Grazie a un dottorato di ricerca in metallurgia meccanica e a diversi decenni di esperienza nei test ad alte temperature, Erik Schwarzkopf, ingegnere di ricerca e sviluppo e scienziato dello staff di MTS, illustra le sfide legate al mantenimento di un controllo preciso delle temperature di test.
D: Perché la temperatura è così importante per il test dei materiali, in particolare per i test isotermici LCF e HCF?
R: Gli ingegneri devono capire come cambiano le proprietà di un materiale a diverse temperature in modo da poter disegnare prodotti e componenti in grado di fornire prestazioni affidabili alle temperature presenti negli ambienti operativi. I test a fatica a basso numero di cicli (LCF) e a fatica ad alto numero di cicli (HCF) durano diverse ore, per cui la stabilità della temperatura è fondamentale. Durante il test, un cambiamento di cinque o dieci gradi può significare un'importante incertezza ai risultati.
D: Come misurare la temperatura durante una tipica configurazione da test?
R: Il metodo più comune è una termocoppia, che ha due conduttori metallici (fili). Il flusso di corrente attraverso la giunzione dei fili è proporzionale alla temperatura della giunzione. I fili sono tipicamente fissati al campione in modo che la temperatura alla giunzione sia la stessa del campione. Per i test ad altre temperature, i ricercatori utilizzano le termocoppie di tipo R con fili di platino e rodio, sebbene le termocoppie di tipo K con fili in chromel alumel siano una scelta più economiche. Le applicazioni a bassa temperatura e alta sensibilità richiedono termocoppie di tipo J in ferro e constantana.
D: Come si controlla la temperatura durante un test?
R: L'uscita di un controllore proporzionale-integrale-derivativo (PID) può essere utilizzata per alimentare un sistema di riscaldamento attorno al campione. All'interno della camera o della fornace, è possibile utilizzare uno o più controller per gestire diverse aree dello spazio interno. L'idea è quella di controllare in modo che la temperatura resti uniforme in tutto il campione, anche se ci sono sacche di temperatura variabile in altre postazioni.
D: La temperatura varia davvero nelle varie zone della fornace?
R:Sì. Se il controller della temperatura manda le stesse istruzioni a tre elementi di riscaldamento all'interno della fornace, il gradiente del campione sarà abbastanza grande da mettere in discussione i risultati del test. Ovviamente, questo è inaccettabile. È anche inutile. È possibile controllare la temperatura in modo efficace, ma è necessario comprendere i meccanismi termodinamici in atto. I gradienti si verificano perché il treno di carico si estende all'esterno del forno fino alla cella di carico e all'attuatore, che si trovano a temperatura ambiente. Il calore della fornace viene trasferito a queste porzioni di ambiente per conduzione, mentre gli elementi riscaldanti continuano ad aggiungere calore, ma queste azioni non avvengono alla stessa velocità. Con il controllo a zone multiple, creiamo dei "tamponi" che spingono i gradienti più grandi lontano dalla lunghezza del calibro del campione, verso i gambi o addirittura le aste di spinta. In questo modo, il gradiente nella sezione ridotta del campione sarà ragionevolmente piccolo.
D: Quanto dev'essere piccolo il gradiente nel campione?
R: Dipende dallo standard. Le diverse specifiche nazionali e internazionali dei test LCF e HCF non sono concordi sui gradienti. In genere, il gradiente massimo nella lunghezza del calibro è pari a pochi punti percentuali della temperatura nominale del test. Quindi, se la temperatura del test nominale è di 500 °C, la sezione ridotta dovrebbe avere un gradiente di non più di 5 °C o 10 °C, o di uno o due punti percentuali. In un sistema di test ben progettato, il gradiente nella sezione ridotta può essere mantenuto entro un punto percentuale dalla temperatura desiderata. La fornace trizona MTS modello 653.04, ad esempio, può conservare il gradiente a ±2 °C oltre una lunghezza del calibro di 25 mm a una temperatura nominale di test di 800 °C, che rispetta perfettamente le specifiche ASTM e ISO.
D: Quanto tempo è necessario per raggiungere la temperatura di test desiderata?
R: Può essere necessaria un'ora per l'avvio, l'immersione del campione e il raggiungimento dell'equilibrio nel campione e nel treno di carico. Se l'avvio è troppo rapido è possibile incorrere in una sovraelongazione o danneggiamento del campione o aggiungere ancora più tempo per il raffreddamento e il riscaldamento. Negli anni, diversi laboratori hanno tentato di minimizzare il tempo di avvio perché potrebbe ostacolare la produttività. Per alcune prove di trazione, è possibile preriscaldare i campioni e caricare i treni in forni di riserva, per poi installarli nel sistema di test al momento opportuno. Altri laboratori hanno sperimentato tassi di riscaldamento variabili in ciascuna zona della fornace, che possono contribuire a ridurre i tempi di immersione. I modelli LCF e HCF ad alta temperatura per il software MTS TestSuite™ MP Elite, ad esempio, utilizzano profili complessi per portare rapidamente in temperatura le zone esterne, per poi far avviare accuratamente la zona interna che contiene il campione. Tuttavia, in molti casi, le specifiche del test dettano i tempi di immersione.
D: Più la fornace è grande, meglio è. È sempre vero?
R: Dipende da cosa si intende per "più grande" e "migliore". Una fornace potrebbe avere una temperatura massima più alta, più isolamento della fornace, un interno più grande, zone di riscaldamento più lunghe o più zone di controllo. La domanda da porsi è: quali sono i compromessi? Più zone di controllo offrono gradienti minori nel campione, ma hanno un costo più alto. Anche le zone di riscaldamento più lunghe riducono i gradienti, ma richiedono aste di spinta ad alta temperatura. Un maggiore isolamento migliora la stabilità ma rende più difficile il recupero dalla sovraelongazione. Utilizzare una fornace da 1000 °C per un test da 150 °C comprometterà il controllo della temperatura. L'elenco continua.
D: Che cos'altro è importante per il controllo preciso della temperatura?
R: Prima di scegliere gli accessori, come la fornace o i morsetti, è necessario pensare all'applicazione nel suo insieme: temperatura desiderata per, forma del campione, tempo e gradiente del campione. Devi anche pensare al modo in cui riscalderai il campione e gestirai la temperatura durante il test. Il metodo più comune è un test isotermico utilizzando una fornace a resistenza con termocoppie a contatto con il campione. Le termocoppie sono saldate a punti al gambo del campione, non la sezione ridotta, perché possono essere posti da cui si aprono delle crepe. Inoltre, i ricercatori dovrebbero sfruttare al meglio le attuali conoscenze note per i test ad alte temperature. Non molto tempo fa, l'approccio classico era quello per tentativi. Oggi, è possibile scegliere un percorso più intelligente e ottenere risultati più precisi.
