Medição de Tensão Residual por Difração de Raios X em Aço Ferramenta

Tensão nunca é medida, deformação sim

Todo método de determinação de tensão mede outra coisa e calcula a tensão a partir dela. Na difração de raios X, a grandeza medida é o espaçamento de um conjunto de planos da rede cristalina, que se altera quando a rede é elasticamente deformada. O ângulo em que o feixe difrata segue a lei de Bragg, de modo que qualquer variação no espaçamento da rede aparece como um deslocamento no ângulo de difração. O espaçamento da rede é medido em pelo menos duas orientações conhecidas da amostra em relação ao feixe, e a tensão é calculada a partir da variação entre elas, assumindo distorção elástica linear da rede.

Duas consequências decorrem disso, e ambas importam quando um número está sendo questionado. Primeiro, apenas a deformação elástica altera o espaçamento médio da rede, portanto o método reporta somente deformação elástica. Uma vez ultrapassado o limite elástico, a deformação adicional movimenta discordâncias e perturba a rede em vez de elevar a tensão macroscópica, razão pela qual uma superfície fortemente encruada a frio pode apresentar uma tensão acima do limite de escoamento do mesmo aço no estado recozido. Segundo, o resultado é uma média sobre um volume, e esse volume é definido pelo tamanho da área irradiada e pela profundidade que o feixe atinge. Em ligas à base de ferro, níquel e alumínio, metade da radiação difratada vem de uma camada com cerca de 0,005 mm de profundidade, o que é a razão pela qual o método resolve um perfil de profundidade que nenhum método mecânico ou ultrassônico consegue alcançar.

A mesma varredura fornece duas coisas diferentes. Uma macrotensão, que se estende por distâncias grandes em relação ao tamanho do grão, desloca a posição do pico de difração. Uma microtensão, que é a condição escalar por trás do encruamento e da dureza, o alarga. Posição e largura do pico são lidas da mesma medição, de modo que um resultado devidamente reportado pode trazer um valor de tensão e um valor de encruamento ou dureza em conjunto.

Qual radiação e qual pico

A precisão melhora com o ângulo de difração, portanto o trabalho prático exige um pico acima de cerca de 120 graus 2θ. Na prática, isso restringe a escolha a algumas combinações. Em ligas ferrosas temperadas, a técnica padrão é a radiação Cr Kα nos planos (211), o que coloca o pico em cerca de 155 a 156 graus 2θ. Em aços inoxidáveis austeníticos e ligas à base de níquel, a escolha usual é Cu Kα nos planos (420), em cerca de 146 a 148 graus.

A seleção da radiação também esbarra na fluorescência. Cu Kα em uma liga contendo ferro, cromo ou titânio produz um fundo de fluorescência várias vezes mais intenso que o próprio feixe difratado, o que destrói a relação sinal-ruído da qual depende a localização do pico. Filtros de folha ajudam em alguns casos, e um monocromador de cristal ou um detector de estado sólido elimina o problema, mas os detectores sensíveis à posição usados para trabalho rápido de tensão são do tipo a gás ou de tela e não conseguem separar a fluorescência. Em um aço ferramenta, essa é uma razão prática pela qual a técnica com cromo predomina.

A constante elástica escala o resultado

A tensão é proporcional à constante elástica de raios X utilizada, e essa constante não é o módulo volumétrico da liga. Ela pertence à direção cristalográfica específica cujos planos estão sendo medidos e, como a maioria dos metais é elasticamente anisotrópica, pode diferir do valor de tabela em dezenas de por cento. A constante é medida empiricamente carregando um corpo de prova da liga real em flexão em quatro pontos e registrando como o espaçamento da rede varia com a tensão aplicada.

A tabela abaixo é a razão pela qual um relatório de tensão deve indicar a liga em que foi medido. Tomar o valor volumétrico em vez do medido introduz um erro proporcional sistemático de 7 a 19 por cento no resultado das ligas ferrosas listadas, e o artigo aponta o pior caso entre todas as ligas em 40 por cento. Uma leitura citada com três algarismos significativos enquanto a constante elástica carrega uma incerteza de 19 por cento é uma leitura citada com uma precisão que ela não possui.

