O presente trabalho visa apresentar informações que viabilizem a fabricação de componentes de rolamentos com limites superiores de resistência à fadiga, com a intenção de proporcionar uma vida útil maior ao rolamento, e, também, a otimização da fabricação das peças, dispensando em alguns casos o processo final e usual de retificação, o que implica uma redução de custos. As motivações deste estudo são a geração de altas tensões residuais compressivas no torneamento duro-seco a altas velocidades, a aplicação do RMB como técnica de medição das tensões residuais em aço 100CrMn6 e a otimização da qualidade/custos na fabricação de rolamentos. Para atingir essas metas, será estudada a influência dos parâmetros da usinagem (velocidade de corte (Vc), avanço (a), penetração (p) e desgaste da ferramenta (VB)) na geração das tensões residuais superficiais (sR) e sobre as forças de torneamento (Fc, Fa, Fp), em anéis internos de rolamentos cônicos de aço DIN 100CrMn6 endurecidos termicamente, procurando-se estabelecer uma correlação entre o desgaste da ferramenta e os referidos esforços e tensões residuais. Na etapa experimental, será utilizado um planejamento fatorial completo para executar os ensaios e medições projetadas. No ensaio de torneamento, serão medidas as forças de corte utilizando-se, para isso, um dinamômetro piezoelétrico. Em seguida, serão efetuadas medições de rugosidade. Também será realizado o estudo da microestrutura através da análise metalográfica. As tensões residuais serão medidas utilizando-se o método do furo-cego com extensometria elétrica, e as medidas das alterações microestruturais superficiais serão realizadas pela técnica do Ruído Magnético de Barkhausen (RMB). Serão correlacionados os valores de tensão residual obtidos pela técnica do furo com o RMB. / The present work presents information for the manufacturing of ball bearings components with higher limits of resistance to fatigue, enabling a longer useful life and also the optimization of the production of the pieces, making the usual and final process of grinding unnecessary, which would result in a costs reduction. The motivations of this study are the generation of compressive high residual stress in the hard-dry turning at high speeds, the application of the MBN as technique of measurement of the residual stress in steel 100CrMn6, and the optimization of the quality/costs in the manufacturing of ball bearings. In order to achieve these purpose, the work will study the influence of the machining parameters (cutting speed (Vc), feed rate (a), depth of cut (p), and wear of tool (VB)) in the generation of the superficial residual tensions and also the turning forces (Fc, Fa, Fp), in internal conical rings of ball bearings of steel 100CrMn6 thermally hardened, seeking to find a correlation between the stress of the tool and the referred efforts. In the experimental phase, a complete factorial planning will be used to perform the tests and measurements projected. In the turning tests, the cutting forces will be measured using a piezoelectric dynamometer. After that, measurements of superficial roughness will be performed. Also, the study of the microstructure will be made through the metallographic analysis. The residual tensions will be measured using the strain gage hole-drilling method and the measurement of the superficial microestrutural alterations will be carried out using the technical of the magnetic Barkhausen noise (MBN). The values of residual tension obtained by the hole-drilling will be correlated with the RMB.

