Fadiga termomecânica - ASTM E2368 e ISO 12111
Para a realização de projetos e construção de componentes sujeitos a cargas cíclicas térmicas e mecânicas, simultaneamente, como em turbinas a gás ou motores de combustão, é necessário ter valores característicos confiáveis para a previsão do ciclo de vida à fadiga e do comportamento de deformação cíclica nas condições operacionais existentes. Na determinação da fadiga termomecânica (TMF, thermo mechanical fatigue) são determinados os valores característicos necessários do material por meio da combinação de cargas cíclicas térmicas e mecânicas de fases iguais ou de fases deslocadas.
O ensaio TMF é descrito nas seguintes normas específicas: ASTM E2368, ISO 12111 e no Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing.
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O que se entende por fadiga termomecânica?
Além da alta confiabilidade na operação prolongada, turbinas de usinas elétricas e turbinas de aeronaves precisam apresentar resistência suficiente a variações de carga a curto prazo e aos processos de arranque e paragem. A fadiga termomecânica (TMF, thermo-mechanical fatigue) é a simulação de referida tensão mecânica causada pela dilatação térmica do material. Durante o arranque, todos os componentes aquecem desde a temperatura ambiente até à temperatura operacional, o que é acompanhado por uma dilatação do material. Esta dilatação gera tensão no material a qual deve ser conhecida com exatidão para evitar danos nos componentes. Para componentes compósitos como, por exemplo, hélice de turbinas com camadas cerâmicas de isolamento térmico, a incompatibilidade térmica entre os componentes metálicos e cerâmicos leva a outro componente de carga o qual deve ser levado em consideração no projeto. Além disso, o ciclo de vida à fadiga é influenciado durante a operação pela formação de camadas de óxido.
Normas relevantes para a fadiga termomecânica
Os requisitos quanto ao ensaio TMF-Test são detalhados nas seguintes normas:
- ASTM E2368 Standard Practice for Strain Controlled Thermomechanical Fatigue Testing
- ISO 12111 Metallic materials - Fatigue testing - Strain-controlled thermomechanical fatigue testing method
- Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing
Execução do ensaio TMF conforme ASTM E2368 e ISO 12111
Na determinação da fadiga termodinâmica conforme ASTM E2368 e ISO 12111 a amostra é aquecida ciclicamente e simultaneamente exposta a uma tensão mecânica de mesma fase ou de fase oposta. Dependendo dos mecanismos de dano a serem ensaiados, diferentes curvas de temperatura e deformação mecânica serão selecionados. Essas curvas são frequentemente triangulares ou podem ser ampliados com tempos de espera, por exemplo, à temperatura máxima. Com isso, a deformação e a temperatura podem ser aplicadas em momentos diferentes. Esse desfasamento entre as cargas cíclicas térmica e mecânica influencia significativamente o ciclo de vida à fadiga assim como a deformação plástica do material.
Os ensaios TMF mais frequentes (com e sem mudança de fase) são:
- IP (in phase): a amostra é exposta simultaneamente à expansão térmica causada pelo aquecimento e à deformação mecânica causada pela força de tração
- OP (out of phase): a amostra sofre simultaneamente deformação térmica causada pelo aquecimento e ao esmagamento causado pela força de compressão
- CD (clockwise diamond)
- CCD (counterclockwise diamond)
Ensaios TMF são predominantemente executados sob controle de deformação, uma vez que a carga atuante sobre o componente é gerada pelo impedimento da deformação térmica. Os ensaios de tensão controlada são por vezes associados a amostras não uniforme, por exemplo, com entalhes, uma vez que aqui a medição da deformação na base do entalhe não é possível. Em ambos os casos somente é possível a medição e a regulagem da deformação total (εt). Ela é composta pela deformação térmica (εth) e a deformação mecânica (εme): Fórmula εt = εth + εme. Para carregar a amostra com deformação mecânica desejada, para além da deformação térmica, a medição da deformação térmica com a de temperatura definida é feita previamente com base no tempo e considerada no ensaio próprio na regulagem da deformação total.
Determinação do módulo de Young antes de qualquer ensaio TMF
O Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing recomenda antes de qualquer ensaio TMF determinar o módulo de elasticidade a temperatura ambiente, à temperatura mínima, à temperatura máxima e no mínimo a um valor de temperatura média adicional. Também as duas normas ASTM E2368 e ISO 12111 exigem a medição do módulo de Young à temperatura mínima, média e máxima de um ciclo térmico.
