Con oltre 30 anni di esperienza nello sviluppo di soluzioni di prova innovative, l’ingegnere MTS Steve Lemmer apporta competenze uniche al design dei prodotti. In questa sessione di domande e risposte, illustra le sfide dei test ad alta temperatura e descrive gli sviluppi dei dispositivi di presa ad alta temperatura.
D. Perché i test ad alta temperatura sono importanti?
R. I materiali spesso devono essere utilizzati in ambienti più caldi della temperatura ambiente, e gli ingegneri devono comprendere come la temperatura influisca sulle proprietà dei materiali come resistenza, modulo elastico e deformazione/rottura. Esistono tre fasce generali di temperatura utilizzate per testare diversi tipi di materiali. La prima è la prova a temperatura calda fino a circa 200°C, adatta per plastica e compositi. Poi c’è la prova ad alta temperatura tra 200°C e 1200°C, con la maggior parte dei test nella gamma 600°C-1000°C, ad esempio per i materiali dei motori a reazione. Infine, ci sono le temperature ultra-alte a 1200°C e oltre, per testare ceramiche, materiali carboniosi e metalli refrattari come molibdeno, tungsteno e renio. Una delle sfide principali è che per ottenere queste diverse gamme di temperatura si devono usare tecnologie differenti.
D. Qualcosa che molti non sanno sui test ad alta temperatura?
R. La maggior parte delle persone nel settore dei test comprende l’allineamento, la temperatura e la misurazione della deformazione, ma all’aumentare della temperatura aumenta anche la complessità dell’impostazione del test. È relativamente semplice inserire un set di pinze e un campione in una camera ambientale e condurre un test fino a 600°C, ma più alta è la temperatura, maggiore è la complessità delle apparecchiature e dell’allestimento. Ad esempio, la scelta dei materiali cambia, i dispositivi di misurazione della temperatura cambiano, i metodi di riscaldamento cambiano, gli ambienti atmosferici possono cambiare, e alla fine le temperature raggiungono un punto in cui esiste una tecnologia limitata per svolgere funzioni di test critiche.
Anche se è chiaro che la complessità aumenta con la temperatura, pochi si rendono conto che la complessità può influire sui costi. Le materie prime per questi accessori sono costose e spesso hanno disponibilità commerciale limitata. Questi materiali sono difficili da lavorare in componenti meccanici, quindi il costo dei pezzi è significativamente più alto rispetto allo stesso pezzo realizzato in acciaio tradizionale. Se le temperature desiderate superano i 2000°C, potrebbe essere necessario utilizzare carbonio o metalli refrattari in ambienti a vuoto totale o parziale. I metalli refrattari fanno sembrare economiche tutte le altre superleghe costose!
D. Esistono alternative meno costose per i test ad alta temperatura?
R. Vorrei dire di no. La soluzione ad alta temperatura deve svolgere compiti specifici e complessi. Si possono scegliere apparecchiature meno costose, come pinze o telai di carico, ma queste scelte spesso comportano una perdita di precisione nell’allineamento e di flessibilità. Si possono scegliere “pinze fredde” realizzate con materiali più economici o un forno a zona singola invece di uno a 3 zone, sacrificando i gradienti di temperatura. Altri esempi da considerare: il mio allestimento potrebbe creare gioco nella catena di carico? L’asse di carico cambia mentre applico il carico? Il modo in cui monto la camera o l’estensometro sul telaio influisce sull’allineamento del test? L’attrito nell’attuatore influisce sul segnale di feedback del test? Inoltre, mi interessa la facilità e flessibilità nel cambiare campione? In sintesi, le scelte fatte possono compromettere i risultati del test.
D. Quali sono alcune delle sfide dei test ad alta temperatura?
R. La misurazione della temperatura, la misurazione della deformazione e la capacità dei materiali delle apparecchiature di sopravvivere indefinitamente sono alcune delle sfide. È un sistema complesso in cui tutti i componenti interagiscono e devono lavorare insieme: forno, misurazione della deformazione a contatto e non a contatto, trasduttori di carico e spostamento, elettronica di controllo e pinze per campioni. Bisogna capire come i componenti interagiranno durante il riscaldamento del campione e la misurazione di carico e deformazione; e gli ambienti ad alta temperatura non sono favorevoli alla misurazione della deformazione sul campione.
