Con más de 25 años de experiencia en pruebas de materiales, metalurgia e ingeniería de sistemas, el científico del personal de MTS, Dr. Erik Schwarzkopf, aporta una experiencia única a los compromisos con los clientes. En esta sesión de preguntas y respuestas, discute los desafíos en la medición de cómo se forman, crecen y cambian las grietas.
Q: ¿Por qué es importante la medición de grietas?
A: Las grietas ocurren. Algunas se crean durante el proceso de fabricación, y algunas se desarrollan cuando se utiliza el producto o componente. Comprender cómo se forman, crecen y cambian las grietas ayuda a ingenieros y diseñadores de productos a descubrir posibles fallas en los componentes, mitigar comportamientos problemáticos de los materiales y diseñar productos y estructuras tolerantes a defectos.
Q: ¿Por qué querrían los ingenieros medir la longitud de las grietas en diferentes cargas y condiciones térmicas?
A: Los componentes se utilizan en una variedad de entornos, por lo que los ingenieros necesitan comprender cómo se comportarán en estas condiciones del mundo real. Diferentes técnicas de medición de grietas son más adecuadas para una aplicación particular según el material, la geometría del espécimen y el tipo de grieta que se está midiendo. Con frecuencia hay un compromiso entre la idoneidad para la aplicación y la facilidad de uso, ya que algunas técnicas de medición funcionan mejor en ciertos entornos que en otros. Por esta razón, puede ser especialmente desafiante medir grietas a temperaturas no ambientales; y a las temperaturas más altas, por encima del punto de fusión de la mayoría de los metales, nada funciona bien.
Q: ¿Qué métodos se utilizan para medir longitudes de grietas y cuáles son los desafíos de las diversas técnicas de medición de grietas?
A: El método más antiguo es buscar una grieta, ya sea mediante observación humana o con una cámara. Existen desafíos con este método cuando hay geometrías inusuales de los especímenes o problemas de iluminación.
Un segundo método, llamado compliance, se utiliza para una grieta que cambia la rigidez del espécimen. Con la técnica de compliance, se mide la carga y el desplazamiento y se correlaciona la pendiente de la línea carga/desplazamiento, o la rigidez, con la longitud de la grieta. La compliance es el inverso de la rigidez. A medida que la grieta crece, la rigidez disminuye y la compliance aumenta. Esta técnica se utiliza para grietas largas, no para grietas cortas como defectos superficiales o grietas en las esquinas, porque las grietas cortas no muestran un cambio significativo en la compliance del espécimen debido al crecimiento de las grietas. Rara vez se utiliza para determinar la iniciación de la grieta, porque para cuando se nota un cambio en la compliance debido a la iniciación, la grieta es grande.
Un tercer método, disponible para materiales eléctricamente conductores, es la Caída de Potencial Eléctrico en la que una fuente de alimentación impulsa una corriente constante a través del espécimen. Un espécimen grueso con baja resistencia requiere mucha corriente (típicamente más de 1 Amp, y a veces hasta 10-20 Amps) junto con mucha amplificación del potencial eléctrico medido. Para especímenes no conductores, los investigadores pegan láminas metálicas delgadas a la superficie del espécimen. La lámina y el respaldo deben ser lo suficientemente débiles como para romperse cuando el espécimen subyacente se agrieta, pero no deben fortalecer el espécimen en sí. Puede haber problemas de repetibilidad en las mediciones con las láminas, ya que pueden colocarse de manera inconsistente, o el pegamento puede tener diferentes grosores.
Otro método que se puede utilizar en especímenes frágiles como la roca es la emisión acústica. En este caso, se coloca un micrófono sobre el espécimen para medir el sonido. Los inconvenientes de este método pueden ser que puede ser difícil localizar la grieta o determinar cuán larga es.
Q: ¿Qué soluciones ofrece MTS para la medición de la longitud de grietas?
A: MTS ofrece extensómetros que se pueden utilizar en mediciones de compliance para una variedad de tamaños de especímenes. La longitud de gage comprimido típica es de 5 mm a 12 mm, y el desplazamiento típico es de 3 mm a 5 mm. MTS tiene extensómetros para temperatura ambiente y temperatura elevada, incluidos aquellos que se pueden utilizar dentro de una cámara ambiental.
También contamos con un sistema de Caída de Potencial de Corriente Continua (DCPD) que proporciona una corriente constante entre 1 amp y 20 amps y se utiliza comúnmente para especímenes metálicos, que requieren amplificación de 5000x o más. Nuestros sistemas DCPD comienzan con una amplificación de 5000x o más y pueden llegar hasta 100000x. En contraste, los acondicionadores de gage de deformación comienzan en 500x y pueden llegar a 5000x, pero no pueden llegar a 50000x.
Una de las ventajas de elegir un sistema DCPD de MTS es que podemos ofrecer el software, la electrónica y el marco de carga para una solución completa. Nuestros marcos de carga están eléctricamente aislados, lo cual es importante porque deseas que la corriente pase a través del espécimen, no por el marco exterior. También podemos hacer que nuestras mordazas estén eléctricamente aisladas. MTS ha utilizado soluciones DCPD en pruebas tanto estáticas como dinámicas.
Finalmente, MTS ofrece soluciones de emisión acústica para mecánica de rocas.
Q: ¿Cómo puede la medición de grietas impactar el diseño o la vida de una pieza nueva o existente?
A: Si puedes entender dónde está una grieta y durante qué proceso ocurrió, puedes mitigar el riesgo. Si comprendes cómo crece la grieta y cuándo, puedes rediseñar geometrías y tomar decisiones sobre ciclos de inspección y ciclos de retiro. La medición de grietas ayuda a determinar qué áreas necesitan ser reexaminadas o rediseñadas.
Q: ¿Qué depara el futuro para la medición de la longitud de grietas?
A: El interés en desarrollar materiales más ligeros y combustibles alternativos para aumentar la eficiencia energética, así como en desarrollar materiales que puedan resistir ambientes más cálidos y corrosivos, son preocupaciones a nivel mundial que están creando nuevos desafíos en las pruebas de materiales. Actualmente faltan técnicas experimentales para estos nuevos materiales a estas nuevas temperaturas. Por ejemplo, si necesitas probar componentes de motores a temperaturas más altas y no puedes sujetar el componente con una mordaza de metal porque se derretiría, eso crea un problema. Por supuesto, no todo va a estar caliente, y los investigadores pueden monitorear las grietas de forma remota con sensores en regiones más frías, pero entonces el investigador debe determinar cuánto del valor medido se debe a una grieta y cuánto son artefactos experimentales. El investigador debe comprender la interacción de varios componentes experimentales.
También hay interés en cambiar la temperatura durante el ciclo de carga y observar simultáneamente la fatiga termomecánica y el crecimiento de grietas por fatiga. Si se utilizan técnicas de potencial eléctrico, debes determinar cuánto de la resistencia eléctrica se debe a la temperatura y cuánto a la longitud de la grieta. Se deberán desarrollar nuevos estándares y técnicas para medir lo que está sucediendo con nuevos materiales a temperaturas más altas.
