Reduzindo a variabilidade em ensaios de materiais em alta temperatura
Aumentar a eficiência dos motores de aeronaves exige não apenas inovação em materiais e design, mas também melhorias na qualidade dos dados de ensaio.
A fadiga de baixo ciclo (LCF) em temperaturas elevadas (até 1000°C) tem sido uma área importante de ensaios na indústria aeroespacial há décadas. O objetivo é simular as condições agressivas de carregamento às quais os materiais são submetidos em componentes críticos de turbinas, gerando dados para uso na seleção de materiais ou processos, liberação de lotes ou, mais recentemente, para simulação.
A busca por maior fidelidade nessa simulação levou a um foco renovado nos dados de ensaio de LCF. Uma das motivações subjacentes é a demanda por menores emissões de carbono. Um pequeno aumento na temperatura utilizável, no local certo, pode proporcionar uma melhoria mensurável na eficiência. Embora o uso de compósitos estruturais tenha proporcionado reduções impressionantes no peso das aeronaves, melhorar a eficiência dos motores é um ganho fácil para as emissões.
O que significam dados melhores?
Todo comportamento de fadiga de materiais apresenta dispersão ou distribuição, portanto, o projeto e a simulação usam valores estatísticos de limite de confiança para levar isso em conta. No entanto, nem toda a dispersão se deve apenas à variação real do material; alguma aleatoriedade adicional é introduzida pelo próprio procedimento de ensaio. A variação na operação do sistema de ensaio (seja pela mecânica ou pelo operador) significa que, mesmo que fosse possível reensaiar o mesmo corpo de prova, provavelmente ele apresentaria um resultado ligeiramente diferente. Isso significa que, às vezes, os valores admissíveis de projeto podem ser melhorados simplesmente coletando dados melhores!
Como comunidade de engenheiros de ensaio, muitas vezes nos concentramos de forma obsessiva na simples exatidão, mas ficou claro que isso, por si só, não é suficiente; a repetibilidade é vital. Os caminhos para a melhoria se resumem a melhores controles mecânicos e térmicos, mas suas implicações podem não ser o que você espera. Trabalhando em colaboração com nossos clientes, a Instron desenvolveu soluções em três áreas-chave que desafiaram fabricantes e profissionais de ensaio nas últimas décadas.
Estímulos mecânicos
Em primeiro lugar, a fixação e o alinhamento dos corpos de prova são uma grande fonte de variabilidade. Muitos projetos de garras teoricamente sólidos foram usados no passado, mas não necessariamente ajudam a obter carregamento repetível. O essencial é usar recursos de posicionamento apropriados no corpo de prova, aplicar tolerâncias rigorosas tanto à garra quanto ao corpo de prova e uma ação de fixação sem qualquer movimento fora do eixo. Simultaneamente, é necessária alta rigidez lateral de todo o sistema para manter esse alinhamento durante um ensaio — é importante perceber que a maior parte da complacência lateral no corpo de prova não vem da estrutura de carga, mas sim da flexão das hastes de tração e do trem de acionamento.
Em segundo lugar, a fidelidade do controle do ensaio mecânico é importante. Isso pode parecer óbvio, mas não é trivial de alcançar, a menos que o sistema de controle da estrutura de ensaio seja ajustado de forma eficaz e consistente. Tem sido prática comum permitir que os primeiros 10 ciclos de fadiga tenham considerável margem para “envolver” em direção ao carregamento-alvo; no entanto, esses ciclos iniciais costumam ser os mais críticos, quando o material está mudando mais rapidamente (endurecendo ou amolecendo). Historicamente, o ajuste era uma operação especializada, em que o “bom” era altamente subjetivo. Os mais recentes algoritmos patenteados de ajuste baseados em rigidez da Instron eliminam qualquer risco de sobrecarga ou pré-ciclagem de um corpo de prova durante a configuração do ensaio, ao mesmo tempo em que alcançam um controle de ensaio quase idêntico entre diferentes operadores, máquinas e até laboratórios.
