O hidrogênio é o elemento em maior abundância no mundo, e muitas reações de acidificação e de oxidação com aços liberam hidrogênio em grandes quantidades.

Entre as causas mais comuns de fragilização por hidrogênio podem-se incluir condições atmosféricas específicas, a quebra de lubrificantes orgânicos, qualquer processo de fabricação e tratamentos térmicos. Outras influências são as condições de trabalho, uso de soldagem por arco, condições atmosféricas e operações de moagem em ambientes úmidos. As partes de materiais que são submetidas a tratamentos eletroquímicos de superfície são especialmente suscetíveis. A limpeza por ácidos (decapagem) e eletrodeposição com altas correntes são os métodos mais severos, seguidos pela deposição por eletrólise e os revestimentos de conversão[1].

A fragilização por hidrogênio ambiental é outra forma dessa condição. O hidrogênio, presente no ambiente, é introduzido na estrutura metálica quando o aço é colocado em serviço. Nesse caso, o hidrogênio pode ser originado por várias fontes externas, como um subproduto de corrosão generalizada ou de outro tipo de reação.

Efeitos

A interação do hidrogênio com os metais reduz a ductilidade e, muitas vezes, a resistência dos mesmos. O hidrogênio, em sua forma atômica, entra no metal e, por ser um átomo muito pequeno, se difunde rapidamente pela estrutura metálica, mesmo em temperaturas normais. Durante processos de fusão e de fabricação, assim como durante o período de serviço, os metais têm contato com o hidrogênio de várias maneiras e o absorvem. O hidrogênio absorvido pode sofrer reações irreversíveis com óxidos e carbetos presentes em alguns metais, alterando permanentemente sua microestrutura. Também pode ser recombinado em superfícies internas de diversos tipos de defeitos para formar hidrogênio molecular gasoso. Quando esta recombinação ocorre em regiões próximas à superfície externa do metal e a pressão de gás H2 resultante é suficientemente alta, podem ser formados blisters metálicos. Hidretos frágeis, que prejudicam as propriedades mecânicas dos metais, também são obtidos em alguns casos.

Há outro tipo de fragilização, considerada reversível, que pode ocorrer em metais submetidos à deformação, dependendo da presença de hidrogênio na estrutura cristalina. Sob determinadas condições, a falha do material pode ser adiada por longos períodos. Muitos mecanismos foram postulados para explicar o fenômeno de fragilização reversível. De acordo com algumas teorias, o hidrogênio influencia nos processos de deformação plástica dos metais, aumentando a tendência ao trincamento.

Testes de fragilização por hidrogênio são muito importantes e frequentes para as indústrias produtoras de aço usados no transporte de óleo e gás. Cabos, fixadores (Fig. 3) e dutos (oleodutos e gaseodutos) são alguns dos componentes mais testados, devido ao contato direto com meios agressivos e sour (nota do editor: ricos em H2S, um dos principais responsáveis pela formação de hidrogênio atômico). Muitas indústrias de tratamento térmico enviam seus produtos para serem testados em outros laboratórios. No entanto, surgiu uma tendência entre as empresas de adquirir equipamentos para testes de fragilização e realizá-los em seus próprios laboratórios, a fim de se ter a certeza de que as especificações das normas de segurança e qualidade sejam atingidas. A norma ASTM F519-13 corresponde ao Método Padrão de Teste para Avaliação de Fragilização Mecânica por Hidrogênio após Processos de Deposição/Revestimento em Ambientes de Serviço. O usuário final do componente metálico a ser comercializado pode exigir requisições mais específicas, dependendo da aplicação e do meio de utilização.

O teste é simples, feito em temperatura ambiente, podendo ser usados corpos de prova usinados ou dispositivos finalizados; o método permite a determinação da suscetibilidade do material à fragilização por hidrogênio. Aplica-se no material uma tensão mecânica equivalente a 75% do seu valor de escoamento, durante 200 horas e a temperatura ambiente. Como se pode notar, o teste descrito é relativamente simples e equipamentos como o ATS 2330 MAN garantem reprodutibilidade, precisão e resultados confiáveis para até 48 corpos de prova ensaiados por vez. A Fig. 1 mostra 12 corpos de prova do tipo ASTM F519 1a.1 na máquina de teste (3 arranjos, cada um com 4 corpos de prova). Outro tipo de corpo de prova que é aceito neste equipamento é o F519 1a.2, porém, seu posicionamento é dado na forma de 1 arranjo de 4 amostras. O corpo de prova típico usado para testar dispositivos fixadores é mostrado pela Fig. 2.

