Con oltre 25 anni di esperienza nei test dei materiali, metallurgia e ingegneria dei sistemi, il dott. Erik Schwarzkopf, ricercatore presso MTS, porta un'abilità unica negli impegni con i clienti. In questa Q&A, discute le sfide nella misurazione di come si formano, crescono e cambiano le crepe.
D: Perché è importante la misurazione delle crepe?
R: Le crepe si verificano. Alcune si formano durante il processo di produzione, altre si sviluppano quando il prodotto o il componente viene utilizzato. Comprendere come si formano, crescono e cambiano le crepe aiuta ingegneri e progettisti a scoprire potenziali guasti dei componenti, mitigare comportamenti problematici dei materiali e progettare prodotti e strutture tolleranti ai difetti.
D: Perché gli ingegneri potrebbero voler misurare la lunghezza delle crepe in diverse condizioni di carico e termiche?
R: I componenti sono utilizzati in una varietà di ambienti, quindi gli ingegneri devono capire come si comporteranno in queste condizioni reali. Diverse tecniche di misurazione delle crepe sono più adatte a un'applicazione particolare in base al materiale, alla geometria del campione e al tipo di crepa misurata. Spesso c'è un compromesso tra l'idoneità per l'applicazione e la facilità d'uso, poiché alcune tecniche di misurazione funzionano meglio in determinati ambienti rispetto ad altri. Per questo motivo, può essere particolarmente difficile misurare le crepe a temperature non ambientali; e alle temperature più elevate, sopra il punto di fusione della maggior parte dei metalli, nulla funziona bene.
D: Quali metodi vengono utilizzati per misurare le lunghezze delle crepe e quali sono le sfide delle varie tecniche di misurazione delle crepe?
R: Il metodo più antico è cercare una crepa – sia attraverso l'osservazione umana che con una camera. Ci sono delle sfide in questo metodo quando ci sono geometrie di campioni insolite o problemi di illuminazione.
Un secondo metodo, chiamato compliance, viene utilizzato per una crepa che cambia la rigidità del campione. Con la tecnica di compliance, si misurano il carico e lo spostamento e si correlano la pendenza della linea carico/spostamento, o la rigidità, con la lunghezza della crepa. La compliance è l'inverso della rigidità. Man mano che la crepa cresce, la rigidità diminuisce e la compliance aumenta. Questa tecnica è utilizzata per crepe lunghe, non per crepe brevi come difetti superficiali o crepe angolari, perché le crepe brevi non mostrano un cambiamento significativo nella compliance del campione a causa della crescita delle crepe. Viene raramente utilizzata per determinare l'inizio di una crepa, perché quando si nota un cambiamento nella compliance a causa dell'inizio, la crepa è già grande.
Un terzo metodo, disponibile per materiali elettricamente conduttivi, è la Caduta di Potenziale Elettrico, in cui un'alimentazione fornisce una corrente costante attraverso il campione. Un campione spesso con bassa resistenza richiede molta corrente (tipicamente più di 1 Amp, e a volte fino a 10-20 Amps) insieme a un'ampia amplificazione del potenziale elettrico misurato. Per campioni non conduttivi, i ricercatori incollano sottili fogli metallici sulla superficie del campione. Il foglio e il supporto devono essere abbastanza deboli da strappare quando il campione sottostante si crepa, ma non devono rinforzare il campione stesso. Possono esserci problemi di ripetibilità delle misurazioni con i fogli, poiché possono essere posizionati in modo incoerente o la colla può avere spessori diversi.
Un altro metodo che può essere utilizzato su campioni fragili come la roccia è l'emissione acustica. In questo caso, un microfono viene posizionato sul campione per misurare il suono. Gli svantaggi di questo metodo possono essere che può essere difficile localizzare la crepa o determinare quanto sia lunga.
D: Quali soluzioni offre MTS per la misurazione della lunghezza delle crepe?
R: MTS offre estensometri che possono essere utilizzati nelle misurazioni di compliance per una varietà di dimensioni dei campioni. La lunghezza della gage compressa tipica è da 5 mm a 12 mm e il movimento tipico è da 3 mm a 5 mm. MTS ha estensometri per temperatura ambiente e temperatura elevata, inclusi quelli che possono essere utilizzati all'interno di una camera ambientale.
Abbiamo anche un sistema di Caduta di Potenziale a Corrente Continua (DCPD) che fornisce una corrente costante tra 1 amp e 20 amps ed è comunemente usato per campioni metallici, che richiedono un'amplificazione di 5000x o più. I nostri sistemi DCPD partono da un'amplificazione di 5000x o più e possono arrivare fino a 100000x. Al contrario, i condizionatori di estensimetro partono da 500x e possono arrivare fino a 5000x, ma non possono arrivare a 50000x.
Uno dei vantaggi di scegliere un sistema DCPD MTS è che possiamo offrire il software, l'elettronica e il telaio di carico per una soluzione completa. I nostri telai di carico sono elettricamente isolati, il che è importante perché si desidera che la corrente passi attraverso il campione, non attraverso il telaio esterno. Possiamo rendere elettricamente isolati anche i nostri manici. MTS ha utilizzato soluzioni DCPD in test sia statici che dinamici.
Infine, MTS offre soluzioni di emissione acustica per la meccanica della roccia.
D: In che modo la misurazione delle crepe può influenzare la progettazione o la vita di un nuovo o esistente componente?
R: Se riesci a capire dove si trova una crepa e in quale processo si è verificata, puoi mitigare il rischio. Se comprendi come la crepa cresce e quando, puoi riprogettare geometrie e prendere decisioni sui cicli di ispezione e sui cicli di dismissione. La misurazione delle crepe aiuta a determinare quali aree devono essere riesaminate o riprogettate.
D: Qual è il futuro della misurazione della lunghezza delle crepe?
R: L'interesse nello sviluppo di materiali più leggeri e di combustibili alternativi per una maggiore efficienza energetica e nello sviluppo di materiali che possano resistere a ambienti più caldi e corrosivi è una preoccupazione mondiale che sta creando nuove sfide nei test dei materiali. Oggi mancano tecniche sperimentali per questi nuovi materiali a queste nuove temperature. Ad esempio, se è necessario testare i componenti del motore a temperature più elevate e non è possibile afferrare il componente con un grip metallico perché si scioglierebbe, si crea un problema. Naturalmente, non tutto sarà caldo e i ricercatori possono monitorare le crepe da remoto con sensori in regioni più fresche, ma poi il ricercatore deve capire quanto del valore misurato è dovuto a una crepa e quanto a artefatti sperimentali. Il ricercatore deve comprendere l'interazione tra vari componenti sperimentali.