando aplicado ao estudo de certas propriedades dos materiais em geral (1-8). Metais e ligas policristalinas submetidas, por exemplo, a trabalhos de conformação mecânica desenvolvem ‘texturas’ dependentes da estrutura cristalina dos grãos originais e da simetria da operação mecânica imposta.

Dentre algumas das propriedades de interesse industrial que podem ser abordadas por esse método ultrassonoro, destacamos a determinação de tamanho de grão, de frações volumétricas de porosidades e de partículas de segunda fase, medidas de tensões residuais, avaliação de módulos elásticos, etc.

O método de medida de velocidade de propagação de ultrassom nos materiais

Basicamente, as medidas de velocidade de propagação e as medidas de coeficientes de atenuação são executadas de acordo com as seguintes etapas:

  • Geração de um pulso elétrico de frequência
  • Conversão do sinal elétrico em energia ultrassônica.
  • Transferência dos pulsos ultrassônicos para o material em
  • Conversão da energia ultrassônica refletida em sinal elétrico após propagação no interior da
  • Interpretação dos pulsos elétricos: medições do tempo de percurso das ondas e medição das intensidades relativas da energia após reflexões (ecos).

Experiência 1:

Procuramos correlacionar o grau de encruamento por deformação plástica do cobre comercial com o comportamento das ondas ultrassonoras. Três casos foram estudados: amostra encruada por laminação até valores de dureza Vickers próximos de 100VHN e duas outras amostras submetidas a tratamentos de recozimento, acarretando queda nos valores de dureza para 54VHN e 49VHN.

A correlação entre a evolução da impedância acústica (Z) e as mudanças de micro estrutura (traduzidas pelas variações de dureza) pode ser observada na tabela 2 e figura 2(a, b).

O acúmulo de tensões induzido pela deformação plástica enrijece o conjunto da microestrutura e isso se reflete na impedância acústica (Z), elevada para o caso 1. Os valores de C confirmam essa hipótese. A dispersão observada ao diminuirmos a fração volumétrica de defeitos cristalográficos (através dos tratamentos térmicos), traduz-se em diminuição de Z e C. As micrografias apresentam o rearranjo micro estrutural ao passarmos de 1 a 3.

Experiência 2:

Interessou-nos verificar o comportamento dos ultrassons em microestruturas fortemente anisotrópicas. Com esse objetivo, estudamos a propagação dos ultrassons em amostras de alumínio de pureza comercial solidificadas unidirecionalmente, de modo a conseguirmos o alinhamento dos grãos por crescimento dirigido e controlado pela direção de extração do calor durante o resfriamento.

Experiência 3:

Várias pastilhas de aço carbono foram extraídas de barras de seção redonda e, em seguida, tratadas termicamente, com o objetivo de se promover mudanças na micro estrutura original (Tabela 4a). As possibilidades de fazer variar a fração volumétrica, a distribuição e as características cristalográficas das fases presentes por meio de tratamentos térmicos foram exploradas e o resultado está resumido na tabela 4b.

Conclusões gerais

A partir dos resultados obtidos nas três experiências relatadas podemos concluir que:

É possível utilizar ondas ultrassonoras na investigação e no desenvolvimento de materiais diversos. As grandezas medidas são dependentes da microestrutura.

O encruamento, a anisotropia de propriedades provocada por alinhamento de microconstituintes (textura), a distribuição, fração volumétrica e natureza dos microconstituintes (composição e cristalografia das fases) podem ser estudados com auxílio de vibrações mecânicas de alta frequência.

O método é rápido. As medidas são estatisticamente representativas, pois se utilizam corpos de prova relativamente grandes.


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