Algumas vantagens de se trabalhar com a ATS 2330 MAN são:

– O equipamento possui ampla variedade de padrões de construção, permitindo simular diversos tipos de ambientes de trabalho e usar vários acessórios; ao mesmo tempo, suas dimensões gerais são compactas;

– A operação do equipamento é feita lateralmente;

– O carregamento dos corpos de prova é central, levando a valores otimizados de resistência e deflexão mínima;

– Possui suportes do tipo bloco em V rugosos, para máximo contato linear knife-edge;

– Contém dispositivo rotacionável com knife-edges para quatro posições, feito de aço ferramenta de alta resistência e endurecido, projetado para ter fácil rotação e para substituir as pontas desgastadas;

– Montagem precisa do cabeçote de tração, proporcionando carregamento e nivelamento automático;

– Dispositivos para isolamento de vibrações duráveis, que previnem a formação de distúrbios/ruídos para outros equipamentos sensíveis.

Aumentando a Produtividade

O corpo de prova é submetido ao processo de deposição ou revestimento em questão e, depois, é testado. Caso os requisitos colocados pela norma sejam atingidos, todo o lote de componentes/peças é enviado para produção na fábrica. O teste de fragilização já é longo (tem duração de 200 horas) e, portanto, a empresa que possui o equipamento em seu próprio laboratório se encontra em vantagem, uma vez que terá acesso aos resultados mais rapidamente do que se o ensaio fosse realizado em outro lugar. Isso ajuda a diminuir o tempo de entrega dos produtos para o consumidor/usuário final.

Assim, ao trazer o equipamento de teste para sua própria empresa, o fornecedor diminui o tempo de entrega, aumenta a qualidade e tem mais controle sobre os próprios produtos. Ao se levar os corpos de prova para ensaios em outros laboratórios, não se tem mais o controle absoluto sobre os mesmos, ou seja, não se tem a certeza de que os mesmos estão sob as condições de armazenamento corretas, o que pode levá-los à falha prematura. Dessa forma, falsos resultados podem ser obtidos, gerando altos custos para a empresa.

Soluções internas estão disponíveis para fabricantes de componentes metálicos a preços razoáveis, com retorno fácil do investimento. Um equipamento apropriado para realização de testes pode ajudar a fornecer lucros que rapidamente cobrirão o seu valor, dependendo da frequência com que o fabricante utilizar a máquina.

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[1] Daniel H. Herring “The Heat Treat Doctor”, 2010 Wire Forming Technology International

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Se os materiais precisam ter desempenho em temperaturas elevadas, em geral, os fornecedores precisam certificar suas peças. As propriedades mecânicas em temperaturas elevadas de um material podem ser determinadas por meio de um ensaio de tração a quente. Há diversas configurações de ensaio e de técnicas de aquecimento, as quais podem variar de acordo com a aplicação. Em geral, o equipamento necessário para este tipo de ensaio é um sistema com carregamento mecânico para aplicar carga a uma amostra e um equipamento para aquecer a amostra. O sistema também inclui componentes para controle, medição e coleta de dados.

Este artigo discutirá uma configuração de ensaio comum. O equipamento necessário para realizar este ensaio é uma Máquina de Ensaio Universal (UTM – Universal Test Machine), um forno e um extensômetro (Fig.1). A UTM deve ser equipada com acopladores, tirantes e adaptadores de mudança rápida. O sistema deve ser equipado com termopares calibrados e instrumentos para medir, controlar e registrar as temperaturas do forno e da amostra. A seleção do extensômetro depende das necessidades de aplicação.

Estrutura da Máquina de Ensaio de Tração

A seleção da estrutura da UTM deverá ser baseada nas especificações de ensaio que serão seguidas. Há dois tipos básicos de UTM disponíveis no mercado: um modelo eletromecânico e um servo-hidráulico. Cada um tendo vantagens distintas e que deveriam ser exploradas por um técnico de aplicação com conhecimentos específicos. Quando é feita a avaliação de um equipamento de ensaio deste tipo para as capacidades de um laboratório, é importante notar que, às vezes, é possível reequipar uma estrutura UTM já existente para adicionar os itens para o ensaio de tração a quente.

Os acopladores, tirantes e adaptadores de mudança rápida devem ser produzidos com um material que suporte as temperaturas elevadas do interior do forno.

Fornos

Um tipo de forno comum utilizado para os ensaios de tração a quente é um forno com múltiplas zonas, como o modelo ATS 3210 tubular bi-partido (Fig.2). O forno com configuração de múltiplas zonas permite um controle mais estreito das tolerâncias. A construção de partida do forno permite um carregamento e descarregamento mais rápido da amostra. As características de construção de um forno padrão incluem um isolamento rígido com baixo fator K (valor da condutividade térmica), uma carcaça e flanges de aço inoxidável e elementos de aquecimento que possam ser substituídos.

As temperaturas de ensaio, tanto do forno quanto da amostra, precisam ser controladas de forma precisa, isto porque há uma dependência muito forte da dutilidade em tração com a temperatura. Por esta razão, três termopares calibrados são fixados na superfície da amostra (Fig.3). Isto assegura um controle preciso da temperatura e uma uniformidade de temperaturas na amostra.