Gli estensometri a contatto MTS sono progettati per applicare la minima quantità possibile di carico laterale sul campione, ma devono comunque contattare il campione senza scivolare durante l’applicazione del carico. I metodi senza contatto funzionano bene a basse temperature, ma all’aumentare della temperatura il calore e le distorsioni ottiche influenzano le letture. Oltre a queste sfide di misurazione della deformazione, la geometria dei campioni può rendere i test più difficili. Ad esempio, testare campioni piatti può essere una sfida.
D. Perché i test ad alta temperatura su campioni piatti sono difficili?
R. Stringere campioni piatti è più difficile che stringere campioni rotondi perché il modo migliore per tenere un campione piatto è applicare una forza normale direttamente sulla faccia del campione, generando forze di attrito sulla faccia anziché forze di taglio sui bordi. Questo metodo di serraggio a cuneo crea tipicamente elevati stress nel meccanismo di serraggio. MTS possiede un metodo brevettato per utilizzare superleghe convenzionali che possono sopportare questi stress durante i test su campioni fino a 1500°C.
D. Cosa rende uniche le pinze ad alta temperatura MTS Modello 680?
R. La famiglia di pinze idrauliche 680 consente di eseguire test di fatica in modo coerente e accurato. Con le pinze meccaniche non è facile verificare il precarico applicato al campione durante un test di fatica. Le pinze idrauliche Modello 680 mantengono con precisione il precarico durante l’intero ciclo di test. La pinza 680.01 è utilizzata per campioni a testa a bottone e filettati fino a 1000°C. La 680.10 amplia la capacità di test a 1000°C aggiungendo la possibilità di testare campioni piatti. La 680.15 può testare fino a 1500°C ed è progettata per testare compositi ceramici a matrice piatta, solitamente più difficili da testare per esigenze di allineamento. Entrambi i modelli 680.10 e 680.15 possono testare campioni piatti e rotondi—basta sostituire i componenti ad alta temperatura per utilizzare la stessa pinza su campioni piatti e rotondi con testa a bottone o filettati a diverse temperature.
D. Qual è il vantaggio del raffreddamento ad aria delle pinze ad alta temperatura?
R. Il raffreddamento ad aria dei componenti strutturali ad alta temperatura consente test a carichi e temperature più elevati con una pinza idraulica. Nei modelli 680.10 e 680.15, il raffreddamento ad aria è interno ai componenti della pinza, quindi non disturba l’ambiente di test all’interno del forno. Mantenere la temperatura della pinza più alta limita la perdita di calore nel campione e migliora i gradienti termici lungo la sezione di misura. Queste pinze mantengono i gradienti secondo le linee guida ASTM e ISO, nell’intervallo ±2°C o ±1% della temperatura di test. Poiché le pinze sono idrauliche, offrono gli stessi vantaggi delle pinze idrauliche a temperatura ambiente: maggiore ripetibilità dell’allineamento, flessibilità nelle dimensioni dei campioni e forze di serraggio coerenti e note.
D. Cosa è cambiato nei test ad alta temperatura negli ultimi anni?
R. Sviluppi nella generazione di energia, efficienza dei combustibili e riduzione del peso stanno spingendo la necessità di test a temperature più elevate. Dal punto di vista tecnologico, anche la misurazione della deformazione e della temperatura si sta evolvendo, poiché le temperature più alte richiedono nuove tecnologie. Infine, c’è il desiderio di testare i campioni in ambienti diversi come gas di scarico, idrogeno, gas inerte e vuoto.
Le soluzioni di test ad alta temperatura possono essere acquistate come componenti individuali da diversi fornitori, ma se si desidera la migliore soluzione integrata, è consigliabile acquistarla come sottosistema in modo che tutto funzioni insieme. Se sei nuovo ai test ad alta temperatura, potresti non renderti conto di tutte le piccole cose necessarie per un test di successo. Con decenni di esperienza nei test ad alta temperatura, MTS possiede conoscenze e prodotti per costruire una soluzione integrata per la tua applicazione di test ad alta temperatura.
