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Porquê a análise termomecânica na indústria metalúrgica?
No sector indústria siderúrgica e metalúrgica as empresas são confrontadas com exigências cada vez maiores: Os componentes têm de suportar cargas térmicas elevadas, as janelas de processo têm de ser cumpridas com precisão e as alterações microestruturais direcionadas são frequentemente a chave para melhorar as propriedades dos materiais. Quer se trate da avaliação de estruturas de soldadura, do desenvolvimento de ligas inovadoras ou da validação de lotes individuais – a caraterização fiável de materiais metálicos constitui a base para a garantia de qualidade sustentável e para o desenvolvimento de materiais orientados.
O aço e outros metais são submetidos a processos de fabrico e processamento exigentes, nos quais o comportamento térmico e mecânico individual é decisivo para determinar a eficiência dos tratamentos térmicos, processos de soldadura, processos de fundição ou processos de laminagem. O conhecimento exato destas propriedades permite otimizar os processos de produção e evitar rejeições dispendiosas.
O que faz a análise termomecânica (TMA)?
A análise termomecânica é um método estabelecido de ensaio de materiais que mede as alterações dimensionais de um espécime em função da temperatura e da força aplicada. Os principais parâmetros, como o coeficiente coeficiente de expansão térmica (CTE)o comportamento de relaxamento e os fenómenos de fluência podem ser determinados. O princípio de medição baseia-se no facto de uma haste ou disco de amostra ser sujeito a uma carga térmica e mecânica definida num sistema de medição, enquanto a deformação resultante é registada com elevada precisão.
As variáveis típicas medidas incluem a alteração do comprimento, o CTE, a deformação durante os ensaios de relaxamento, fluência e recuperação, bem como a deteção de pontos de transformação, por exemplo, o início da martensite no aço. Os modernos sistemas TMA modernos, como os da Linseis, garantem uma resolução exacta da força na gama dos µN. A capacidade de selecionar diferentes geometrias de pontas e modos de teste aumenta significativamente a flexibilidade da aplicação. Para sistemas de materiais sensíveis, as medições também podem ser realizadas numa atmosfera controlada de gás inerte para evitar a oxidação ou reacções indesejáveis.
Porque é que a TMA é a escolha certa para aço e metais
Os pontos fortes da TMA em comparação com outros métodos de caraterização residem, em particular, na sua elevada sensibilidade e na capacidade de observar os efeitos térmicos e mecânicos, tanto separadamente como em simultâneo. A medição precisa da expansão térmica é essencial para o desenvolvimento de novas ligas e para a avaliação de componentes como cordões de soldadura. A TMA é também ideal para detetar e quantificar transições de fase, como a transformação martensítica. A deformação a longo prazo e os processos de relaxamento dependentes do tempo também podem ser medidos de forma fiável utilizando este método.
Um estudo recente descreve a elevada relevância das medições de TMA para a caraterização dos aços no que respeita às suas transições de fase e comportamento de expansão (Bhattacharya et al., 2023). Para materiais de elevado desempenho em particular, salientam que a TMA é um dos poucos métodos que pode registar simultaneamente e de forma comparável a interação entre temperatura, carga mecânica e alteração de volume. Outro artigo mostra que a combinação de TMA com controlo atmosférico direcionado é também vantajosa para a garantia de qualidade de ligas relacionadas com lotes (Lee et al., 2022). Os autores sublinham a importância da deteção precoce de inomogeneidades para o controlo de processos em fundições e a prevenção de lotes defeituosos.
O que é importante para medições significativas
Vários factores são cruciais para a obtenção de resultados reprodutíveis e fiáveis. A preparação das amostras desempenha um papel central: superfícies limpas e geometrias definidas minimizam os factores de interferência e asseguram medições reprodutíveis. A escolha da atmosfera também é relevante – gases inertes ou sistemas de vácuo ajustáveis são úteis para evitar a oxidação ou processos de reação indesejáveis.
A seleção da força adequada e das geometrias das pontas influencia diretamente os sinais de medição. Dependendo da aplicação, são utilizadas pontas de penetração, compressão ou Flexur. As modernas ferramentas de software também suportam a deteção automática de transições e a documentação dos parâmetros de qualidade, o que simplifica e acelera consideravelmente a avaliação.
Critérios de seleção para sistemas TMA
Ao avaliar um sistema TMA, devem ser considerados vários aspectos. A gama de temperaturas é particularmente importante para as ligas de aço, uma vez que são frequentemente necessárias medições até à gama de temperaturas elevadas de mais de 1000 °C. A resolução da força deve ser suficientemente fina para detetar mesmo as mais pequenas deformações para aplicações de alta precisão.
A reprodutibilidade é outro critério importante: a estabilidade documentada a longo prazo e a consistência dos valores medidos asseguram a comparabilidade das análises de lotes durante períodos de tempo mais longos. Por último, mas não menos importante, a capacidade de integração desempenha um papel importante – a simples ligação a ambientes laboratoriais existentes, tanto em termos de software como de organização, é uma vantagem fundamental para o funcionamento contínuo.
Valor acrescentado para o laboratório e a produção
As vantagens da tecnologia de medição TMA num contexto metalúrgico são múltiplas e têm um impacto direto na cadeia de valor. A análise precisa dos limites termomecânicos permite o controlo exato dos processos industriais, assegurando assim janelas de processo. A garantia de qualidade contínua com TMA evita lotes defeituosos dispendiosos, o que se reflecte diretamente em taxas de rejeição reduzidas.
Os dados de medição direta para relaxação e transformação aceleram o aumento de escala e a otimização de novas ligas, o que torna o desenvolvimento de materiais significativamente mais eficiente. Além disso, os protocolos de medição verificáveis e digitais são frequentemente um pré-requisito para certificações e provas de entrega, o que significa que o TMA também contribui para o cumprimento dos requisitos regulamentares.
Exemplo prático: Determinação do módulo de elasticidade do níquel
O gelado de lente TMA L72 permite a aplicação de programas de forças sinusoidais a uma grande variedade de amostras. Isto permite a determinação do módulo de flexão e de elasticidade de quase todos os materiais. Originalmente concebido principalmente para aplicações em polímeros, o sistema foi recentemente optimizado para medir materiais mais duros, como ligas metálicas e metais puros. Ao alargar as gamas de força até 20 N e ao aumentar as dimensões das amostras, os materiais metálicos mais exigentes podem agora também ser caracterizados com precisão.
Num ensaio típico de flexão de 3 pontos, foi analisada uma amostra de níquel com um comprimento de 8,4 mm, um diâmetro de 5,12 mm e uma espessura de 0,2 mm. A medição foi efectuada a 50 °C, utilizando uma força estática de 500 mN e uma força sinusoidal sobreposta de 1 N adicional. A alteração resultante no comprimento da amostra e o módulo de elasticidade calculado resultante mostram uma excelente concordância com os dados da literatura. É particularmente vantajoso que tais medições possam ser efectuadas em toda a gama de temperaturas do instrumento, permitindo a realização de um rastreio abrangente das propriedades mecânicas.
Literatura
Bhattacharya, S. et al. (2023) ‘Thermal expansion and phase transition analysis of advanced steel grades using TMA’, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry.
Lee, H.W. et al. (2022) ‘Using thermomechanical analysis for alloy batch validation in metal production’, Metallurgical and Materials Transactions A.
Meier, P. et al. (2021) “Process optimisation in foundries based on high-temperature TMA measurements”, International Journal of Materials Research.