Extensômetro

Um extensômetro é utilizado para medir as mudanças no comprimento da amostra. Há diversos tipos de extensômetros disponíveis e a seleção do tipo de extensômetro é função das necessidades do ensaio. Os extensômetros disponíveis podem ser tanto montados pela lateral, como pela base ou do tipo a laser.

O método preferível é utilizar uma estrutura do tipo haste e tubo, como o modelo ATS 4112-T. Com a estrutura pronta, é necessário somente um grampo para o extensômetro e ele é anexado somente quando o forno estiver pronto para o ensaio. Isto permite que o operador monte diversos fornos e amostras para pré-aquecimento ao mesmo tempo em que elimina qualquer movimentação do extensômetro em relação à amostra durante a colocação do forno na estrutura para o ensaio.

Aumentando a Produtividade

A montagem do ensaio de tração a quente é simples e pode ser completada em poucos minutos. O operador que realizará o ensaio deve assegurar que o acoplamento, os tirantes e os adaptadores estejam montados de forma correta na UTM. As amostras (já com os termopares afixados) são então carregadas dentro do forno, conforme as instruções do procedimento de aplicação do ensaio. O forno é fechado e, então, é iniciado o processo de aquecimento, com todas as temperaturas sendo controladas e registradas por um programa de computador, como o ATS WinHT.

O WinHT tem um controle de temperatura preciso, o qual mantém a temperatura dentro dos requisitos rigorosos da Nadcap (Programa Nacional de Acreditação de Fornecedores de Defesa e Aeroespaciais dos EUA) e da ASTM (American Society for Testing and Materials). O WinHT tem uma compensação de potência pré-preventiva, a qual elimina automaticamente as alterações de temperatura devido a variações de voltagem na linha. Ele criará relatórios e gráficos para cada amostra.

Uma vez que a amostra esteja pronta ela será carregada dentro da estrutura de ensaio, o extensômetro será colocado no lugar e o teste será realizado. Dentro de minutos, o ensaio será finalizado e os dados armazenados. Estes dados podem ser utilizados pelo operador para determinar a resistência à tração, o limite de escoamento, a dutilidade e a resistência máxima.

As especificações do ensaio e os métodos de produção do material da amostra determinam a taxa de aquecimento. É bastante comum encontrar a exigência de uma taxa de aquecimento lenta com um tempo de encharque adicional de 10 a 60 minutos antes da aplicação da carga. Com estes tempos de espera longos para o forno e a amostra atingirem temperatura, é difícil testar mais do que algumas amostras em qualquer dia de trabalho padrão.

Com o objetivo de aumentar a produtividade nos ensaios de laboratório, pode ser utilizado um sistema de carrossel conjuntamente com o programa WinHT ao invés de um único forno. Um sistema de carrossel típico terá 3, 4 ou 6 fornos, os quais são articulados por um apoio central e podem ser facilmente carregados na estrutura do ensaio. Se, por exemplo, for utilizada a opção com 6 fornos, o operador pode montar os seis ensaios, utilizando dois tirantes em cada, acopladores para a amostra e extensômetro (o qual mede a quantidade de alongamento que a amostra sofre durante o ensaio) para montar ambas as extremidades da amostra (Fig.4).

O operador, então, aquece os fornos para a temperatura exigida, espera o tempo de encharque necessário e, utilizando o acoplador de mudança rápida, move toda a estrutura para dentro do forno. A amostra é ensaiada até a falha, os extensômetros medem o alongamento da amostra e o controlador do forno mede a temperatura na qual a falha ocorreu. O programa de computador armazena estas informações, bem como o tempo para a falha e outras informações exigidas pela ASTM E21 (norma que abrange métodos de ensaio, procedimentos e equipamentos para a determinação da resistência à tração, resistência à deformação, alongamento e redução da área de materiais metálicos em temperaturas elevadas).

Uma vez que o ensaio esteja completo, o operador remove a amostra e rotaciona a montagem inteira do carrossel para colocar a próxima amostra no local para o ensaio. Agora há seis amostras sendo ensaiadas em sequência e seis fornos pré-aquecidos e prontos para iniciar um novo aquecimento para o próximo conjunto de amostras sem que haja perda de tempo precioso e temperatura do forno.

Aumentando o número de amostras que podem ser ensaiadas em um dia, a eficiência do laboratório aumenta. Não importando se o laboratório é parte de planta primária de metais ou se é um laboratório independente, a capacidade de produção aumenta e os lucros também.

Concluindo, todos na cadeia, desde o produtor do metal até o consumidor final, se beneficiam com a melhoria na eficiência dos ensaios que o sistema de carrossel propicia ao utilizá-lo.

Para mais informaçõeS: Robert Antolik, engenheiro de vendas da Applied Test Systems, 154 East Brook Lane, Butler (PA) – EUA; tel.: +1 724-283-1212; e-mail: rantolik@atspa.com; www.atspa.com.

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