Con más de 30 años de experiencia en el desarrollo de soluciones innovadoras de ensayo, el ingeniero de MTS Steve Lemmer aporta una experiencia única al diseño de productos. En esta sesión de preguntas y respuestas, describe los desafíos de los ensayos a alta temperatura y el desarrollo de las mordazas de alta temperatura.
P. ¿Por qué es importante el ensayo a alta temperatura?
R. Los materiales a menudo deben utilizarse en entornos más cálidos que la temperatura ambiente, y los ingenieros necesitan comprender cómo la temperatura afecta las propiedades del material, como la resistencia, el módulo y la fluencia/rotura. Existen tres rangos generales de temperatura que se utilizan para ensayar diferentes tipos de materiales. El primero es el ensayo a temperatura templada, hasta aproximadamente 200 °C; este es el rango para ensayar plásticos y materiales compuestos. Luego está el ensayo en caliente, que abarca de 200 °C a 1200 °C, concentrándose la mayor parte entre 600 °C y 1000 °C, por ejemplo, para ensayar materiales de motores a reacción. Por último, está el ensayo a temperatura ultraalta, de 1200 °C y superior. Este es el rango para ensayar cerámicas, materiales de carbono y metales refractarios como el molibdeno, el tungsteno y el renio. Uno de los desafíos es que se requieren distintas tecnologías para alcanzar estos diferentes rangos de temperatura.
P. ¿Qué es algo que muchas personas no saben sobre los ensayos a alta temperatura?
R. La mayoría de las personas en el mundo de los ensayos comprenden la alineación, la temperatura y la medición de la deformación, pero a medida que aumenta la temperatura, también aumenta la complejidad de la configuración del ensayo. Es relativamente sencillo colocar un conjunto de mordazas y una probeta en una cámara ambiental y realizar un ensayo hasta 600 °C, pero cuanto mayor es la temperatura, mayor es la complejidad del equipo y de la configuración del ensayo. Por ejemplo, cambia la selección de materiales, cambian los dispositivos de medición de temperatura, cambian los métodos de calentamiento, pueden cambiar los entornos atmosféricos y, finalmente, se alcanzan temperaturas en las que existe tecnología limitada para realizar funciones críticas de ensayo.
Incluso cuando se entiende que la complejidad aumenta con la temperatura, pocos se dan cuenta de que dicha complejidad puede incrementar los costos. Las materias primas para estos accesorios son costosas y, a menudo, tienen una disponibilidad comercial limitada. Estos materiales son difíciles de procesar en componentes mecanizados, por lo que el costo de las piezas es significativamente mayor que el de la misma pieza fabricada con acero tradicional. Si las temperaturas deseadas se encuentran en el rango más alto, por encima de 2000 °C, pueden requerirse materiales de carbono o metales refractarios en entornos de vacío total o parcial. ¡Los metales refractarios hacen que el resto de las costosas superaleaciones parezcan baratas!
P. ¿Existen alternativas menos costosas para los ensayos a alta temperatura?
R. Me gustaría decir que no. La solución de alta temperatura debe realizar tareas específicas y exigentes. Se puede optar por equipos menos costosos, como las mordazas o el bastidor de carga, pero esas elecciones suelen hacerse a costa de la alineación y la flexibilidad. Se pueden elegir “mordazas frías” fabricadas con materiales más económicos o un horno de una sola zona en lugar de uno de tres zonas, sacrificando los gradientes de temperatura. Otros aspectos a considerar incluyen: ¿puede mi configuración de ensayo generar holgura en la cadena de carga? ¿Cambia el eje de carga al aplicar la carga? ¿La forma de montar una cámara o un extensómetro en el bastidor afecta la alineación del ensayo? ¿La fricción en el actuador afecta la señal de realimentación del ensayo? Además, ¿me importa la facilidad y flexibilidad para cambiar de una probeta a otra? En resumen, las decisiones que se tomen pueden poner en riesgo los resultados del ensayo.
P. ¿Cuáles son algunos de los desafíos de los ensayos a alta temperatura?
R. La medición de la temperatura, la medición de la deformación y lograr que los materiales del equipo de ensayo sobrevivan indefinidamente son algunos de ellos. Se trata de un sistema complejo en el que todos los componentes interactúan y deben funcionar conjuntamente: el horno, la medición de deformación por contacto y sin contacto, los transductores de carga y desplazamiento, la electrónica de control y las mordazas de la probeta. Es necesario comprender cómo interactuarán los componentes cuando se calienta la probeta y se mide la carga y la deformación; además, los entornos de alta temperatura no son propicios para medir la deformación en la probeta.
