Il dott. Christoph Leser ha quasi 30 anni di esperienza come ricercatore, ingegnere di test, ingegnere applicativo e consulente di test ed è presidente della commissione dell'ASTM. Qui, il dott. Leser descrive come i ricercatori di materiali possono ottenere risultati coerenti nei test di fatica termomeccanica (TMF).
D: Perché c'è un interesse crescente verso i test TMF?
R: Due delle aree più interessanti della ricerca e sviluppo sui materiali oggi sono legate alle turbine utilizzate nel settore aerospaziale e nella produzione di energia. In entrambi i casi, i progettisti stanno portando l'efficienza operativa e l'affidabilità oltre ogni precedente aspettativa. Per farlo, sono necessari componenti e strutture delle turbine in grado di resistere a temperature più elevate per periodi di tempo più lunghi e in diverse condizioni di carico ciclico. I materiali in esame comprendono superleghe innovative, compositi a matrice ceramica, rivestimenti ceramici e altro ancora. Conoscere la reazione di questi materiali alle variazioni simultanee di temperatura e carico rende il TMF una parte essenziale del processo di ricerca e sviluppo.
D: Può descrivere i meccanismi e gli obiettivi dei test TMF?
R: I test TMF sono un tipo di test a fatica che simula il più fedelmente possibile le condizioni di funzionamento reali dei componenti realizzati. In particolare, i test TMF caratterizzano la risposta dei materiali al carico meccanico ciclico simultaneo e alla fluttuazione della temperatura, che producono una risposta sinergica non facile da prevedere con i test di fatica isotermici. I dati generati dai test TMF aiutano i ricercatori a definire il comportamento dei componenti e a convalidare i modelli esistenti in un ambiente di test controllato.
D: Quali sono le sfide uniche dei test TMF?
R: Il TMF può risultare complicato perché utilizza cicli meccanici e termici in fase e fuori fase. Lo sfasamento tra la deformazione indotta dalla temperatura e quella indotta meccanicamente invita a numerose interpretazioni del comportamento dei materiali. È necessario applicare il calore tramite metodi radianti o a induzione, che possono richiedere il raffreddamento. Le apparecchiature di test e i dispositivi di fissaggio devono essere in grado di resistere ad alte temperature. Acquisire dati accurati è difficile perché i sistemi ad alta precisione si comportano in modo diverso a temperature molto elevate. Il tipo di materiale testato influenza ogni configurazione e ci sono diverse opzioni per la strumentazione, il riscaldamento, il raffreddamento e l'allestimento. Per tutti questi motivi, i test TMF tendono a essere personalizzati e complessi.
D: Data questa complessità, in che modo i ricercatori possono sperare di ottenere risultati coerenti tra un test e l'altro e tra un laboratorio e l'altro?
R: Gli standard dei test, come ISO 12111 e ASTM E2368, delineano le migliori prassi per la caratterizzazione dei materiali sottoposti a carichi contemporaneamente termici e meccanici. Inoltre, il Codice di condotta europeo convalidato per i test di fatica termomeccanica controllata dalla deformazione, creato da un consorzio di partner internazionali, è un'altra valida risorsa per stabilire la coerenza dei test. Come ho già detto, una delle grandi sfide del TMF è che la deformazione totale comprende componenti termiche e meccaniche, e bisogna conoscere la distribuzione precisa. Per questo motivo, il Codice di condotta riduce il comando di sfasamento a due possibilità: cicli in fase (massima deformazione alla massima temperatura) e fuori fase (massima deformazione alla minima temperatura). Il codice comprende anche tutti i passaggi necessari per eseguire il test, dalla calibrazione alla stesura dei dati.
D: Come fanno i ricercatori ad accertarsi di rispettare i requisiti del Codice di condotta?
R: I ricercatori possono attenersi al codice, e affrontare la complessità dei test TMF, grazie a soluzioni software avanzate. MTS offre un modello di TMF per il software multiuso MTS TestSuite™ per i test secondo gli standard ASTM e ISO e il Codice di condotta europeo convalidato per i test di fatica termomeccanica a deformazione controllata. Il modello è completamente trasparente e fornisce una visione completa dei suoi algoritmi e dei suoi calcoli, in modo che i ricercatori possano usarlo per interpretare gli standard in modi diversi e possano modificarlo per ottenere nuove informazioni. Tutta questa flessibilità consente di eseguire molti test TMF diversi per una vasta gamma di campioni in materiali e forme diverse.
D: Quali caratteristiche del modello e del software sono particolarmente adatte ai test TMF?
R: Ogni compito del Codice di condotta è rappresentato nel modello da un pulsante del pannello di comando e ogni pulsante è definito da un blocco di programma modificabile dall'utente. In pratica, se si vede, si può modificare. Questo vale per i calcoli e il flusso di lavoro del test, oltre che per la rappresentazione visiva dei dati durante il test, che offre viste illimitate ed è configurabile dall'utente. Si applica anche ai risultati, in modo da poter esportare i dati e presentare i risultati nel formato più adatto alle proprie esigenze.
D: Che cosa c'è all'orizzonte per i test TMF?
R: Una delle maggiori tendenze nel campo dei test è l'integrazione della modellazione. MTS, insieme a uno dei suoi partner, ha sviluppato una soluzione per migliorare la previsione delle capacità di riscaldamento. Questa nuova soluzione consente di modellare il campione, la bobina e il morsetto per capire quali valori, tassi e distribuzione della temperatura possono essere raggiunti per il campione prima di costruire l'hardware.
