No atual ambiente industrial, no qual tudo precisa ser rápido, ficar esperando para que uma amostra seja ensaiada pode causar atrasos que não são desejados no despacho de produtos e, ainda, podem afetar de forma potencial os lucros trimestrais e anuais
Se os materiais precisam ter desempenho em temperaturas elevadas, em geral, os fornecedores precisam certificar suas peças. As propriedades mecânicas em temperaturas elevadas de um material podem ser determinadas por meio de um ensaio de tração a quente. Há diversas configurações de ensaio e de técnicas de aquecimento, as quais podem variar de acordo com a aplicação. Em geral, o equipamento necessário para este tipo de ensaio é um sistema com carregamento mecânico para aplicar carga a uma amostra e um equipamento para aquecer a amostra. O sistema também inclui componentes para controle, medição e coleta de dados.
Este artigo discutirá uma configuração de ensaio comum. O equipamento necessário para realizar este ensaio é uma Máquina de Ensaio Universal (UTM – Universal Test Machine), um forno e um extensômetro (Fig.1). A UTM deve ser equipada com acopladores, tirantes e adaptadores de mudança rápida. O sistema deve ser equipado com termopares calibrados e instrumentos para medir, controlar e registrar as temperaturas do forno e da amostra. A seleção do extensômetro depende das necessidades de aplicação.
Estrutura da Máquina de Ensaio de Tração
A seleção da estrutura da UTM deverá ser baseada nas especificações de ensaio que serão seguidas. Há dois tipos básicos de UTM disponíveis no mercado: um modelo eletromecânico e um servo-hidráulico. Cada um tendo vantagens distintas e que deveriam ser exploradas por um técnico de aplicação com conhecimentos específicos. Quando é feita a avaliação de um equipamento de ensaio deste tipo para as capacidades de um laboratório, é importante notar que, às vezes, é possível reequipar uma estrutura UTM já existente para adicionar os itens para o ensaio de tração a quente.
Os acopladores, tirantes e adaptadores de mudança rápida devem ser produzidos com um material que suporte as temperaturas elevadas do interior do forno.
Fornos
Um tipo de forno comum utilizado para os ensaios de tração a quente é um forno com múltiplas zonas, como o modelo ATS 3210 tubular bi-partido (Fig.2). O forno com configuração de múltiplas zonas permite um controle mais estreito das tolerâncias. A construção de partida do forno permite um carregamento e descarregamento mais rápido da amostra. As características de construção de um forno padrão incluem um isolamento rígido com baixo fator K (valor da condutividade térmica), uma carcaça e flanges de aço inoxidável e elementos de aquecimento que possam ser substituídos.
As temperaturas de ensaio, tanto do forno quanto da amostra, precisam ser controladas de forma precisa, isto porque há uma dependência muito forte da dutilidade em tração com a temperatura. Por esta razão, três termopares calibrados são fixados na superfície da amostra (Fig.3). Isto assegura um controle preciso da temperatura e uma uniformidade de temperaturas na amostra.
Extensômetro
Um extensômetro é utilizado para medir as mudanças no comprimento da amostra. Há diversos tipos de extensômetros disponíveis e a seleção do tipo de extensômetro é função das necessidades do ensaio. Os extensômetros disponíveis podem ser tanto montados pela lateral, como pela base ou do tipo a laser.
O método preferível é utilizar uma estrutura do tipo haste e tubo, como o modelo ATS 4112-T. Com a estrutura pronta, é necessário somente um grampo para o extensômetro e ele é anexado somente quando o forno estiver pronto para o ensaio. Isto permite que o operador monte diversos fornos e amostras para pré-aquecimento ao mesmo tempo em que elimina qualquer movimentação do extensômetro em relação à amostra durante a colocação do forno na estrutura para o ensaio.