No presente trabalho se estuda a correlação de diferentes parâmetros de sinais de Ruído Magnético de Barkhausen (RMB) e de fluxo magnético com o comportamento elastoplástico em chapas de aço carbono, visando à aplicação dos resultados como técnica de Ensaio Não-Destrutivo. Comprovou-se que o comportamento de parâmetros como a energia (RMBenegia), o valor quadrático médio(RMBrms) e a envolvente dos sinais de RMB com os diferentes estados elastoplásticos do material resultou fortemente dependente da anisotropia de laminação, quantidade de Carbono e fases, gerados no processo de produção das chapas. Como novidade introduziu-se o parâmetro chamado de Área em baixo da curva da distribuição de pulsos do sinal de Barkhausen. A evolução deste parâmetro com a deformação identificou com boa aproximação a região de transição elasto-plástica do material. Harmônicos não lineares (HNL) do fluxo magnético apresentaram uma melhor correlação com a anisotropia do que com os estados elasto-plásticos do material, mas com alta dependência ao acoplamento sonda-amostra. Enquanto que o RMB apresentou elevados níveis de reprodutibilidade. Propriedades mecânicas e comportamentos característicos de ensaios de tração em regime discreto e contínuo foram reproduzidos e identificados com um alto grau de aproximação pelo RMB e os HNL. Outros métodos magnéticos e não magnéticos usados neste trabalho não apresentaram níveis altos de sensibilidade às mudanças microestruturais devido às deformações elasto-plásticas no material, no entanto o RMB e os HNL identificaram tais mudanças microestruturais dando margem a novas soluções nos campos de ensaio e inspeção não-destrutivos. / The present work studies the relationship between different parameters of the Magnetic Barkhausen Noise (MBN) and non-linear harmonics of the magnetic flux signals (NLH) with the elastic-plastic behavior in carbon steel plates, in an effort to use the results as a non-destructive testing technique. MBN parameters such as the envelope of the MBN signal, and the scalar parameters MBNenergy, MBNrms were found to be highly dependent on the lamination processes, carbon content and phases originated during the fabrication of the samples. A new parameter entitled area under the MBN jump distribution was defined. The behavior of this parameter as strain evolved provided a good approximation of the elastic-plastic transition region. Non-linear harmonics offered a good correlation with both anisotropy and the elasticplastic states of the material, nevertheless depending heavily on the sensor coupling with the sample surface, while at the same time MBN provided good reproducibility. The characteristic behavior as well as the mechanical properties obtained from discrete and continuous tensile strength tests were reproduced by both MBN and HNL. Other magnetic and non-magnetic methods did not show the same level of sensibility to microstructure changes due to elastic-plastic strains when compared to the results obtained using MBN and HNL, giving room to new solutions in the nondestructive inspection and testing fields.

Neste trabalho foram investigadas as propriedades magnéticas (curva de histerese e ruído Barkhausen) de alguns aços (ABNT 1045, 1050 e 1548) cujas superfícies foram endurecidas por indução. O objetivo era de desenvolver um ensaio não-destrutivo para determinar a espessura da camada endurecida, assim evitando a necessidade de realizar medidas (destrutivas) de microdureza. Medidas da susceptibilidade magnética mostraram um pico (ferrita) em torno de 800 A/m e outro (martensita) em torno de 3500 A/m. Assim procuramos correlacionar a amplitude do pico de ferrita com a espessura da camada dura na superfície. Para esta finalidade foram desenvolvidos sensores para medir ruído Barkhausen e um filtro para o processamento do sinal. Foi possível correlacionar medidas de microdureza com algumas características observadas nas medições magnéticas, como, por exemplo, a amplitude do sinal de ruído Barkhausen e o campo magnético do pico do sinal Barkhausen. Deste modo, encontrou-se uma relação entre a amplitude do ruído Barkhausen e a espessura da camada superficial. Seria desejável complementar essas medidas com outras e sugestões para uma continuação do trabalho são detalhadas. / This work investigates the magnetic properties (hysteresis loop and Barkhausen noise) in some steels (ABNT 1045, 1050 and 1548) whose surfaces had been hardened by induction. The goal was to develop a non-destructive test procedure to determine the thickness of the hardened layer, thus avoiding the need to perform (destructive) measurements of the microhardness. Measurements of the magnetic susceptibility showed a peak (ferrite) around 800 A / m and other (martensite) at around 3500 A / m. Therefore, a correlation was sought between the peak amplitude of ferrite with the thickness of hard layer on the surface. For this purpose sensors were developed to measure Barkhausen noise as well as a filter for signal processing. It was possible to correlate measurements of microhardness with some features observed in magnetic measurements, for example, the amplitude of the Barkhausen noise and magnetic field of peak Barkhausen signal. Thus, a relationship was found between the amplitude of the Barkhausen noise and the thickness of the surface layer. It would be desirable to supplement these with other measurements and suggestions for further work are detailed.

