Diversos protocolos de teste (Brinell, Rockwell, Vickers) possuem procedimentos específicos para o projeto em análise. O teste Rockwell T é adequado para inspecionar tubos de paredes finas, cortando o tubo longitudinalmente e testando a parede a partir do diâmetro interno, em vez do diâmetro externo.
Encomendar um veículo utilitário é um pouco como ir a uma concessionária e encomendar um carro ou caminhão. Hoje em dia, as inúmeras opções disponíveis permitem que os compradores personalizem o veículo de diversas maneiras — cores internas e externas, pacotes de acabamento interno, opções de estilo exterior, escolhas de motorização e um sistema de áudio que quase rivaliza com um sistema de entretenimento doméstico. Com todas essas opções, você pode não se contentar com um veículo padrão, sem muitos recursos.
Tubos de aço são exatamente isso: tubos. Eles possuem milhares de opções ou especificações. Além das dimensões, a especificação lista propriedades químicas e diversas propriedades mecânicas, como limite de escoamento mínimo (MYS), resistência à tração máxima (UTS) e alongamento mínimo antes da ruptura. No entanto, muitos na indústria — engenheiros, agentes de compras e fabricantes — utilizam abreviações aceitas no setor que exigem o uso de tubos soldados “normais” e especificam apenas uma característica: dureza.
Tente encomendar um carro com base em uma única característica ("Preciso de um carro com transmissão automática") e você não terá muito sucesso com o vendedor. Ele precisa preencher um formulário de pedido com várias opções. Com os tubos é exatamente isso: para obter o tubo certo para a aplicação, o fabricante precisa de mais informações do que apenas a dureza.
Como a dureza se tornou um substituto reconhecido para outras propriedades mecânicas? Provavelmente tudo começou com um fabricante de tubos. Como o teste de dureza é rápido, fácil e requer equipamentos relativamente baratos, os vendedores de tubos frequentemente o utilizam para comparar dois tubos. Para realizar um teste de dureza, tudo o que precisam é de um tubo liso e um suporte de teste.
A dureza do tubo tem boa correlação com a resistência à tração (UTS) e, como regra geral, porcentagens ou intervalos percentuais são úteis para estimar a resistência à tração máxima (MYS), sendo fácil perceber como o teste de dureza pode ser um indicador adequado para outras propriedades.
Além disso, outros testes são relativamente complexos. Enquanto o teste de dureza leva apenas um minuto em uma única máquina, os testes de resistência à tração (MYS), resistência à compressão (UTS) e alongamento exigem preparação da amostra e investimento significativo em grandes equipamentos de laboratório. Para efeito de comparação, um operador de laminador de tubos leva segundos para realizar um teste de dureza, enquanto um técnico metalúrgico profissional leva horas para realizar um teste de tração. Não é difícil realizar uma verificação de dureza.
Isso não significa que os fabricantes de tubos de engenharia não utilizem testes de dureza. É seguro dizer que a maioria os utiliza, mas como realizam avaliações de repetibilidade e reprodutibilidade em todos os seus equipamentos de teste, estão bem cientes das limitações do teste. A maioria utiliza a avaliação da dureza do tubo como parte do processo de produção, mas não para quantificar as propriedades do tubo. Trata-se apenas de um teste de aprovação/reprovação.
Por que você precisa saber sobre MYS, UTS e alongamento mínimo? Eles indicam como o tubo se comportará na montagem.
MYS é a força mínima que causa deformação permanente no material. Se você tentar dobrar levemente um fio reto (como um cabide) e liberar a pressão, uma de duas coisas acontecerá: ele retornará ao seu estado original (reto) ou permanecerá dobrado. Se ele ainda estiver reto, você não ultrapassou o MYS. Se ele ainda estiver dobrado, você o ultrapassou.
