Como o Baowu Group resolveu os ensaios de fadiga de frequência variável com o ElectroPuls™
Enfrentando novas demandas de ensaios devido ao surgimento de veículos de energia renovável, o Instituto Central de Pesquisa do Baowu Group precisava de uma solução para ensaios de fadiga sob amplitude, frequência e temperatura variáveis — condições que as máquinas servohidráulicas tradicionais e de ressonância eletromagnética não conseguiam suportar. O Instron ElectroPuls E10000 combinou a capacidade de alta frequência com ensaios de amplitude variável programáveis em um sistema compacto e de baixa manutenção, oferecendo à equipe da Baowu uma ferramenta versátil para materiais que variam de aço a plásticos leves.
Sobre
Baosteel e WISCO — líderes da indústria siderúrgica da China — fundiram-se em setembro de 2016 para formar o Baowu Iron & Steel Group, agora o maior grupo siderúrgico da China. A Baowu está seguindo três estratégias de transformação: do aço para materiais, da fabricação para o serviço, e de líder na China para líder na indústria siderúrgica mundial.
Localização
China
Site
Para cumprir suas três estratégias de transformação, o Laboratório de Mecânica do Instituto Central de Pesquisa (Centro Técnico) da Baowu tem realizado esforços significativos no campo de materiais industriais — particularmente novos materiais de energia — através da avaliação de propriedades mecânicas e do desenvolvimento de métodos de ensaio para matérias-primas de aço.
A pesquisa e o desenvolvimento de materiais e aplicações devem acompanhar as demandas do mundo real. Considere o que acontece quando um veículo acelera: o mecanismo de acionamento ganha velocidade, atinge uma taxa de funcionamento estável, depois freia e desacelera. Esse comportamento cíclico expõe os materiais a frequências de carga que mudam de alta para baixa e para constante. Uma aplicação típica é o aço utilizado no maquinário elétrico de veículos de energia renovável. Os ensaios de fadiga tradicionais que utilizam amplitude e frequência constantes já não conseguem resolver os desafios técnicos colocados por estes novos materiais — mudanças no ambiente, velocidade, amplitude e frequência tornaram-se temas centrais na pesquisa de materiais automotivos de energia renovável.
“Estudos de desempenho mecânico de longo prazo de materiais sob frequência e amplitude variáveis serão a tendência futura”, afirmou o Dr. Fang. “No entanto, na China, ainda seguimos a norma de ensaio GB/T 15248-2008, Ensaio de Fadiga de Baixo Ciclo de Materiais Metálicos Sob Amplitude Axial Constante, que claramente não consegue atender aos requisitos de ensaio desses novos materiais. Já existe uma norma internacional — ISO 12110-1:2013, Materiais Metálicos — Ensaios de Fadiga — Ensaios de Fadiga de Amplitude Variável — Parte 1: Princípios Gerais, Método de Ensaio e Requisitos de Relatório — para testar este tipo de material, mas uma norma chinesa correspondente ainda não foi lançada.”
Com a ascensão dos veículos de energia renovável e o apoio do governo chinês, muitos fabricantes de veículos conhecidos — incluindo Tesla, Volkswagen e General Motors — já estabeleceram suas próprias normas de ensaio de fadiga de materiais. Novos conceitos, como ensaios de amplitude variável, frequência variável e temperatura variável, impõem novas exigências aos fornecedores globais de materiais. Para fornecedores de materiais, incluindo a Baowu Steel, encontrar as soluções de ensaio corretas rapidamente tornou-se um novo desafio premente.
“As propriedades mecânicas de longo prazo dos materiais sob frequências e amplitudes variáveis serão uma tendência no futuro. Para uma máquina servohidráulica tradicional, sua faixa de frequência é muito pequena, os custos de manutenção são altos e há muito ruído durante a execução de um ensaio. Se quisermos testar a fadiga de aços ultrafinos, as máquinas tradicionais de ensaio de fadiga de alta frequência por ressonância eletromagnética também são difíceis de controlar. Ambos os desafios nos levam a buscar novas soluções.”
