A vida em fadiga dos strain elétricos e o teste dos limites de durabilidade

Como maximizar a vida em fadiga dos strain gauges elétricos de filme

A vida em fadiga dos strain gauges elétricos é um assunto frequentemente mal compreendido. Alguns de nossos clientes perguntam “Qual é a vida máxima em fadiga dos strain gauges?” e “Qual amplitude máxima de tensão é permitida por quantos ciclos?”. Os materiais estão ficando mais fortes (materiais compósitos) e exigem extensômetros duráveis para testes de durabilidade.

Os strain gauges elétricos são uma tecnologia comprovada de sensores, usada para muitos testes em diferentes ramos, como testes de carga estática, testes de fadiga em testes de componentes e testes em escala total. Neste contexto, os materiais são aprimorados e projetados para serem usados em seus limites para melhorar a relação peso/resistência e atender às necessidades de novos produtos no futuro.

Nestes testes, os materiais precisam ser testados periodicamente em máquinas como componentes individuais ou como produtos completos ou, em testes móveis, para simular as situações de estresse para garantir que nenhuma falha ocorra.

A falha inesperada dos strain gauges durante o teste de durabilidade pode resultar em consideráveis esforços adicionais e custos posteriores. Portanto, é importante saber quantos ciclos de carga um strain gauge pode resistir e qual precisão pode ser alcançada.

Um dos fatores limitantes é o material usado para strain gauges elétricos. Um dos principais componentes de um gauge é a grade de metal. A grade metálica em forma de curvas é intencionalmente deformada durante o carregamento para alcançar uma mudança na resistência ôhmica. Esta mudança de resistência ôhmica pode ser detectada como uma mudança de tensão na ponte de Wheatstone.

Os metais frequentemente usados para strain gauges elétricos são constantan ou CrNi (Modco). Constantan e Modco como materiais metálicos têm semelhança com outros materiais que são conhecidos principalmente como materiais de construção como aço e alumínio. Os metais têm comportamentos lineares tanto na região elástica quanto na região plástica de deformação. O gráfico abaixo mostra o comportamento do aço em termos de tensão e deformação.

Se um material for apenas tensionado na região elástica linear, a deformação do material é reversível. Forçar um material acima do limite de rendimento leva o material a um ponto em que ele é plasticamente deformado. Quando um material atinge um valor específico de tensão nesta região, ele não retornará ao seu estado inicial quando a carga externa for removida - o material é deformado irreversivelmente. Este comportamento material típico que é conhecido a partir do aço também existe nos materiais usados para strain gauges elétricos!

Infelizmente, o ponto limite de rendimento/elasticidade não pode ser estendido ao infinito e esta é uma das razões pelas quais a fadiga dos strain gauges elétricos é limitada.

A partir deste gráfico típico, pode-se deduzir o seguinte: o tempo que um extensômetro de lâmina sobreviverá a um teste depende de como ele é forçado. As amplitudes mais baixas definitivamente aumentam a vida em fadiga, pois o gauge é utilizado na região elástico-linear e a deformação do material é reversível. As amplitudes mais altas são mais críticas e exceder um limite específico no contexto de strain gauges significa que isso pode ser feito apenas uma vez.

As ilustrações a seguir mostram este comportamento durante um teste mecânico:

Se for realizado um teste de carga estática (1.), o strain gauge pode ser usado em uma direção (tensão ou compressão) e exceder o limite de rendimento. Ele ainda fornece um valor medido válido na zona de deformação plástica. Os valores máximos para strain gauges elétricos são especificados como tensão absoluta no Catálogo em PDF de strain gauges. Os valores para tensão e compressão são especificados separadamente. Para estes testes, altas tensões entre 1% e 10% são possíveis com os strain gauges da HBM.

Quando o gauge é usado em um teste de carga dinâmica (2.), i.e., com tensão em direções alternadas (tensão e compressão), exceder o limite de rendimento do material da grade não é permitido. Os valores máximos permitidos também são especificados no catálogo do strain gauge como a vida em fadiga. A vida útil da carga implica a amplitude máxima admissível, dependendo dos ciclos de carga e da tolerância do desvio do ponto zero do sinal. Na HBM os strain gauges são testados em ambas as direções quanto à vida em fadiga (tensão e compressão).

Um ciclo de carga corresponde a 1x tensão e 1x compressão na amplitude especificada.

Tensão absoluta

Tensão estática significa que o gauge pode ser carregado com a deformação especificada em uma direção apenas uma vez em seu tempo de vida. Quando o limite especificado é excedido, o strain gauge é danificado com alta probabilidade.