Neste trabalho se estuda a aplicação de um método de Ensaio Não Destrutivo, baseado no Ruído Magnético de Barkhausen (RMB), na medição de falhas superficiais em aços. O RMB é gerado por abruptas mudanças na magnetização de materiais quando submetidos a campos magnéticos variáveis. Essas mudanças são afetadas pela microestrutura e a presença e distribuição de tensões elásticas (compressão e tração). Inicialmente apresenta-se um estudo de medições de tensões produzidas por flexão, e perfis de dureza, via RMB. Analisa-se a influência de parâmetros de medição e analise dos sinais, na qualidade do diagnostico. Analisou-se a sensibilidade dos sinais de RMB na medição de tensão a parâmetros tais como direção de laminação da chapa, intensidade e frequência de campo magnético de excitação. Nos estudos da aplicação do RMB em medições de dureza, se usaram amostras de ensaio Jominy, com variação contínua de dureza. Utilizou-se dois tipos de materiais e foram feitas medidas de dureza HRC, RMB e análise metalográfica. O comportamento de diferentes parâmetros dos sinais de RMB se correlacionou com as medições de Dureza e as micrografias obtidas. As amplitudes do RMB mostraram ser inversamente proporcionais aos níveis de dureza. Também se apresenta uma nova tecnologia para inspeção de superfícies, baseado no conceito do Barkhausen Contínuo. São apresentadas análises de parâmetros de medição e de configuração de sonda, na inspeção sob três situações: presença de defeitos volumétricos, deformação plástica, e tensões mecânicas aplicadas. Estudou-se a influência de parâmetros como, amplitude do campo aplicado, velocidade de varredura, posicionamento e características do sensor, no nível de detecção do dano. Métodos de processamento de sinais específicos foram desenvolvidos. Os resultados mostraram, que para cada um dos casos estudados, é possível detectar a posição e nível do dano produzido. Essa nova tecnologia aumenta o espectro de soluções de Ensaios Não Destrutivos para problemas não contemplados pelos métodos existentes. / This work studies the application of a non-destructive testing method, based on the Magnetic Barkhausen Noise (MBN). MBN is generated by abrupt changes in magnetization of ferromagnetic materials subjected to variable magnetic fields. These changes are affected by the presence and distribution of elastic stresses (compression and traction) in the material and by its microstructure. At first, the present study describes MBN measurements of stresses produced by bending and MBN measurements of hardness profiles, in steel samples. The influence of both, measurement parameters and signal analysis, in the quality of fault diagnosis is also analysed. In this context, regarding stress measurements, the MBN signal sensitivity to parameters like surface lamination direction, intensity and frequency of magnetic excitation field is studied. On the other hand, application of MBN to hardness measurements used Jominy essay samples presenting continuous hardness variation. In this case, samples of two different materials were employed and hardness measurements were obtained by HRC, MBN as well as by metallographic analysis techniques. Behaviour of different MBN signal parameters were correlated with obtained hardness measurements and micrography. MBN amplitudes were shown to be inversely proportional to hardness levels. Finally, the work describes a new surface inspection technology, based on the concept of Continuous Barkhausen. In this context, the study analyses probe configuration and measurement parameters, concerning inspection of surface fault from three different origins: volumetric, plastic deformation, applied mechanical stress. The influence of parameters like applied field amplitude, probe velocity, sensor position and characteristics, in detecting damage level was also evaluated. In particular, specific signal processing methods were developed. Results showed that, for each studied case, it is possible to detect damage position and level. This new technology increases the range of NDT essay solutions for problems not yet contemplated by existing methods.

