El Dr. Christoph Leser tiene casi 30 años de experiencia como investigador, ingeniero de pruebas, ingeniero de aplicaciones y consultor de pruebas, y es presidente del subcomité de ASTM. Aquí, el Dr. Leser describe de qué manera los investigadores de materiales pueden lograr resultados consistentes en las pruebas de fatiga termomecánica (TMF).
P: ¿Por qué hay un interés creciente en las pruebas de TMF?
R: Dos de las áreas más apasionantes de I+D de materiales hoy en día se relacionan con las turbinas que se utilizan en el espacio aéreo y la generación de energía. En ambos casos, los diseñadores están impulsando la eficacia operativa y la confiabilidad más allá de toda expectativa anterior. Para hacerlo, necesitan estructuras y componentes de turbinas que puedan tolerar temperaturas mayores durante períodos más largos y bajo una variedad de condiciones de carga cíclica. Los materiales que se están investigando incluyen superaleaciones, materiales compuestos de matriz cerámica, recubrimientos cerámicos y otros. Conocer cómo reaccionan estos materiales a los cambios simultáneos en la temperatura y la carga convierten la TMF en una parte esencial del proceso de I+D.
P: ¿Podría describir la mecánica y los objetivos de las pruebas de TMF?
R: Las pruebas de TMF son un tipo de prueba de fatiga que simula las condiciones de servicio reales de los componentes diseñados con la mayor precisión posible. Específicamente, las pruebas de TMF caracterizan la respuesta de los materiales a la carga mecánica cíclica y a la temperatura fluctuante en simultáneo, lo cual produce una respuesta sinérgica que no es fácil de predecir mediante pruebas de fatiga isotérmica. Los datos generados mediante pruebas de TMF ayudan a los investigadores a modelar el comportamiento de los componentes y también a validar los modelos existentes en un entorno de prueba controlado.
P: ¿Cuáles son los retos únicos de las pruebas de TMF?
R: La TMF puede ser difícil porque utiliza ciclos térmicos y mecánicos dentro y fuera de la fase. El cambio de fase entre la deformación inducida por temperatura y la inducida mecánicamente invita a numerosas interpretaciones del comportamiento de los materiales. Se debe aplicar calor mediante métodos radiantes o de inducción, lo cual puede requerir refrigeración. Los dispositivos y equipos de prueba deben poder soportar las altas temperaturas. Capturar datos precisos es difícil porque los sistemas de alta precisión se comportan diferente en temperaturas muy elevadas. El tipo de material puesto a prueba influye cada configuración, y hay muchas opciones de instrumentación, calentamiento, refrigeración y fijación. Por todos estos motivos, las pruebas de TMF suelen ser complejas y personalizadas.
P: Dada esta complejidad, ¿los investigadores pueden lograr consistencia de una prueba a otra y de un laboratorio a otro?
R: Las normas de prueba, como la ISO 12111 y la ASTM E2368, describen las prácticas recomendadas para caracterizar materiales sujetos a cargas térmicas y mecánicas simultáneas. Además, el European Validated Code of Practice for Strain-Controlled Thermomechanical Fatigue Testing (Código de práctica validado europeo para pruebas de fatiga termomecánica con deformación controlada), creado por un consorcio de socios internacionales, es otro gran recurso para el establecimiento de una consistencia en las pruebas. Como mencioné, uno de los retos principales de la TMF es que la deformación total incluye componentes térmicos y mecánicos, y se debe conocer la distribución precisa. Por este motivo, el Código de práctica reduce el comando de cambio de fase a dos posibilidades: ciclos dentro de la fase (máxima deformación a temperatura máxima) y fuera de la fase (máxima deformación a temperatura mínima). El Código también incluye todos los pasos necesarios para realizar la prueba, desde la calibración hasta el informe de datos.
P: ¿Cómo pueden hacer los investigadores para asegurarse de estar cumpliendo los requisitos del Código de práctica?
R: Los investigadores pueden adherirse al Código, y abordar la complejidad de las pruebas de TMF, mediante soluciones avanzadas de software. MTS ofrece una plantilla de TMF para el software TestSuite™ Multipurpose de MTS para pruebas según las normas ASTM e ISO, así como también el European Validated Code of Practice for Strain-Controlled Thermomechanical Fatigue Testing. La plantilla es completamente transparente y ofrece información completa de sus algoritmos y cálculos para que los investigadores puedan usarla a fin de interpretar las normas de distintas maneras y modificar la plantilla para obtener información nueva. Toda esta flexibilidad les permite realizar muchas pruebas diferentes de TMF para un conjunto diverso de geometrías de probetas y materiales.
P: ¿Qué características de la plantilla y del software se adaptan mejor a las pruebas de TMF?
R: Cada tarea del Código de práctica está representada en la plantilla con un botón del panel de comando, y cada botón está definido por un bloqueo del programa que el usuario puede modificar. Básicamente: si se puede ver, se puede modificar. Esto aplica a los cálculos de prueba y los flujos de trabajo, como también a la representación visual de los datos durante la prueba, lo cual ofrece vistas ilimitadas y permite que el usuario los personalice. También se aplica a los resultados, de modo que se pueden exportar los datos y presentar los resultados en el formato que mejor se adapte a sus necesidades.
P: ¿Cuál es la próxima novedad para las pruebas de TMF?
R: Una de las mayores tendencias en las pruebas es la integración del modelado. MTS, junto con uno de nuestros socios, desarrolló una solución para predecir mejor las capacidades de calentamiento. Esta solución nueva nos permite modelar la probeta, la bobina y las mordazas para comprender qué valores, índices y distribución de la temperatura se pueden lograr para la probeta antes de desarrollar un hardware.