Dr. Jian Fang
Engenheiro-chefe de Ensaios Mecânicos, Instituto Central de Pesquisa, Baowu Group
Encontrando uma Nova Solução de Ensaio
Como este é um desafio emergente, romper com os métodos de ensaio tradicionais para encontrar soluções eficientes é fundamental. Como técnico-chefe, o Dr. Fang traz uma vasta experiência em ensaios de materiais metálicos — e, em sua visão, embora existam muitas maneiras de realizar ensaios de fadiga, poucos dispositivos podem medir com precisão sob amplitude, frequência e temperatura variáveis simultaneamente.
As máquinas de ensaio de fadiga servohidráulicas são comumente usadas para ensaios de fadiga de materiais sob amplitude, frequência e temperatura variáveis, mas sua capacidade de frequência é limitada a apenas algumas dezenas de hertz — insuficiente para necessidades de ensaio de alta frequência e ineficiente. As máquinas de ensaio de fadiga de alta frequência por ressonância eletromagnética podem lidar com ensaios de alta frequência, mas carecem da capacidade de testar sob frequência e amplitude variáveis — um desafio particular ao testar materiais leves.
“Por um lado, as máquinas de fadiga servohidráulicas tradicionais são ineficientes, uma vez que a estação de bomba hidráulica tem manutenção dispendiosa e gera muito ruído”, explicou o Dr. Fang. “Por outro lado, as máquinas tradicionais de ensaio de fadiga de alta frequência por ressonância eletromagnética são difíceis de controlar ao realizar ensaios de fadiga em alguns aços ultrafinos de nível comercial. Esses desafios nos impulsionaram a encontrar novas soluções para os ensaios de fadiga.”
As máquinas de ensaio de fadiga eletrônicas dinâmicas e estáticas custam pouco para manter e podem testar sob amplitude e frequência variáveis, combinando a capacidade de alta frequência das máquinas de ressonância eletromagnética com a amplitude e frequência variáveis programáveis das máquinas de ensaio de fadiga de baixo ciclo. Isso as torna adequadas para ensaios mecânicos de materiais ultrafinos e leves. Elas também ocupam pouco espaço, são fáceis de manter e não requerem água de resfriamento ou óleo hidráulico — funcionando, em vez disso, com uma fonte de alimentação monofásica de baixo consumo de energia. O Dr. Fang sentiu-se imediatamente atraído pela máquina de ensaio eletrônica dinâmica e estática versátil e bem projetada da Instron em uma exposição do setor.
Testando para o que Vem a Seguir, Não Apenas para o que se Conhece
“Para ensaios de fadiga tradicionais, muitas vezes escolhíamos frequências as mais altas possíveis, esperando atingir o limite de fadiga em um curto período”, disse o Dr. Fang. “Mas os ensaios de fadiga para novos materiais mudaram — agora estamos curiosos sobre o que acontecerá com as propriedades de fadiga do aço sob condições de amplitude variável ou frequência variável.”
“Todos esses ensaios podem ser realizados usando o Instron E10000, e os resultados foram bem recebidos pelos nossos clientes”, disse o Dr. Fang. “Além de materiais metálicos, também usamos o E10000 para testar materiais leves de grau alimentício e plásticos. Em resumo, desde ensaios estáticos de baixa velocidade até ensaios dinâmicos de malha fechada de alta frequência, a máquina de ensaios estáticos e dinâmicos ElectroPuls pode atender a todos os nossos requisitos de ensaio.”
O Dr. Fang também enfatizou que uma vantagem significativa de trabalhar com a Instron é que os acessórios podem ser compartilhados em toda a linha de produtos — células de carga, garras e extensômetros podem ser configurados na mesma série de instrumentos, economizando tempo e custos para os clientes. “Por exemplo, o extensômetro Instron AVE pode ser usado em todo o nosso laboratório, desde uma máquina estática de 1 tonelada até uma máquina dinâmica de 25 toneladas”, disse o Dr. Fang.
Embora o Instron E10000 estivesse instalado e em uso há menos de um ano no momento da redação deste artigo, os técnicos da Baowu já haviam acumulado experiência significativa em ensaios de fadiga de amplitude e frequência variáveis usando o sistema. À medida que a indústria de energia renovável continua a crescer, espera-se que as máquinas de ensaios estáticos e dinâmicos ElectroPuls da Instron encontrem uma gama ainda mais ampla de aplicações.
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