Com mais de 25 anos de experiência em testes de materiais, metalurgia e engenharia de sistemas, o cientista da MTS, Dr. Erik Schwarzkopf, traz uma expertise única para o atendimento aos clientes. Nesta sessão de perguntas e respostas, ele discute os desafios na medição de como as fissuras se formam, crescem e mudam.
Q: Por que a medição de fissuras é importante?
A: Fissuras acontecem. Algumas são criadas durante o processo de fabricação, e outras se desenvolvem quando o produto ou componente é usado. Entender como as fissuras se formam, crescem e mudam ajuda engenheiros e designers de produtos a descobrir falhas potenciais em componentes, mitigar comportamentos problemáticos dos materiais e projetar produtos e estruturas tolerantes a defeitos.
Q: Por que os engenheiros podem querer medir o comprimento das fissuras em diferentes cargas e condições térmicas?
A: Os componentes são usados em uma variedade de ambientes, por isso os engenheiros precisam entender como eles se comportarão nessas condições do mundo real. Diferentes técnicas de medição de fissuras são mais adequadas para uma aplicação específica com base no material, geometria do espécime e tipo de fissura sendo medida. Frequentemente, há um trade-off entre a adequação para a aplicação e a facilidade de uso, pois algumas técnicas de medição funcionam melhor em certos ambientes do que em outros. Por essa razão, pode ser especialmente desafiador medir fissuras em temperaturas não ambiente; e nas temperaturas mais altas, acima do ponto de fusão da maioria dos metais, nada funciona bem.
Q: Quais métodos são usados para medir o comprimento das fissuras e quais são os desafios das várias técnicas de medição de fissuras?
A: O método mais antigo é procurar uma fissura – seja por observação humana ou com uma câmera. Existem desafios impostos por esse método quando há geometrias de espécimes incomuns ou problemas com a iluminação.
Um segundo método, chamado compliance, é usado para uma fissura que altera a rigidez do espécime. Com a técnica de compliance, você mede a carga e o deslocamento e correlaciona a inclinação da linha carga/deslocamento, ou a rigidez, com o comprimento da fissura. Compliance é o inverso da rigidez. À medida que a fissura cresce, a rigidez diminui e o compliance aumenta. Esta técnica é utilizada para fissuras longas, não para fissuras curtas, como falhas superficiais ou fissuras de canto, porque as fissuras curtas não mostram uma mudança significativa na compliance do espécime devido ao crescimento das fissuras. Raramente é usada para determinar a iniciação de fissuras, porque quando você nota uma mudança na compliance devido à iniciação, a fissura já é grande.
Um terceiro método, disponível para materiais condutores eletricamente, é o Queda de Potencial Elétrico, no qual uma fonte de energia conduz uma corrente constante através do espécime. Um espécime grosso com baixa resistência requer uma grande quantidade de corrente (tipicamente mais de 1 Ampere, e às vezes até 10-20 Amperes) juntamente com uma amplificação significativa do potencial elétrico medido. Para espécimes não condutores, os pesquisadores colam finas folhas metálicas na superfície do espécime. A folha e o suporte devem ser fracos o suficiente para se rasgarem quando o espécime subjacente fissura, mas não devem fortalecer o próprio espécime. Podem haver problemas de repetibilidade de medição com folhas, pois elas podem ser colocadas de maneira inconsistente, ou a cola pode ter diferentes espessuras.
Outro método que pode ser utilizado em espécimes frágeis como rocha é a emissão acústica. Neste caso, um microfone é colocado no espécime para medir o som. As desvantagens desse método podem incluir a dificuldade de localizar a fissura ou determinar o seu comprimento.
Q: Que soluções a MTS oferece para a medição do comprimento de fissuras?
A: A MTS oferece extensômetros que podem ser usados em medições de compliance para uma variedade de tamanhos de espécimes. O comprimento típico do gage comprimido é de 5mm a 12mm, e a viagem típica é de 3mm a 5mm. A MTS tem extensômetros para temperatura ambiente e temperatura elevada, incluindo aqueles que podem ser usados dentro de uma câmara ambiental.
Também temos um sistema de Queda de Potencial de Corrente Contínua (DCPD) que fornece uma corrente constante entre 1 ampere e 20 amperes e é mais comumente usado para espécimes metálicos, que requerem amplificação de 5000x ou mais. Nossos sistemas DCPD começam com amplificação de 5000x ou mais e podem chegar até 100000x. Em contraste, condicionadores de gage de deformação começam em 500x e podem chegar até 5000x, mas não podem atingir 50000x.
Uma das vantagens de escolher um sistema DCPD da MTS é que podemos oferecer o software, eletrônicos e estrutura de carga para uma solução completa. Nossas estruturas de carga são eletricamente isoladas, o que é importante porque você quer que a corrente passe pelo espécime, não pela estrutura externa. Podemos fazer nossos gripes também eletricamente isolados. A MTS tem usado soluções DCPD em testes estáticos e dinâmicos.
Finalmente, a MTS oferece soluções de emissão acústica para mecânica de rochas.
Q: Como a medição de fissuras pode impactar o design ou a vida de uma nova peça ou de uma peça existente?
A: Se você pode entender onde uma fissura está e em qual processo ocorreu, você pode mitigar riscos. Se você entende como a fissura cresce e quando, pode redesenhar geometrias e tomar decisões sobre ciclos de inspeção e ciclos de aposentadoria. A medição de fissuras ajuda a determinar quais áreas precisam ser reexaminadas ou redesenhadas.
Q: O que o futuro reserva para a medição do comprimento de fissuras?
A: O interesse em desenvolver materiais mais leves e combustíveis alternativos para aumentar a eficiência energética, além de desenvolver materiais que possam suportar ambientes mais quentes e corrosivos, são preocupações mundiais que estão criando novos desafios para testes de materiais. Técnicas experimentais para esses novos materiais em novas temperaturas estão faltando atualmente. Por exemplo, se você precisa testar componentes de motor em temperaturas mais altas, e não pode segurar o componente com uma garra de metal porque ela derreteria, isso cria um problema. Claro, nem tudo será quente, e os pesquisadores podem monitorar fissuras remotamente com sensores em regiões mais frias, mas então o pesquisador deve discernir quanto do valor medido é devido a uma fissura e quanto é artefatos experimentais. O pesquisador deve entender a interação de vários componentes experimentais.
Há também interesse em mudar a temperatura durante o ciclo de carga e observar a fadiga termomecânica e o crescimento de fissuras por fadiga simultaneamente. Ao usar técnicas de potencial elétrico, você deve distinguir quanto da resistência elétrica é devido à temperatura e quanto é devido ao comprimento da fissura. Novos padrões e técnicas precisarão ser desenvolvidos para medir o que está acontecendo com novos materiais em temperaturas mais altas.