Agora, use um alicate para prender as duas extremidades do fio. Se você conseguir romper o fio em dois pedaços, você ultrapassou sua resistência à tração (UTS). Você aplicou muita tensão nele e agora tem dois fios para demonstrar seu esforço sobre-humano. Se o comprimento original do fio for de 5 polegadas e a soma dos dois comprimentos após a ruptura for de 6 polegadas, o fio foi esticado em 1 polegada, ou 20%. O teste de alongamento real é medido a 2 polegadas do ponto de ruptura, mas isso não importa – o conceito do fio de tração ilustra a UTS.
As amostras de aço para fotomicrografia precisam ser cortadas, polidas e atacadas com uma solução levemente ácida (geralmente ácido nítrico e álcool (nitroetanol)) para tornar os grãos visíveis. Uma ampliação de 100x é comumente usada para inspecionar os grãos de aço e determinar seu tamanho.
A dureza é um teste de como um material reage ao impacto. Imagine colocar um pequeno pedaço de tubo em uma morsa com mordentes serrilhados e fechá-la. Além de achatar o tubo, os mordentes da morsa também deixam marcas na superfície do tubo.
É assim que funciona o teste de dureza, mas não é tão agressivo. Este teste utiliza um impacto de tamanho e pressão controlados. Essas forças deformam a superfície, criando uma indentação ou marca. O tamanho ou profundidade da indentação determina a dureza do metal.
Para avaliar a dureza do aço, os testes de dureza mais comuns são Brinell, Vickers e Rockwell. Cada um possui sua própria escala, e alguns têm múltiplos métodos de teste, como Rockwell A, B e C. Para tubos de aço, a norma ASTM A513 faz referência ao teste Rockwell B (abreviado como HRB ou RB). O teste Rockwell B mede a diferença na penetração do aço por uma esfera de aço de 1/16 de polegada de diâmetro entre uma pequena pré-carga e uma carga primária de 100 kgf. Um resultado típico para aço macio padrão é HRB 60.
Os cientistas de materiais sabem que a dureza está linearmente relacionada à resistência à tração (UTS). Portanto, uma determinada dureza pode prever a UTS. Da mesma forma, os fabricantes de tubos sabem que o limite de elasticidade (MYS) e a UTS estão relacionados. Para tubos soldados, o MYS geralmente corresponde a 70% a 85% da UTS. O valor exato depende do processo de fabricação do tubo. A dureza HRB 60 corresponde a uma UTS de 60.000 libras por polegada quadrada (PSI) e a um MYS de 80%, ou 48.000 PSI.
A especificação mais comum para tubos na fabricação em geral é a dureza máxima. Além do tamanho, o engenheiro estava preocupado em especificar um tubo soldado por resistência elétrica (ERW) dentro de uma boa faixa de trabalho, o que poderia resultar em uma dureza máxima de possivelmente HRB 60 no desenho do componente. Essa decisão, por si só, leva a uma gama de propriedades mecânicas finais, incluindo a própria dureza.
Primeiramente, a dureza HRB 60 não nos diz muito. A leitura HRB 60 é um número adimensional. O material avaliado com HRB 59 é mais macio do que o material testado com HRB 60, e o HRB 61 é mais duro do que o HRB 60, mas em que medida? Não pode ser quantificado como o volume (medido em decibéis), o torque (medido em libras-pé), a velocidade (medida em distância relativa ao tempo) ou a resistência à tração (medida em libras por polegada quadrada). A leitura HRB 60 não nos diz nada específico. Esta é uma propriedade do material, mas não uma propriedade física. Em segundo lugar, o teste de dureza não é adequado para repetibilidade ou reprodutibilidade. Avaliar dois locais em um corpo de prova, mesmo que os locais de teste estejam próximos um do outro, geralmente resulta em uma grande variação nas leituras de dureza. Agravando esse problema está a natureza do teste. Depois que uma posição é medida, ela não pode ser medida uma segunda vez para verificar os resultados. A repetibilidade do teste não é possível.
Isso não significa que o teste de dureza seja inconveniente. Na verdade, ele fornece um bom guia para a resistência à tração (UTS) de um material, além de ser um teste rápido e fácil de realizar. No entanto, todos os envolvidos na especificação, compra e fabricação de tubos devem estar cientes de suas limitações como parâmetro de teste.