Este trabalho apresenta os avanços no desenvolvimento de um novo método de ensaio não-destrutivo magnético. O método está baseado na técnica do Ruído Magnético de Barkhausen (RMB), particularmente em uma variante denominada Barkhausen Contínuo. O RMB é gerado devido à ação de um campo magnético variável magnetizante que produz mudanças abruptas e irreversíveis na estrutura magnética do material. Essas mudanças são influenciadas pela microestrutura e a distribuição de tensões dentro do mesmo. As medições podem ser usadas para construir uma distribuição bidimensional do RMB ao redor de um ponto fixo, cujo resultado irá refletir o nível de anisotropia magnética, usualmente indicando um eixo de fácil magnetização, parâmetro relevante dado que o comportamento da grande maioria de materiais ferromagnéticos de engenharia é usualmente anisotrópico. As mudanças no eixo de fácil magnetização podem indicar a presença de anomalias mecânicas ou abnormalidades no processo de fabricação e no caso da aplicação de uma tensão externa, podem refletir a magnitude e a direção da mesma. O presente trabalho descreve uma metodologia que faz uso de um campo magnético rotacional para obter sinais RMB relacionados ao angulo de giro, possibilitando a identificação da direção do eixo de fácil magnetização, ultrapassando as capacidades oferecidas pela técnica RMB convencional mediante o fornecimento de informação em tempo real, que permite a obtenção de um conjunto de parâmetros que quantificam a anisotropia magnética de uma amostra. A técnica foi usada para a detecção do eixo de fácil magnetização e o nível de anisotropia magnética em materiais diferentes devida aos efeitos do processo de fabricação. Posteriormente foi demonstrado que a técnica é capaz de monitorar a evolução da tensão uniaxial aplicada, obtendo curvas de calibração, sensíveis ao sentido de aplicação da tensão. Para o caso pouco estudado de amostras submetidas a tensões biaxiais, o uso da técnica do Barkhausen contínuo rotacional fez possível de verificar que as características morfológicas das medições de anisotropia magnética obtidas, guardam relação com a direção das tensões principais. Foi realizada uma avaliação do método aplicado para a medição dinâmica de anisotropia magnética em juntas soldadas, indicando estados de tensão e características microestruturais coerentes com as esperadas. O método tem a possibilidade de ser implementado para medições anisotropia magnética em alta resolução/alta velocidade. / This works presents the current advances on the development of a new method of magnetic non-destructive testing. The method is based on the magnetic Barkhausen noise (MBN), more specifically in one branch known as Continuous Barkhausen. MBN is produced due to the effect of a variable magnetic field, which causes abrupt and irreversible changes to the magnetic structure of the material. These changes are influenced by the microstructure of the material and the stress distributions within. Measurements can be used to construct a bi dimensional MBN distribution around a fixed point, which in turn will be a reflect of its magnetic anisotropy level, usually characterized by an easy axis of magnetization, an important parameter given that more often than not, the behavior of most engineering ferromagnetic materials is anisotropic. Variations of the easy axis could be the indication of mechanical anomalies or abnormalities that appear as a result of the fabrication process. If there is an external stress applied to the sample, it can provide information about its magnitude and direction. The present work describes a methodology which uses a precise rotating magnetic field in order to obtain MBN signals related to a given magnetization angle, making possible the finding of the easy axis, exceeding the limits of conventional MBN measurements by providing real time data which in turn will allow to infer a set of parameters that quantify the magnetic anisotropy of the sample. The proposed technique was successfully used to find both the easy axis and a quantitative level of magnetic anisotropy between different materials, consequence of the fabrication process. Subsequently, it was shown that the technique was able to perform a monitoring of the evolution of both uniaxial and biaxial applied stress, obtaining linear relationships (uniaxial case), sensitive to the direction of loading. In not so much studied case of biaxial loading, the use of the continuous rotational Barkhausen method made possible to observe that the morphologic characteristics of the magnetic anisotropy measurements bear a close resemblance to the direction of the principal stress field. An evaluation of the technique as a tool for the dynamic measurement of magnetic anisotropy on welded joints, indicating stress states and microstructural features coherent with the ones expected in this scenario. The method has the possibility of being implemented as a technique for high speed/high resolution measurements of magnetic anisotropy.