O gráfico a seguir mostra a tensão estática máxima que pode ser esperada com diferentes gauges da série Y quando carregados com +/-5%, a série M com até 1% e nossos gauges pré-cabeados baseados na série Y com até +2,5/-2% de deformação

Vida em fadiga (teste dinâmico)

Um strain gauge que é carregado várias vezes em um teste de fadiga mostra uma forte correlação entre o número de ciclos de carga e a amplitude da carga. Altas amplitudes de deformação no material da grade de medição podem criar deformação plástica, que é reconhecida como um desvio de ponto zero do sinal ou a perda completa do sinal. Neste caso, o número de ciclos de carga pode ser drasticamente reduzido. O gráfico a seguir mostra que a vida em fadiga depende de vários parâmetros. A correlação entre a amplitude da carga e os ciclos de carga não é linear.

A vida em fadiga de cada cartela de strain gauge é especificada no próprio Catálogo em PDF.

Como faço para detectar que meu strain gauge excedeu sua vida em fadiga?

1. Deslocamento de ponto zero do sinal (mudança permanente de resistência)

2. Mudança permanente de fator de gauge

Uma mudança permanente do fator de medição também é um indicador claro de que o strain gauge foi danificado.

3. Sinal de medição interrompido

Rachaduras na grade tornam-se visíveis por um sinal de seno interrompido. Pequenas rachaduras abrem e fecham durante o carregamento cíclico e o sinal é perdido. Portanto, há apenas uma conexão parcial de sinal elétrico.

4. Irregularidades visuais

Além disso, rachaduras visíveis e irregularidades no strain gauge ou na solda estão mostrando que o gauge está danificado.

A vida em fadiga dos strain gauges da HBM

O diagrama a seguir mostra a vida útil em fadiga dos strain gauges elétricos para ciclos de carga entre 1.000 e 10.000.000 para gauges séries Y e M. Os valores máximos alcançáveis dependem de diferentes fatores, como a qualidade da instalação.

A correlação entre os ciclos de carga e a amplitude de carga máxima não é linear (escala logarítmica).
Todos os valores são valores médios de um teste estático
A mudança de ponto zero é tolerada para todos os valores medidos (consulte o catálogo em PDF)
Com o M-Series da HBM, até 100.000.000 (100. mio) de ciclos de carga são alcançáveis com uma amplitude de carga de 1000 µm/m.

Medições em amplitudes mais altas (>4000 µm/m) com strain gauges elétricos mostram uma queda adicional nos ciclos de carga permitidos antes que o sinal mostre uma mudança significativa no ponto zero. Testes de tensão em amplitudes muito altas mostram que o número de ciclos de carga é reduzido massivamente. Usando, por exemplo, gauges da série M apenas para um teste de carga de expansão com +5200 µm/m, isso reduz o teste para 1000 ciclos. Testar a +7000µm/m reduz os ciclos de teste para 100.

Para testar maiores amplitudes de carga em ciclos mais altos, também recomendamos o uso de strain gauges ópticos.

O que posso fazer para maximizar a vida em fadiga dos strain gauges?

1. Minimize a quantidade de material de solda no terminal.

Regiões rígidas de material são o ponto mais crítico para falha ao aplicar carga estática ou dinâmica a elas. A soldagem profissional com a menor quantidade possível de solda no terminal reduz a rigidez e aumenta a vida em fadiga.

2. Solde o cabo a 90° da direção de deformação.

Minimizar a superfície de contato no terminal de solda aumenta a vida em fadiga

3. Use materiais/condutores altamente flexíveis.

Cabos conectados ao terminal de solda fazem parte do sistema mecânico. Usando cabos rígidos com grandes diâmetros aumenta a rigidez local. A rigidez pode ser reduzida pelo uso de fios flexíveis com diâmetros finos.

4. Use strain gauges com terminais de solda externos.

O uso de terminais de solda externos permite o uso de strain gauges com cabos. Strain gauges com condutores oferecem o mais alto nível de flexibilidade. Não há acúmulo de material de solda no próprio gauge. A solda é deslocada para o terminal.

5. Evite agentes de cobertura.

Agentes de cobertura também devem ser evitados se a máxima duração da fadiga for atingida. Como eles interagem com o strain gauge, eles poderiam aumentar o estresse em pontos específicos.

6. Use grades de medição grandes.

Uma área de grade maior aumenta a vida em fadiga (por exemplo, use grade de 6 mm em vez de grades de 3 mm).

7. Garantir alta qualidade da colagem.

Use adesivos finos como Z70 ou EP310N.

8. Use gauges com encapsulamento (padrão para a maioria dos gauges da HBM).

9. Use strain gauges específicos para a vida em fadiga.

A série M da HBM foi desenvolvida especialmente para testes com materiais de alta resistência à fadiga. Eles têm um material de grade altamente resistente (Modco) e um transportador especial (resina fenólica). Além disso, eles têm um alívio de tensão integrado que separa as abas de solda da grade de medição.

Série M da HBM

Especialmente desenvolvido para materiais de alta resistência à vida em fadiga
Suporte de resina fenólica reforçada com fibra de vidro
Disponível com resistência de 350 e 1000 Ohm
Alívio de tensão integrado
Temperatura operacional de -200 °C até 300 °C

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