Como o termo "tubo normal" não possui uma definição precisa, quando necessário, os fabricantes de tubos geralmente restringem a escolha aos dois tipos de tubos de aço mais comuns, definidos na norma ASTM A513: 1008 e 1010. Mesmo após a eliminação de todos os outros tipos de tubos, as possibilidades em termos de propriedades mecânicas desses dois tipos são vastas. De fato, esses tipos de tubos apresentam a maior variedade de propriedades mecânicas dentre todos os tipos.
Por exemplo, um tubo é descrito como macio se o seu MYS (resistência à flexão) for baixo e o seu alongamento for alto, o que significa que ele apresenta melhor desempenho em tração, deflexão e deformação permanente do que um tubo descrito como rígido, que possui um MYS relativamente alto e um alongamento relativamente baixo. Isso é semelhante à diferença entre fios macios e rígidos, como cabides e brocas.
O alongamento em si é outro fator que tem um impacto significativo em aplicações críticas de tubulações. Tubos com alto alongamento podem suportar forças de tração; materiais com baixo alongamento são mais frágeis e, portanto, mais propensos a falhas catastróficas por fadiga. No entanto, o alongamento não está diretamente relacionado à resistência à tração (UTS), que é a única propriedade mecânica diretamente relacionada à dureza.
Por que as propriedades mecânicas dos tubos variam tanto? Primeiro, a composição química é diferente. O aço é uma solução sólida de ferro, carbono e outras ligas importantes. Para simplificar, vamos tratar apenas das porcentagens de carbono aqui. Os átomos de carbono substituem alguns dos átomos de ferro, formando a estrutura cristalina do aço. A norma ASTM 1008 é uma norma primária abrangente com teor de carbono de 0% a 0,10%. O zero é um número muito especial que produz propriedades únicas quando o teor de carbono no aço é extremamente baixo. A norma ASTM 1010 especifica um teor de carbono entre 0,08% e 0,13%. Essas diferenças não parecem enormes, mas são significativas o suficiente para fazer uma grande diferença em outros aspectos.
Em segundo lugar, o tubo de aço pode ser fabricado ou pré-fabricado e posteriormente processado em sete processos de fabricação diferentes. A norma ASTM A514, relativa à produção de tubos ERW, lista sete tipos:
Se a composição química do aço e as etapas de fabricação do tubo não afetam a dureza do aço, o que afeta? Responder a essa pergunta significa analisar os detalhes minuciosamente. Essa pergunta suscita mais duas questões: Quais detalhes e com que precisão?
A primeira resposta reside nos detalhes sobre os grãos que compõem o aço. Quando o aço é produzido em uma usina siderúrgica primária, ele não se solidifica em um bloco maciço com uma única estrutura. À medida que o aço esfria, suas moléculas se organizam em padrões repetitivos (cristais), de forma semelhante à formação de flocos de neve. Após a formação dos cristais, eles se agregam em grupos chamados grãos. Com o progresso do resfriamento, os grãos crescem e se formam por toda a chapa ou placa. O crescimento dos grãos cessa quando as últimas moléculas de aço são absorvidas por eles. Tudo isso ocorre em nível microscópico, pois o tamanho médio de um grão de aço é de cerca de 64 µm ou 0,0025 polegadas de largura. Embora cada grão seja semelhante ao seguinte, eles não são idênticos. Variam ligeiramente em tamanho, orientação e teor de carbono. A interface entre os grãos é chamada de contorno de grão. Quando o aço falha, por exemplo, devido a trincas de fadiga, a falha tende a ocorrer ao longo dos contornos de grão.
A que distância você precisa olhar para ver grãos discerníveis? Uma ampliação de 100x, ou 100x a visão humana, é suficiente. No entanto, observar o aço não tratado com uma ampliação de 100x não revela muita coisa. A amostra é preparada polindo-a e atacando a superfície com um ácido (geralmente ácido nítrico e álcool) chamado agente de ataque nitroetanol.
São os grãos e sua estrutura cristalina interna que determinam a resistência ao impacto, MYS, UTS e alongamento que um aço pode suportar antes de falhar.