A comparação subsequente do valor de Young medido com os dados de um banco de dados de referência permite a verificação das grandezas de regulagem e de medição corretas de força, deformação e temperatura. Quando os valores medidos se situam dentro dos limites de tolerância de no máx. 5% da diferença de tensão a ser esperada com a força mínima e a força máxima, o modo de ensaio correto estará assegurado.
Medição de deformação conforme ASTM E2368 e ISO 12111
A ASTM E2368 exige um extensômetro que corresponde no mínimo à classe de exatidão B-2 conforme ASTM E83. A norma ISO 12111 e o Validated Code-of-Practice indicam um extensômetro da classe de exatidão 1 ou melhor conforme ISO 9513. Para amostras com comprimento de medição inferior a 15 mm, o extensômetro deve ser da classe de exatidão 0,5 conforme ISO 9513.
Outros requisitos quanto à medição de deformação na análise da fadiga termomecânica:
- O extensômetro deve ser adequado para a medição de deformação dinâmica por tempo prolongado e nisso garantir a minimização de drift, escorregamento e histerese.
- O extensômetro deve ser protegido de variações e/ou influências térmicas com o auxílio de refrigeração ativa, por ex. refrigeração a água.
- A pressão de contato do extensômetro na amostra deve ser a menor possível sem danificar a superfície da amostra.
- A montagem do extensômetro deve ser assegurada de modo que durante o aquecimento da amostra e da dilatação correlacionada a medição de deformação não é comprometida e impede-se o escorregamento dos braços de medição na amostra.
Sistema de ensaio para determinação da fadiga termomecânica
Para o ensaio de fadiga termomecânica a ZwickRoell em Fürstenfeld desenvolveu em estreita cooperação com o Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT) um sistema de ensaio específico. Para tal, a Kappa 100 SS-CF foi equipada com um sistema de aquecimento por indução para o range de temperatura de 50°C até 1.200°C e um sistema de arrefecimento por ar. Esta máquina eletromecânica de ensaios de fluência com passagem pelo ponto zero sem folga está comprovada há anos para a execução de ensaios com ciclos de carga de baixa frequência. A Kappa SS-CF faz nas cargas cíclicas de tração e de compressão a regulagem sem folga na passagem pelo ponto zero, conforme estabelecido nas normas ASTM E2368 e ISO 12111.
Para a fixação segura da amostra a máquina de ensaios está equipada com garras hidráulicas com refrigeração a água. A refrigeração a água permite a rápida estabilização da temperatura ao longo da amostra e providencia a dissipação direta do calor do cabeçote da amostra. A medição de deformação confiável durante o ensaio TMF é feita por intermédio de um extensômetro de contato com sensores de cerâmica e refrigeração a água.
Este sistema de ensaio para determinação da fadiga termomecânica atende a todos os requisitos das normas usuais ASTM E2368, ISO 12111 e do Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing.
Os componentes para o ensaio TMF também podem ser instalados em máquinas de ensaios servo-hidráulicas.
Distribuição de temperatura otimizada no ensaio TMF
Conforme o Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing, o desvio de temperatura do valor definido no segmento de medição de amostras é < 10K bzw. < ±2% da diferença de temperatura. Dependendo do formato e do material da amostra, taxas de aquecimento e de arrefecimento de até 25 K/s são possíveis. Para alcançar as taxas de aquecimento e de arrefecimento máximas previstas nas normas, os ensaios TMF utilizam um sistema de aquecimento por indução e válvulas de refrigeração de arranjo específico.
O sistema de aquecimento por indução com potência de aquecimento individualmente regulável permite o ensaio de diferentes materiais de amostra com diferentes condutibilidades elétricas. Indutores de amostras específicas providenciam a distribuição otimizada da temperatura na amostra. Válvulas de regulagem de pressão proporcionais e quatro válvulas de jato plano em arranjo simétrico asseguram a regulagem precisa do fluxo de ar. As válvulas de refrigeração são ajustáveis e a posição é reprodutível para ensaios posteriores.
A medição de temperatura é feita conforme as normas ASTM E2368 e ISO 12111 por intermédio de termoelementos de fita diretamente na amostra. Eles são fixados no centro do segmento de medição de amostras de forma fácil e confiável. A pré-tensão de mola ajustável providencia a pressão de contato confiável.