Aumentando a Produtividade
A montagem do ensaio de tração a quente é simples e pode ser completada em poucos minutos. O operador que realizará o ensaio deve assegurar que o acoplamento, os tirantes e os adaptadores estejam montados de forma correta na UTM. As amostras (já com os termopares afixados) são então carregadas dentro do forno, conforme as instruções do procedimento de aplicação do ensaio. O forno é fechado e, então, é iniciado o processo de aquecimento, com todas as temperaturas sendo controladas e registradas por um programa de computador, como o ATS WinHT.
O WinHT tem um controle de temperatura preciso, o qual mantém a temperatura dentro dos requisitos rigorosos da Nadcap (Programa Nacional de Acreditação de Fornecedores de Defesa e Aeroespaciais dos EUA) e da ASTM (American Society for Testing and Materials). O WinHT tem uma compensação de potência pré-preventiva, a qual elimina automaticamente as alterações de temperatura devido a variações de voltagem na linha. Ele criará relatórios e gráficos para cada amostra.
Uma vez que a amostra esteja pronta ela será carregada dentro da estrutura de ensaio, o extensômetro será colocado no lugar e o teste será realizado. Dentro de minutos, o ensaio será finalizado e os dados armazenados. Estes dados podem ser utilizados pelo operador para determinar a resistência à tração, o limite de escoamento, a dutilidade e a resistência máxima.
As especificações do ensaio e os métodos de produção do material da amostra determinam a taxa de aquecimento. É bastante comum encontrar a exigência de uma taxa de aquecimento lenta com um tempo de encharque adicional de 10 a 60 minutos antes da aplicação da carga. Com estes tempos de espera longos para o forno e a amostra atingirem temperatura, é difícil testar mais do que algumas amostras em qualquer dia de trabalho padrão.
Com o objetivo de aumentar a produtividade nos ensaios de laboratório, pode ser utilizado um sistema de carrossel conjuntamente com o programa WinHT ao invés de um único forno. Um sistema de carrossel típico terá 3, 4 ou 6 fornos, os quais são articulados por um apoio central e podem ser facilmente carregados na estrutura do ensaio. Se, por exemplo, for utilizada a opção com 6 fornos, o operador pode montar os seis ensaios, utilizando dois tirantes em cada, acopladores para a amostra e extensômetro (o qual mede a quantidade de alongamento que a amostra sofre durante o ensaio) para montar ambas as extremidades da amostra (Fig.4).
O operador, então, aquece os fornos para a temperatura exigida, espera o tempo de encharque necessário e, utilizando o acoplador de mudança rápida, move toda a estrutura para dentro do forno. A amostra é ensaiada até a falha, os extensômetros medem o alongamento da amostra e o controlador do forno mede a temperatura na qual a falha ocorreu. O programa de computador armazena estas informações, bem como o tempo para a falha e outras informações exigidas pela ASTM E21 (norma que abrange métodos de ensaio, procedimentos e equipamentos para a determinação da resistência à tração, resistência à deformação, alongamento e redução da área de materiais metálicos em temperaturas elevadas).
Uma vez que o ensaio esteja completo, o operador remove a amostra e rotaciona a montagem inteira do carrossel para colocar a próxima amostra no local para o ensaio. Agora há seis amostras sendo ensaiadas em sequência e seis fornos pré-aquecidos e prontos para iniciar um novo aquecimento para o próximo conjunto de amostras sem que haja perda de tempo precioso e temperatura do forno.
Aumentando o número de amostras que podem ser ensaiadas em um dia, a eficiência do laboratório aumenta. Não importando se o laboratório é parte de planta primária de metais ou se é um laboratório independente, a capacidade de produção aumenta e os lucros também.
Concluindo, todos na cadeia, desde o produtor do metal até o consumidor final, se beneficiam com a melhoria na eficiência dos ensaios que o sistema de carrossel propicia ao utilizá-lo.
Para mais informaçõeS: Robert Antolik, engenheiro de vendas da Applied Test Systems, 154 East Brook Lane, Butler (PA) – EUA; tel.: +1 724-283-1212; e-mail: rantolik@atspa.com; www.atspa.com.