Etapas de fabricação de aço, como a laminação a quente e a frio de tiras, aplicam tensão na estrutura granular; se esta sofrer alterações permanentes em sua forma, significa que a tensão deformou o grão. Outras etapas de processamento, como o enrolamento do aço em bobinas, o desenrolamento e a deformação dos grãos de aço em um laminador de tubos (para formar e dimensionar o tubo), também exercem pressão sobre o material. A trefilação a frio do tubo no mandril também aplica pressão sobre o material, assim como etapas de fabricação como a conformação das extremidades e a curvatura. Alterações na estrutura granular são chamadas de discordâncias.
As etapas acima reduzem a ductilidade do aço, que é sua capacidade de suportar tensão de tração (abertura da peça). O aço torna-se quebradiço, o que significa que é mais provável que quebre se você continuar trabalhando nele. O alongamento é um componente da ductilidade (a compressibilidade é outro). É importante entender que a falha ocorre com mais frequência durante a tensão de tração, não sob compressão. O aço é muito resistente à tensão de tração devido à sua capacidade de alongamento relativamente alta. No entanto, o aço se deforma facilmente sob tensão de compressão – ele é dúctil – o que é uma vantagem.
O concreto possui alta resistência à compressão, mas baixa ductilidade em comparação com o aço. Essas propriedades são opostas às do aço. É por isso que o concreto usado em estradas, edifícios e calçadas é frequentemente reforçado com vergalhões. O resultado é um produto com as resistências de dois materiais: sob tensão, o aço é forte, e sob compressão, o concreto.
Durante o trabalho a frio, à medida que a ductilidade do aço diminui, sua dureza aumenta. Em outras palavras, ele endurece. Dependendo da situação, isso pode ser uma vantagem; no entanto, também pode ser uma desvantagem, visto que a dureza está diretamente relacionada à fragilidade. Ou seja, quanto mais duro o aço, menos elástico ele se torna; portanto, maior a probabilidade de falha.
Em outras palavras, cada etapa do processo consome parte da ductilidade do tubo. Ele fica mais rígido à medida que a peça trabalha e, se ficar muito rígido, torna-se praticamente inútil. Rigidez é sinônimo de fragilidade, e um tubo frágil provavelmente falhará durante o uso.
O fabricante tem alguma opção nesse caso? Resumindo, sim. Essa opção é o recozimento, e embora não seja exatamente mágica, é o mais próximo que se pode chegar da mágica.
Em termos simples, o recozimento remove todos os efeitos da tensão física sobre o metal. Esse processo aquece o metal a uma temperatura de alívio de tensão ou recristalização, eliminando assim as discordâncias. Dependendo da temperatura e do tempo específicos utilizados no processo de recozimento, o processo restaura parte ou toda a sua ductilidade.
O recozimento e o resfriamento controlado promovem o crescimento de grãos. Isso é benéfico se o objetivo for reduzir a fragilidade do material, mas o crescimento descontrolado de grãos pode amolecer o metal em excesso, tornando-o inutilizável para o fim a que se destina. Interromper o processo de recozimento é quase mágico. O resfriamento rápido na temperatura correta, com o agente de têmpera adequado e no momento certo, interrompe o processo rapidamente, permitindo que o aço recupere suas propriedades.
Deveríamos eliminar a especificação de dureza? Não. As características de dureza são valiosas principalmente como ponto de referência na especificação de tubos de aço. Uma medida útil, a dureza é uma das várias características que devem ser especificadas ao encomendar material tubular e verificadas no recebimento (e devem ser registradas em cada remessa). Quando a inspeção de dureza for o padrão de inspeção, ela deve ter valores de escala e faixas de controle apropriados.
No entanto, não se trata de um teste verdadeiro para qualificar (aceitar ou rejeitar) o material. Além da dureza, os fabricantes devem ocasionalmente testar os lotes para determinar outras propriedades relevantes, como MYS, UTS ou alongamento mínimo, dependendo da aplicação do tubo.
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