Com mais de 25 anos de experiência em testes de materiais, metalurgia e engenharia de sistemas, o Dr. Erik Schwarzkopf, cientista da equipe MTS, traz uma experiência única para os clientes. Neste P&R, ele discute os desafios e os trade-offs inerentes a vários tipos de testes de materiais em alta temperatura.
P: O que está motivando a necessidade de medir as propriedades do material a temperaturas elevadas?
R: Os projetistas de aeronaves, automóveis e sistemas de geração de energia ultraeficientes precisam de materiais com relações de resistência a peso mais elevadas, bem como materiais que possam suportar temperaturas de operação mais elevadas por períodos de tempo mais longos. Em ambos os casos, o objetivo é o mesmo: eficiência de combustível.
P: Por que este tipo de teste é tão complicado?
R: "Temperatura elevada" significa coisas diferentes para pesquisadores diferentes. Em geral, pensamos em três faixas distintas de temperatura para materiais que têm a maior relação entre resistência e peso. O primeiro é para compósitos de matriz polímera, ou PMCs, de 200°C a 500°C. A segunda é para metais, de 800°C a 1000°C. A terceira é para compósitos de matriz cerâmica, ou CMCs, que são testados a até 1500°C. Em cada faixa, existem tradeoffs que os engenheiros de testes precisam considerar com muito cuidado para realizar testes de forma eficaz, medir as propriedades do material a temperaturas elevadas e adquirir resultados de alta qualidade.
P: Quais os tipos de tradeoffs que afetam a precisão dos dados de teste?
R: Os problemas surgem quando se trata de objetos que precisam tocar o corpo de prova ou estar perto do corpo de prova. Isso significa garras, extensometria e fornos e câmaras. Os problemas tendem a ser sistêmicos, portanto, a solução de um problema com um componente tende a levantar problemas com outro componente.
P: Como estas questões interrelacionadas aparecem durante a configuração do teste?
R: Começa com o corpo de prova, em muitos casos. Os corpos de prova de PMC e CMC são planos. Eles não podem ser segurados da mesma forma que um corpo de prova metálico redondo, rosqueado ou de cabeça de botão. Para os PMCs, recomendamos garras de cunha hidráulica econômicas e fáceis de usar. Os corpos de prova de PMC são frequentemente frágeis, e a pressão uniforme das cunhas hidráulicas protege as fibras na matriz do polímero, impedindo que elas se esmaguem, e mantém a pressão correta à medida que a câmara e a cabeça da cunha aquecem. Estas garras são relativamente grandes, por isso são frequentemente combinadas com uma câmara ambiental maior. A câmara ambiental é tipicamente maior do que os fornos necessários para testes de temperatura mais alta, mas a massa térmica das garras e da câmara leva a temperaturas muito estáveis.
P: O que acontece quando você coloca as garras maiores dentro da câmara?
R: A câmara maior torna difícil a utilização de extensômetros de contato, que os engenheiros de teste normalmente utilizariam nestas aplicações. Com uma câmara menor, você pode situar a tecnologia de sensoriamento fora da câmara e permitir que ela traduza o movimento do braço de contato. Mas com uma câmara maior, não se pode traduzir efetivamente esse movimento fora da câmara porque o braço fica muito comprido. O extensômetro precisa estar dentro da câmara - mas a temperatura elevada danifica a eletrônica sensível.
P: Como você resolve este problema com extensometria?
R: Uma maneira de resolver isto é com extensometria de vídeo e correlação de imagens digitais, que podem ser localizadas fora da câmara. Uma câmara com uma janela permite olhar para dentro e medir o movimento em tempo real. Mas isto também não é isento de suas complicações. É preciso uma luz dentro da câmara para iluminar o corpo de prova para a câmera. E em algumas temperaturas, a iluminação da amostra (ou, radiação de corpo negro) reduz o contraste e a precisão da extensometria de vídeo. Desenvolvemos uma maneira de usar LEDs azuis para iluminar a câmara e filtragem ótica para minimizar os efeitos do corpo negro e aumentar o contraste.
P: Considerando todas essas questões, por que não usar, em primeiro lugar, corpos de prova redondos?
R: Os PMCs e CMCs são tipicamente projetados como componentes estruturais planos. Mesmo com metais, muitas vezes não é possível obter uma porção suficientemente grande do material para fazer uma amostra redonda, especialmente se o objetivo for testar material que tenha estado em serviço. Às vezes você extrai um pequeno exemplar de um componente maior especificamente, lâminas de turbina de motores a jato. As lâminas que veem as temperaturas de aplicação mais quentes são cultivadas a partir de sementes de cristal único com furos de resfriamento para deixar passar o ar. Estas lâminas de forma intricada não têm volume suficiente para criar um corpo de prova redondo. Quando o espaçamento interdendritical de um único cristal é semelhante às dimensões do corpo de prova, o corpo de prova pode agir de forma bem diferente de um corpo de prova volumétricos, redondo.
P: Os tradeoffs são os mesmos dentro de cada faixa de temperatura?
R: De forma alguma. Por exemplo, normalmente recomendamos as garras MTS de alta temperatura para a maioria das aplicações em alta temperatura. Mas a faixa CMC excede 1000°C e estas garras começariam a perder força. Idealmente, você quer que o aperto seja o mais quente possível para minimizar o gradiente, mas não tão quente que o próprio aperto comece a ficar macio. Se você tivesse um corpo de prova suficientemente longo, você poderia usar garras frias. Mas alguns corpos de prova não podem ser feitos por tempo suficiente, pelas mesmas razões que você não pode fazê-los redondos. E mesmo se você usar as garras frias, está introduzindo gradientes maiores, o que significa que você precisará fazer mais testes devido às variações nesses gradientes, o que acrescenta despesas.
P: Qual é a solução para segurar corpos de prova na faixa de temperatura mais quente?
R: Desenvolvemos uma garra que é ativamente resfriada de duas maneiras diferentes, dependendo da faixa de temperatura necessária. Ambos trabalham a partir do mesmo conceito, que é situar a aderência em uma área do forno que é relativamente menos quente do que a zona central. Se a zona central estiver a 1200°C, as porções superior e inferior estão mais próximas de 1000°C. Com resfriamento ativo, a alça pode permanecer na parte menos quente e ainda manter o corpo de prova no lugar com um gradiente aceitável. Para testar metais até 1000°C, desenvolvemos uma garra que é moderadamente resfriada. Para testar CMCs até 1500°C, temos uma garra que é resfriada agressivamente.
P: Por que é importante trabalhar com um fornecedor de soluções que entende o teste inteiro?
R: É importante porque há poucas soluções comerciais prontas para este tipo de teste. Muitos laboratórios tentam construir estas soluções internamente, montando componentes de diferentes fornecedores. A questão é que os tradeoffs estão muito enredados. O especialista em extensometria pode não entender como fazer sua oferta funcionar através de uma janela ou dentro de uma câmara. Os especialistas em aderência podem ser capazes de fazer com que as garras frias funcionem, mas o gradiente é tão grande que põe em questão os resultados do teste. A MTS pode montar a solução completa. A experiência em integração de sistemas é muito valiosa para testes inovadores em alta temperatura porque reduz a variabilidade e permite que você execute menos testes para obter resultados precisos.
