Com mais de 30 anos de experiência no desenvolvimento de soluções inovadoras de ensaio, o engenheiro da MTS, Steve Lemmer, traz uma expertise única para o design de produtos. Nesta sessão de perguntas e respostas, ele descreve os desafios dos ensaios em alta temperatura e apresenta os desenvolvimentos em garras de alta temperatura.
P. Por que os ensaios em alta temperatura são importantes?
R. Os materiais frequentemente precisam ser utilizados em ambientes mais quentes do que a temperatura ambiente, e os engenheiros precisam entender como a temperatura afeta propriedades do material, como resistência, módulo e fluência/ruptura. Existem três faixas gerais de temperatura usadas para ensaiar diferentes tipos de materiais. Há os ensaios em temperatura morna, até cerca de 200 °C; essa é a faixa para ensaios de plásticos e compósitos. Em seguida, há os ensaios em alta temperatura, de 200 °C a 1200 °C, sendo a maior parte entre 600 °C e 1000 °C, temperaturas usadas, por exemplo, para ensaiar materiais de motores a jato. Por fim, há a faixa de temperatura ultra-alta, de 1200 °C ou mais. Essa é a faixa para ensaios de cerâmicas, materiais de carbono e metais refratários, como molibdênio, tungstênio e rênio. Um dos desafios é que são utilizadas tecnologias diferentes para atingir essas diferentes faixas de temperatura.
P. O que muitas pessoas não sabem sobre os ensaios em alta temperatura?
R. A maioria das pessoas no mundo dos ensaios entende alinhamento, temperatura e medição de deformação, mas, à medida que a temperatura aumenta, a complexidade da configuração do ensaio também aumenta. É relativamente simples colocar um conjunto de garras e um corpo de prova em uma câmara ambiental e executar um ensaio até 600 °C, mas quanto maior a temperatura, maior é a complexidade do equipamento e da configuração do ensaio. Por exemplo, a escolha dos materiais muda, os dispositivos de medição de temperatura mudam, os métodos de aquecimento mudam, os ambientes atmosféricos podem mudar e, eventualmente, as temperaturas atingem um ponto em que existe tecnologia limitada para executar funções críticas de ensaio.
Mesmo quando se entende que a complexidade aumenta com a temperatura, poucos percebem que essa complexidade pode elevar os custos. As matérias-primas desses acessórios são caras e, muitas vezes, há disponibilidade comercial limitada. Esses materiais são difíceis de processar em componentes usinados, de modo que o custo das peças é significativamente maior do que o de peças equivalentes feitas de aço tradicional. Se as temperaturas desejadas estiverem na faixa mais elevada, acima de 2000 °C, pode ser necessário usar carbono ou metais refratários em ambientes de vácuo total ou parcial. Os metais refratários fazem o restante das superligas caras parecer barato!
P. Existem alternativas menos dispendiosas para ensaios em alta temperatura?
R. Eu gostaria de dizer que não. A solução para alta temperatura precisa executar tarefas específicas e desafiadoras. É possível escolher equipamentos menos caros, como as garras ou o pórtico de carga, mas essas escolhas geralmente têm um custo em termos de alinhamento e flexibilidade. É possível optar por “garras frias”, feitas de materiais mais baratos, ou por um forno de zona única em vez de um forno de três zonas, sacrificando os gradientes de temperatura. Outros exemplos de aspectos a considerar são: minha configuração de ensaio pode criar folga no trem de carga; o eixo de carregamento muda à medida que aplico carga; a forma como monto uma câmara ou um extensômetro no pórtico afeta o alinhamento do ensaio; o atrito no meu atuador afeta o sinal de realimentação do ensaio? Além disso, me importo com a facilidade e a flexibilidade para trocar de um corpo de prova para outro? Em resumo, as escolhas que você faz podem comprometer os resultados do ensaio.
P. Quais são alguns dos desafios dos ensaios em alta temperatura?
R. Medição de temperatura, medição de deformação e fazer com que os materiais dos equipamentos de ensaio resistam indefinidamente são alguns deles. Trata-se de um sistema complexo em que todos os componentes interagem e tudo precisa funcionar em conjunto: o forno, a medição de deformação por contato e sem contato, os transdutores de carga e deslocamento, a eletrônica de controle e as garras do corpo de prova. É necessário entender como os componentes interagem quando o corpo de prova é aquecido e quando se mede carga e deformação; além disso, ambientes de alta temperatura não são favoráveis à medição de deformação no corpo de prova.
