Fadiga termomecânica - ASTM E2368 e ISO 12111

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.

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.

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.

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.