Los extensómetros de contacto de MTS están diseñados para aplicar la menor carga lateral posible a la probeta, pero aun así deben contactar con ella y no deslizarse al aplicar la carga. Los métodos sin contacto funcionan bien a temperaturas más bajas, pero a medida que la temperatura aumenta, el calor y la distorsión de la luz afectan las lecturas. Además de estos desafíos en la medición de la deformación, las geometrías de las probetas pueden dificultar aún más los ensayos. Por ejemplo, ensayar probetas planas puede resultar especialmente complicado.
P. ¿Por qué es difícil el ensayo a alta temperatura de probetas planas?
R. Sujetar probetas planas es más difícil que sujetar probetas redondas, ya que la mejor manera de sostener una probeta plana es aplicar una fuerza normal directamente sobre la cara de la probeta y generar fuerzas de fricción en la superficie, en lugar de fuerzas de corte en los bordes. Este método de sujeción mediante mordazas de cuña suele generar altas tensiones en el mecanismo de sujeción. MTS cuenta con un método patentado que utiliza superaleaciones convencionales capaces de soportar estas tensiones mientras se ensayan probetas a temperaturas de hasta 1500 °C.
P. ¿Qué hace únicas a las mordazas de alta temperatura MTS Modelo 680?
R. La familia 680 de mordazas hidráulicas puede realizar ensayos de fatiga de forma constante y precisa. Con mordazas mecánicas, no es fácil verificar la precarga aplicada a la probeta para un ensayo de fatiga. Las mordazas hidráulicas Modelo 680 mantienen la precarga con precisión durante todo el ciclo del ensayo. La mordaza 680.01 se utiliza para probetas con extremos tipo botón y roscados hasta 1000 °C. La 680.10 amplía la capacidad de ensayo a 1000 °C al añadir la posibilidad de ensayar probetas planas. La 680.15 permite ensayar hasta 1500 °C y fue diseñada para ensayar compuestos de matriz cerámica planos, que suelen ser más difíciles de ensayar debido a los requisitos de alineación. Tanto los modelos 680.10 como 680.15 pueden utilizarse para ensayar probetas planas y redondas: simplemente cambiando los componentes de alta temperatura, se puede usar la misma mordaza para ensayar probetas planas y redondas con extremos tipo botón o roscados a diferentes temperaturas.
P. ¿Cuál es la ventaja de la refrigeración por aire de las mordazas de alta temperatura?
R. La refrigeración por aire de los componentes estructurales de alta temperatura permite realizar ensayos a cargas y temperaturas más elevadas con una mordaza hidráulica. En las mordazas 680.10 y 680.15, la refrigeración por aire es interna a los componentes de la mordaza, por lo que no altera el entorno de ensayo dentro del horno. Mantener la temperatura de la mordaza más alta limita la pérdida de calor en la probeta y mejora los gradientes térmicos a lo largo de la sección de galga. Estas mordazas mantienen los gradientes de acuerdo con las guías ASTM e ISO, dentro de rangos de ±2 °C o ±1 % de la temperatura de ensayo. Además, al ser hidráulicas, ofrecen las mismas ventajas que nuestras mordazas hidráulicas a temperatura ambiente: mejor repetibilidad de alineación, flexibilidad en el tamaño de las probetas y fuerzas de sujeción consistentes y conocidas.
P. ¿Qué ha cambiado en los ensayos a alta temperatura en los últimos años?
R. Los avances en generación de energía, eficiencia de combustible y aligeramiento están impulsando la necesidad de ensayar a temperaturas más altas. Desde el punto de vista tecnológico, la medición de la deformación y de la temperatura también está evolucionando, ya que las temperaturas más elevadas requieren nuevas tecnologías. Por último, cabe mencionar el creciente interés en ensayar las probetas en diversos entornos, como gases de escape de combustibles, hidrógeno, gas inerte y vacío.
Las soluciones de ensayo a alta temperatura pueden adquirirse como componentes individuales de múltiples proveedores, pero si se desea la mejor solución integrada, es recomendable adquirirla como un subsistema para que todo funcione de manera conjunta. Si es nuevo en los ensayos a alta temperatura, puede que no sea consciente de todos los pequeños detalles que intervienen para que un ensayo sea exitoso. Con décadas de experiencia en ensayos a alta temperatura, MTS cuenta con el conocimiento y los productos necesarios para construir una solución integrada para su aplicación de ensayo a alta temperatura.