Este trabalho apresenta um método para o reconhecimento e a detecção automática dos diferentes valores ou graus de deformação plástica em Ensaios Não Destrutivos empregando o Ruído Magnético de Barkhausen. O método é baseado no uso de uma Rede Neural Probabilística que permite o diagnóstico automático dos diferentes valores de deformação plástica, conteúdo de carbono, estas medidas são procedentes das medições das amostras de placas de aço AISI 1006, 1050 e 1070, esta base de dados foi feita pelo grupo de pesquisadores do Laboratório de Dinâmica e Instrumentação LADIN da Escola Politécnica da USP, departamento da Mecânica. Os excelentes resultados da rede neural probabilística de detectar automaticamente os valores de deformação mostram a efetividade do desempenho da rede neural probabilística que tem um desempenho superior aos métodos não destrutivos tradicionais e que realmente esta nova tecnologia é uma excelente solução para o diagnóstico. / This work presents a method for automatic detection and recognition of different levels or degrees of plastic deformation in Non-Destructive Testing using the Magnetic Barkhausen Noise. The method is based on using a Probabilistic Neural Network that allows the automatic diagnosis of the different values of plastic deformation and carbon content. The measurements corresponds to samples of steel plates AISI 1006, 1050 and 1070, this database was made by the group of researchers from the Laboratory of Dynamics and Instrumentation LADIN the Polytechnic School of USP, Department of Mechanical Engineering. The results show the effectiveness of the probabilistic neural network to automatically detect plastic deformation levels as well as carbon content level. This method has a superior performance in comparison to traditional nondestructive methods.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Barkhausen noise (BN) corresponds to the voltage pulses induced in a sensing coil wound around a ferromagnetic material submitted to a variable magnetic field. It is related to the irregular motion of the domain walls (DWs) in a disordered magnetic material. Due to its stochastic character, most of the studies aim to explain the BN statistical properties. The statistical functions are, in general, well described by a power-law behavior with cutoff, whose exponents and cutoffs can be compared with the predictions obtained with theoretical models. Interestingly, statistical properties seem to be independent of microscopic and macroscopic details but controlled by a few general properties, as the system dimensionality and range of the relevant interactions governing the DWs dynamics. For bulk materials, there is a well established and consistent interpretation for the BN statistical properties, including the distributions of jump sizes and durations, average size vs. duration and power spectrum, which are related to the exponents t, a, 1=(snz) and J, respectively. In this case, the results clearly indicate that bulk samples present an essentially three-dimensional magnetic behavior and the exponents can be grouped in two distinct universality classes, according the range of interactions governing the DWs dynamics. For ferromagnetic films, the statistical properties are not so well studied due to experimental and theoretical difficulties and most of the experimental results reported so far make use of magneto-optical techniques, which restrict the analysis to the distributions of sizes. In all cases, the reported exponents for films are smaller than that obtained for bulk samples, indicating a possible two-dimensional magnetic behavior. Due to the insufficient amount of experimental data, the structural character and film thickness influence on the exponents was not observed and a complete comprehension of the DWs dynamics in films is still lacking. In this work, we report BN experimental results obtained with the classical inductive method in policrystalline and amorphous ferromagnetic films with thickness in the range 10 - 1000 nm. We investigate the BN statistical properties in order to understand the effects of the interplay between the system dimensionality and the range of the relevant interactions governing the DWs and magnetization dynamics. In particular, we perform an extended statistical analysis which includes the distributions of jump sizes and durations, average size vs. duration curve, power spectrum and the average shape of the Barkhausen jump, reported for the first time for films. The results show evidence of a three to two-dimensional crossover in the DWs dynamics as the film thickness is decreased. Also, the effect of the range of interactions governing the DWs dynamics in this range of thickness is observed, indicating the same two distinct universality classes observed for bulk materials. Through these results, we provide experimental evidence to the validity of different three and two-dimensional heoretical models for DWs dynamics. / O ruído Barkhausen (BN) corresponde aos pulsos de tensão detectados