Doutor em metalurgia mecânica com várias décadas de experiência em testes em alta temperatura, o Engenheiro de P&D e Cientista da Equipe MTS Erik Schwarzkopf fala sobre os desafios de controlar com precisão as temperaturas de teste.
Pergunta: Por que a temperatura é tão importante para os testes de materiais, especialmente testes isotérmicos de LCF ou HCF?
Resposta:Os engenheiros precisam entender com as propriedades dos materiais mudam em diferentes temperaturas para projetar produtos e componentes que tenham o desempenho esperado nas temperaturas encontradas na prática. Os testes de Low-Cycle Fatigue (LCF) e High-Cycle Fatigue (HCF) duram várias horas, pelo que a estabilidade térmica é fundamental. Durante o teste, uma variação de cinco ou dez graus pode adicionar incerteza significativa aos resultados.
Pergunta: Como você mede a temperatura em uma configuração comum de teste?
Resposta:O método mais comum são os termopares, que têm dois condutores metálicos (fios). O fluxo de corrente na junção dos fios é proporcional à temperatura na junção. Os fios normalmente são ligados ao corpo de prova, de modo que a temperatura na junção seja igual à do corpo de prova. Para testes em alta temperatura, os pesquisadores usam termopares tipo R, com fios de platina e ródio, embora os termopares tipo K com fios de Chromel e Alumel sejam uma opção mais barata. Aplicações com temperaturas menores e alta sensibilidade exigem termopares tipo J de ferro e Constantan.
Pergunta: Como você controla a temperatura durante um teste?
Resposta:O sinal de saída de um controlador PID (proporcional integral derivativo) pode ser usado para energizar um sistema de aquecimento ao redor do corpo de prova. Dentro da câmara ou do forno, é possível usar um ou mais controladores para controlar diferentes zonas internas. A ideia é controlar a temperatura de forma que ela permaneça uniforme em todo o corpo de prova, mesmo que haja áreas com temperatura variável em outros lugares.
Pergunta: A temperatura é tão diferente assim ao longo do forno?
Resposta:Sim. Se o controlador de temperatura enviar as mesmas instruções aos três elementos de aquecimento no forno, o gradiente no corpo de prova será grande o suficiente para pôr em dúvida os resultados do teste. Isso é inaceitável, claro. E desnecessário. É possível controlar a temperatura corretamente, mas é preciso entender os mecanismos termodinâmicos envolvidos. Os gradientes ocorrem porque o trem de carga se estende para fora do forno, para a célula de carga e para o atuador, que estão em temperatura ambiente. O calor no forno é transferido para essas porções ambientes por condução, enquanto os elementos de aquecimento continuam a adicionar calor; entretanto, essas ações não ocorrem na mesma proporção. Com o controle de múltiplas zonas, nós criamos “tampões” que forçam os gradientes maiores para longe da seção de teste do corpo de prova, ou mesmo em direção às hastes de suporte ou medição. Assim, o gradiente na seção reduzida do corpo de prova será aceitavelmente pequeno.
Pergunta: Quão pequeno deve ser o gradiente no corpo de prova?
Resposta:Depende da norma. As várias especificações nacionais e internacionais sobre testes de LCF e HCF não concordam quanto aos gradientes. Em geral, o gradiente máximo na seção de teste do corpo de prova corresponde a um pequeno percentual da temperatura nominal de teste. Assim, se a temperatura nominal de teste for de 500 °C, a seção reduzida deverá ter um gradiente não superior a 5 °C a 10 °C, isto é, 1% a 2%. Em um sistema de teste bem projetado, o gradiente na seção reduzida pode ser mantido dentro de 1% da temperatura desejada. O forno de três zonas modelo 653.04 da MTS, por exemplo, pode manter o gradiente dentro de ±2 °C ao longo de uma seção de teste de 25 mm, com uma temperatura nominal de teste de 800 °C, o que está seguramente dentro das especificações ASTM e ISO.
Pergunta: Quanto tempo demora para atingir a temperatura de teste desejada?
Resposta:Pode levar uma hora para aumentar a temperatura, fazer o encharque do corpo de prova e obter o equilíbrio no corpo de prova e no trem de carga. Se você aumentar a temperatura rápido demais, talvez exceda o valor desejado e danifique o corpo de prova ou talvez aumente ainda mais o tempo de resfriamento e reaquecimento. Muitos laboratórios tentaram minimizar o tempo de aumento de temperatura ao longo dos anos, porque ele pode diminuir a produtividade. Em alguns testes de tração, é possível preaquecer os corpos de prova e os trens de carga em fornos livres, depois instalá-los no sistema de teste no momento propício. Outros laboratórios experimentaram usar taxas de aquecimento variáveis em cada zona do forno, o que pode ajudar a reduzir os tempos de encharque. Os modelos de LCF e HCF em alta temperatura para o software MTS TestSuite™ MP Elite, por exemplo, usam perfis complexos para aumentar rapidamente a temperatura de zonas externas e, depois, aumentar cuidadosamente a temperatura da zona interna contendo o corpo de prova. Em muitos casos, contudo, as especificações do teste determinam o tempo de encharque.
Pergunta: Fornos maiores e melhores são sempre a escolha certa?
Resposta:Depende do que você quer dizer com “maiores” e “melhores”. Um forno pode ter uma temperatura máxima maior, mais isolamento, um interior mais espaçoso, zonas aquecidas mais extensas ou mais zonas de controle. A pergunta é: quais são os contras? Mais zonas de controle permitem gradientes menores no corpo de prova, mas custam mais. Zonas aquecidas mais extensas também reduzem os gradientes, mas exigem hastes de medição em alta temperatura. Mais isolamento aumenta a estabilidade, mas dificulta a redução da temperatura, caso o valor desejado seja excedido. Usar um forno de 1.000 °C para um teste de 150 °C comprometerá o controle de temperatura. E assim por diante.
Pergunta: O que mais deve ser considerado para o controle preciso da temperatura?
Resposta:Antes de selecionar acessórios, como fornos ou garras, é preciso considerar a aplicação como um todo: temperatura de teste desejada, geometria do corpo de prova, gradiente e tempo de teste. É preciso considerar também a forma como você aquecerá o corpo de prova e controlará a temperatura durante o teste. O método mais comum em testes isotérmicos é usar um forno com resistências elétricas, com termopares em contato com o corpo de prova. Os termopares são soldados às hastes de suporte do corpo de prova, não à seção reduzida, porque podem ser locais de rachadura. Acima de tudo, os pesquisadores devem aproveitar todo o corpo de conhecimento existente sobre testes em alta temperatura. Não muito tempo atrás, o procedimento mais comum era de tentativa e erro. Hoje, podemos proceder de forma mais inteligente e obter resultados mais precisos.