Constantes elásticas de raios X medidas em flexão em quatro pontos em relação ao valor do material de base para a mesma liga, com a tensão necessária para deslocar o pico de difração em 1 grau com inclinação de 45 graus. Fonte, Tabela 1 de Técnicas de Tensão Residual por Difração de Raios X, no ASM Handbook, Volume 10.

A tabela também traz uma coluna de sensibilidade. K₄₅ é a tensão necessária para deslocar o pico em um grau com inclinação de 45 graus, portanto um valor maior significa uma técnica menos sensível. O cromo Kα em (211) situa-se entre cerca de 627 e 724 MPa nesses aços, e as técnicas de cobre Kα nos graus austeníticos ficam na mesma faixa, o que permite ao método resolver os níveis de tensão que importam em uma peça endurecida.

Chegando abaixo da superfície

O perfil de profundidade é feito removendo material e medindo novamente, e a única forma aceitável de removê-lo é a eletropolimento. Todo método mecânico deforma a superfície e induz sua própria tensão residual, qualquer que seja o abrasivo ou ferramenta de corte utilizada, portanto retificar ou usinar uma camada e depois medir destrói o que está sendo medido. Quando uma camada espessa precisa ser removida, a regra do artigo é usinar ou retificar a maior parte dela e depois eletropolir pelo menos 0,2 mm para eliminar o dano.

Duas correções então devem ser aplicadas, e omitir qualquer uma delas é onde um perfil dá errado. O feixe é atenuado exponencialmente ao entrar e sair da amostra, portanto uma medição feita em uma superfície que está sobre um gradiente acentuado retorna uma média ponderada em vez da tensão naquela superfície. Onde o gradiente muda bruscamente, como ocorre sob uma superfície retificada, a correção pode atingir 345 MPa. A segunda correção leva em conta o fato de que remover uma camada tensionada permite que o material remanescente relaxe, e em um eixo temperado por indução onde toda a camada endurecida foi removida, essa correção atingiu 550 MPa na profundidade máxima.

As fontes de erro que vale a pena conhecer antes que um número de tensão seja citado como fato. Compilado a partir do texto do artigo.

A queima de retificação é onde o método se justifica

O caso mais claro no artigo é um conjunto de amostras de 4340 a 50 HRC, duas retificadas de forma abusiva para provocar queima e uma retificada suavemente com refrigerante adequado. A diferença na leitura não é uma questão de grau. A superfície retificada suavemente estava uniformemente em compressão a aproximadamente menos 400 a menos 520 MPa. Uma amostra retificada de forma abusiva estava em tração em toda a sua largura, de mais 275 a mais 825 MPa. A outra era mista, e a queima visível do rebolo situava-se exatamente nos picos de tração. Quando a mesma superfície foi então lida com uma grande área irradiada, o resultado voltou como aproximadamente a média aritmética das leituras de pequena área, ou seja, a queima foi eliminada pela média devido ao tamanho do feixe.

Tensão superficial em três amostras de aço 4340 a 50 HRC, medida com um feixe de 0,5 mm de largura e depois com um feixe de 13 mm de largura. Fonte, Exemplo 3 de Técnicas de Tensão Residual por Difração de Raios X, no ASM Handbook, Volume 10.

Duas advertências práticas acompanham isso. Uma única leitura de superfície, ou um ataque com nital usado para revelar queima, podem ambos deixar passar uma camada de tração subsuperficial que encurtará a vida da ferramenta, porque a queima nem sempre é visível e a medição de superfície nem sempre é feita onde a queima está. Em aço ferramenta, onde uma queima de retífica na face de uma matriz ou em um punção é a diferença entre uma ferramenta que trabalha e uma ferramenta que lasca, a especificação útil é a área irradiada e o número de pontos, registrados ao lado do resultado. Nossas próprias notas sobre até onde a prática de retificação pode ser levada, e como é uma superfície queimada depois de cortada, estão em Retificabilidade do Aço Ferramenta e Seleção de Rebolo e em a camada branca deixada pela EDM.