por uma bobina sensora enrolada em torno de um material ferromagnético, quando submetido a um campo magnético variável. O ruído é produzido por mudanças súbitas da magnetização, principalmente devido ao movimento irregular das paredes de domínio (DWs) em um meio magnético desordenado. Devido ao seu caráter estocástico, grande parte dos estudos visa explicar as propriedades estatísticas do ruído. As funções estatísticas são, em geral, bem descritas por leis de potência com cutoff , cujos expoentes e valores de cutoff podem ser comparados com valores obtidos teoricamente. Como ponto interessante, as propriedades estatísticas parecem ser independentes dos detalhes microscópicos e macroscópicos, sendo dependentes de apenas algumas propriedades gerais, como a dimensionalidade do sistema e o alcance das interações que governam a dinâmica de DWs. Para materiais bulk , há uma interpretação robusta e bem estabelecida para as propriedades estatísticas do ruído, incluindo as distribuições de área e duração dos saltos, área média do salto vs. duração e espectro de potência, que estão relacionados com os expoentes t, a, 1=(snz) e J, respectivamente. Neste caso, os resultados claramente indicam que amostras bulk apresentam um comportamento magnético essencialmente tri-dimensional e que os expoentes podem ser agrupados em duas classes de universalidade distintas, de acordo com o alcance das interações que governam a dinâmica de DWs. Para filmes ferromagnéticos, as propriedades estatísticas não são tão bem estudadas devido a dificuldades teóricas e experimentais e devido ao fato de que a maioria dos resultados experimentais publicados até o momento, obtidos através de técnicas magneto-ópticas, restringem a análise apenas à distribuição de área dos saltos. Em todos os casos, os expoentes obtidos para filmes são menores do que os obtidos para amostras bulk , indicando um possível comportamento magnético bi-dimensional. No entanto, devido à insuficiente quantidade de dados experimentais, a influência da espessura do filme e do caráter estrutural sobre os expoentes ainda não foi observada e uma compreensão completa da dinâmica de DWs em filmes ainda não foi obtida. Neste trabalho, são apresentados resultados experimentais de BN obtidos, através do tradicional método indutivo, em filmes ferromagnéticos policristalinos e amorfos, com espessuras no intervalo de 10 - 1000 nm. Neste caso, as propriedades estatísticas do ruído são investigadas com o objetivo de compreender os efeitos da dimensionalidade do sistema e do alcance das interações sobre os expoentes e sobre a dinâmica de DWs em filmes. Em particular, foi realizada uma vasta e sistemática análise estatística, envolvendo distribuições de amplitude, área e duração dos saltos, área média do salto vs. duração, espectro de potência e a forma média do salto Barkhausen, pela primeira vez obtida para filmes. Os resultados mostram evidências experimentais de um crossover dimensional da dinâmica de DWs à medida que a espessura do filmes é reduzida. Também, o efeito do alcance das interações sobre a dinâmica de DWs em filmes é observado, indicando a existência das mesmas duas classes de universalidade observadas para materiais bulk . Deste modo, os expoentes medidos fornecem evidências experimentais para a validade de diferentes modelos tri e bi-dimensionais para a dinâmica de DWs.

Generating gear grinding is a method used for hard machining of gearbox gears. It facilitates a productive gear manufacturing with tight tolerances regarding surface roughness and geometrical accuracy. However, if the grinding is done with incorrect parameters, so called grinding burns can arise with consequences such as changes in surface hardness, changes in residual stress levels, surface embrittlement and compromised fatigue strength. This thesis investigates the gear tooth quality resulting from grinding parameters contributing to an improved grinding time. A literature study will cover gear geometries and material, grinding wheel properties, influences by grinding parameters and several verification methods. An experimental test will then be used to put four different grinding parameters to the test. The results showed that an increased cutting speed indicated finer surface roughness andincreased Barkhausen noise but showed no influence on gear geometry. Increasing both rough and fine feed rates resulted in a minor increase in geometry deviation but no significant difference in surface roughness. Large variations within the different verification method results related to grinding burns madeit difficult to draw conclusions regarding the experimental factors chosen. However, several factors apart from the experimental ones varied in the testing were believed to have significant influence, such as the flow of the cooling fluidand the amount of retained austenite from the carburizing process. In fact, the trends which seemed to be connected to these factors could be seen in both Barkhausen noise analysis, hardness measurementsand microstructure.