Controle e medição térmicos
Em terceiro lugar, a Instron automatizou completamente o controle da temperatura do corpo de prova. O hardware de controle de fornos na maioria dos laboratórios permaneceu surpreendentemente primitivo, controlando manualmente as três zonas do forno de forma independente — exigindo um extenso trabalho pré-ensaio, especializado e demorado. Os mais recentes sistemas de controle de forno da Instron são totalmente pré-ajustados e usam múltiplas medições de temperatura do corpo de prova para controlar o forno de forma adaptativa, sem qualquer intervenção do operador. Cada ensaio é conduzido automaticamente na temperatura pretendida, com tempos de aquecimento mais rápidos, ao mesmo tempo em que minimiza o overshoot de temperatura e o gradiente no corpo de prova. A interface totalmente computadorizada permite que recursos como calibrações de termopares sejam adicionados e que uma ampla variedade de métricas seja registrada, melhorando significativamente a rastreabilidade.
Padronização internacional
O que geralmente é considerado “melhor prática” no setor aeroespacial ainda está significativamente à frente da padronização internacional pública, como ISO, ASTM, JSA (Japanese Standards Association) e BSI (British Standards Institute). Obviamente, empresas ou grupos específicos usam especificações internas de ensaio ou normas comerciais, mas elas não são publicadas abertamente para toda a comunidade. Os requisitos da Nadcap são moderadamente rigorosos, mas são limitados pelo fato de que seu papel é apenas garantir a boa implementação de qualquer especificação de ensaio específica. A essência de normas como ASTM E606 e ISO 12106 está bem estabelecida, embora haja discussão contínua sobre como mantê-las e melhorá-las. Algumas das considerações envolvem a geometria do corpo de prova e os requisitos de acabamento — especialmente como implementá-los no contexto de corpos de prova fabricados por manufatura aditiva —, mas também sobre melhorar a robustez dos requisitos de qualidade para o controle do ensaio. Para profissionais experientes, vale notar que está disponível um método um pouco mais rigoroso de verificação de alinhamento para equipamentos de ensaio de fadiga (ISO 23788) e, em 2022, a ISO publicou uma especificação técnica para verificação da medição de temperatura do corpo de prova (ISO 21913).
Os principais laboratórios de ensaio para a indústria aeroespacial estão bem cientes disso e fornecem requisitos claros e rigorosos para novos equipamentos, mas muitos laboratórios de pesquisa pequenos ou novos não têm conhecimento dessas exigências mais rigorosas. Consequentemente, tornou-se mais importante do que nunca que os fornecedores de equipamentos mantenham um bom entendimento das necessidades do mercado, ajudando novos laboratórios a ingressar na comunidade de ensaios no “estado da arte”.
Conclusão
As demandas ambientais e sociais atuais sobre a indústria estão se combinando com anos de melhoria em projeto e simulação para promover o desenvolvimento de maior eficiência em turbinas a gás e na geração de energia em geral. Na indústria de ensaios de materiais, devemos responder apoiando o setor de engenharia com equipamentos que proporcionem o mais alto nível possível de confiança nos dados e facilitem boas práticas científicas para garantir a reprodutibilidade dos experimentos. Os avanços recentes no projeto de equipamentos discutidos neste artigo exemplificam esse princípio e atenderam à necessidade industrial de melhorar a consistência dos dados de ensaio, removendo os efeitos ocultos de alinhamento, controle do ensaio e controle de temperatura.
Sobre o Autor
Peter Bailey, Ph.D.
Dr. Bailey é o principal especialista em aplicações para ensaios de fadiga e mecânica da fratura na Instron. Ele está baseado em High Wycombe, Reino Unido, na fábrica da empresa e centro de excelência para ensaios dinâmicos. Com mais de 20 anos de experiência em ciência experimental de materiais, ele também participa do desenvolvimento de normas, como coordenador de grupo de trabalho e delegado do Reino Unido no comitê técnico ISO TC164, além de colaborador do comitê ASTM E08.