Alinhamento, tamanho de grão e ajuste de pico

Como a deformação da rede é pequena, a posição do pico deve ser localizada com cerca de 0,01 graus, e todo o alinhamento deve ser bom o suficiente para sustentar isso. Um erro de alinhamento ou posicionamento de 0,025 mm introduz cerca de 14 MPa de erro sistemático na resposta em um ângulo de difração alto e cresce rapidamente à medida que o ângulo diminui. A verificação é um pó sem tensão levemente compactado, que deve ler dentro de cerca de mais ou menos 14 MPa, e o procedimento é coberto pela ASTM E915. O tamanho de grão também estabelece um limite. Grãos grosseiros enviam poucos cristais para o feixe e o pico torna-se assimétrico, o que se manifesta como erro aleatório, então balançar a amostra alguns graus em torno do eixo de inclinação é usado para trazer mais cristais à difração, o que estende a faixa de trabalho até cerca de tamanho de grão ASTM 1.

A localização do pico merece menção porque é uma variável oculta entre laboratórios. A radiação Kα de cromo usada para aço é um dubleto, e as duas linhas se misturam de forma diferente dependendo da dureza. Uma amostra totalmente recozida dá um pico fortemente misturado e quase simétrico, enquanto uma amostra totalmente endurecida ou encruada dá um pico largo, e um dubleto parcialmente separado aparece em estados intermediários e quando a amostra se desfoca durante a inclinação. Ajustar uma parábola ao topo do pico é adequado em um perfil simétrico e pode enganar em um parcialmente dividido, então os laboratórios mais cuidadosos ajustam uma distribuição Pearson VII às duas linhas separadamente. Dois laboratórios podem, portanto, reportar tensões diferentes a partir de dados idênticos puramente por causa do método de ajuste de pico.

A mesma varredura também reporta dureza

A largura do pico acompanha a microtensão na rede, e em um aço endurecido a microtensão acompanha a dureza de forma suficientemente próxima para ser usada como medição. O artigo fornece a curva para o aço rápido M50, onde a largura à meia altura do pico (211) foi calibrada contra a dureza Rockwell C. Um perfil de profundidade pode então carregar ambas as curvas ao mesmo tempo, o que é o que torna a técnica útil em uma peça cementada ou temperada por indução onde a camada é fina, a dureza muda rapidamente com a profundidade, e uma travessia de dureza normal não consegue resolvê-la. O mesmo princípio está por trás do lado de microindentação do assunto, que é coberto em Ensaio de Dureza por Microindentação de Aço Ferramenta.

O que isso significa em um pedido de aço ferramenta

Um valor de tensão residual é tão bom quanto as quatro coisas que o acompanham, que são a radiação e o pico usados, a constante elástica e se foi medida na liga ou retirada de uma tabela de volume, a profundidade e a área que a leitura representa, e o método de ajuste de pico. Onde um cliente está qualificando um ciclo de tratamento térmico ou investigando um problema de trinca, esses quatro itens valem a pena ser solicitados, e a resposta a uma reclamação de trinca geralmente está no perfil de profundidade e não no valor de superfície. O conjunto mais amplo de maneiras pelas quais uma medição reporta algo diferente do que foi assumido é coberto em Medição de Tensão Residual em Ferramental, a trinca que segue um resfriamento ruim é tratada em trincas de têmpera em aço ferramenta, e a forma como a mesma tensão se redistribui durante um tratamento térmico normal está em distorção de aço ferramenta. Famílias de graus com sua própria prática de tratamento térmico estão reunidas em trabalho a frio, trabalho quente e high speed aços ferramenta, e onde um grau ainda precisa ser escolhido, o caminho é como selecionar aços para ferramentas.

Fonte: ASM Handbook, Volume 10, Materials Characterization, ASM International, 1986.