Os extensômetros de contato da MTS são projetados para aplicar a menor carga lateral possível ao corpo de prova, mas ainda assim precisam entrar em contato com o corpo de prova e não escorregar durante a aplicação da carga. Métodos sem contato funcionam bem em temperaturas mais baixas, mas, à medida que a temperatura aumenta, a distorção causada pelo calor e pela luz afeta as leituras. Além desses desafios de medição de deformação, as geometrias dos corpos de prova podem tornar os ensaios mais difíceis. Por exemplo, ensaiar corpos de prova planos pode ser um desafio.
P. Por que os ensaios em alta temperatura de corpos de prova planos são difíceis?
R. Fixar corpos de prova planos é mais difícil do que fixar corpos de prova cilíndricos, porque a melhor forma de segurar um corpo de prova plano é aplicar uma força normal diretamente na face do corpo de prova e gerar forças de atrito na face, em vez de forças de cisalhamento nas bordas do corpo de prova. Esse método de fixação por cunha geralmente cria altas tensões no mecanismo de fixação. A MTS possui um método patenteado que utiliza superligas convencionais capazes de reagir a essas tensões ao ensaiar corpos de prova em temperaturas de até 1500 °C.
P. O que torna as Garras de Alta Temperatura MTS Modelo 680 únicas?
R. A família 680 de garras hidráulicas pode executar ensaios de fadiga de forma consistente e precisa. Com garras mecânicas, não é fácil verificar a pré-carga aplicada ao corpo de prova em um ensaio de fadiga. As garras hidráulicas Modelo 680 mantêm a pré-carga com precisão durante todo o ciclo do ensaio. A garra 680.01 é usada para corpos de prova com cabeçote tipo botão e roscados até 1000 °C. A 680.10 amplia a capacidade de ensaios até 1000 °C ao adicionar a possibilidade de ensaiar corpos de prova planos. A 680.15 pode ensaiar até 1500 °C e foi projetada para ensaiar compósitos de matriz cerâmica planos, que normalmente são mais difíceis de ensaiar devido aos requisitos de alinhamento. Tanto os modelos 680.10 quanto 680.15 podem ser usados para ensaiar corpos de prova planos e cilíndricos — basta trocar os componentes de alta temperatura para usar a mesma garra no ensaio de corpos de prova planos e cilíndricos, com extremidades tipo botão ou roscadas, em várias temperaturas.
P. Qual é a vantagem do resfriamento a ar das garras de alta temperatura?
R. O resfriamento a ar dos componentes estruturais de alta temperatura permite ensaios com cargas e temperaturas mais elevadas usando uma garra hidráulica. Nas garras 680.10 e 680.15, o resfriamento a ar é interno aos componentes da garra, de modo que não perturba o ambiente de ensaio dentro do forno. Manter a temperatura da garra mais elevada limita a perda de calor no corpo de prova e melhora os gradientes térmicos ao longo da seção de medição. Essas garras mantêm gradientes de acordo com as faixas de orientação das normas ASTM e ISO, de ±2 °C ou ±1% da temperatura de ensaio. Como as garras são hidráulicas, elas oferecem as mesmas vantagens das nossas garras hidráulicas para temperatura ambiente: melhor repetibilidade de alinhamento, flexibilidade quanto ao tamanho do corpo de prova e forças de fixação consistentes e conhecidas.
P. O que mudou nos ensaios em alta temperatura nos últimos anos?
R. Os desenvolvimentos em geração de energia, eficiência de combustível e redução de peso estão impulsionando a necessidade de trabalhar em temperaturas mais elevadas. Do ponto de vista tecnológico, a medição de deformação e de temperatura também está evoluindo, pois as temperaturas mais altas exigem novas tecnologias. Por fim, vale mencionar o desejo de ensaiar o corpo de prova em diversos ambientes, como gases de exaustão de combustível, hidrogênio, gás inerte e vácuo.
As soluções para ensaios em alta temperatura podem ser adquiridas como componentes individuais de vários fornecedores, mas, se você deseja a melhor solução integrada, deve adquiri-la como um subsistema, para que tudo funcione em conjunto. Se você é novo em ensaios em alta temperatura, talvez não perceba todos os pequenos detalhes necessários para que um ensaio seja bem-sucedido. Com décadas de experiência em ensaios em alta temperatura, a MTS possui o conhecimento e os produtos necessários para desenvolver uma solução integrada para sua aplicação de ensaio em alta temperatura.
