Uma década antes de um iceberg quebrar as placas do casco do Titanic e meio século antes de uma praga de fraturas frágeis começar a afundar os navios Liberty durante a Segunda Guerra Mundial, cientistas dos Estados Unidos e da França criaram um romance, e surpreendentemente simples, método para medir a forma como o metal reage ao impacto.

Hoje, aquele método, com algumas atualizações e refinamentos, continua a ser o teste padrão usado em todo o mundo para avaliar a resistência ao impacto dos metais usados ​​na construção de pontes, caldeiras de alta pressão, navios oceânicos, placa de armadura, vasos de pressão nuclear, e outros aplicativos. Agora está prestes a ser significativamente melhorado, graças em grande medida a um programa de pesquisa cooperativa por cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST).

"Conhecer as propriedades dinâmicas de tração e rendimento em taxas de carregamento muito altas pode ser extremamente importante na avaliação da capacidade de colisão de dispositivos e estruturas, "disse Enrico Lucon, um engenheiro veterano e especialista em testes no laboratório Charpy do NIST em Boulder, Colorado."

Todo tipo de metal tem alguma combinação de propriedades frágeis e dúcteis (mais macios ou menos frágeis). As medidas que revelam essas propriedades, chamados testes de Charpy, são feitos em uma máquina que consiste em uma longa braço pesado, suspenso por um eixo, que balança como um pêndulo. Uma amostra entalhada do material a ser testado é colocada na base da máquina no ponto mais baixo do arco do pêndulo.

O braço é levantado a uma altura medida exatamente e então liberado. Ele balança para baixo, quebrando a amostra, e continua seu balanço para cima até atingir uma altura máxima inferior à altura inicial. A diferença entre as duas alturas é uma medida de quanta energia foi gasta para quebrar a amostra.

Em sua forma clássica, a máquina tem muitas fontes de erro, e é difícil comparar os resultados de diferentes dispositivos. Desde a década de 1920, pesquisadores estão equipando a borda de impacto em forma de cunha do pêndulo (chamada de striker) com instrumentos conhecidos como medidores de tensão, que enviam sinais elétricos proporcionais à deformação do atacante durante o impacto.

Os atacantes instrumentados oferecem a possibilidade de uma precisão bastante aprimorada. Atualmente, Contudo, “não há acordo internacional sobre a forma e configuração do atacante, onde os medidores de tensão são colocados, quantos medidores são usados, quão perto da borda de ataque eles estão localizados, e mais, "Lucon disse." Nós estamos trabalhando há alguns anos agora, e estamos quase a meio caminho de propor um design otimizado para atacantes Charpy instrumentados. "

Os pesquisadores do NIST também estão trabalhando em um problema relacionado importante:preocupações com a precisão sobre o método amplamente usado de calibração dos medidores de tensão. É um processo estático (calibração estática) no qual uma força exatamente conhecida é aplicada ao atacante e a tensão resultante é registrada.

"Mas o impacto é um processo altamente dinâmico, "disse o físico do NIST Akobuije Chijioke, cujo grupo fez parceria com o laboratório Charpy para desenvolver uma calibração aprimorada dos atacantes instrumentados. "A relação entre a força e a tensão de saída do atacante pode mudar muito durante um impacto que normalmente dura de menos de 1 milissegundo a 5 milissegundos."

Métodos foram desenvolvidos para melhorar isso, por exemplo, aproveitando a medição de energia absorvida em um teste Charpy, mas uma calibração dinâmica verdadeira das medições de força Charpy está faltando. "Para endereçar isto, estamos desenvolvendo uma calibração dinâmica rastreável SI verdadeira, "Chijioke disse. O processo emprega um padrão de transferência de força calibrado dinamicamente, trazido do Dynamic Force Metrology Lab em Gaithersburg, Maryland.

Os instrumentos do NIST podem registrar milhões de leituras de deformação e tensão por segundo. "Para determinar a proporção de fratura dúctil para frágil em vários tipos de aço, você precisa desse tipo de resolução, "Lucon disse.

Os pesquisadores do Charpy também estão testando atacantes redesenhados. "O design do atacante afeta o quão bem você pode calibrá-lo, e quanta informação você pode obter, "Chijioke disse, como quanto uma determinada força se moverá, ou deslocar, o material de interesse. "O objetivo é fornecer rastreável por SI, medições de força consistentes que permitem dados de tempo de força comparáveis ​​em todos os tipos de máquinas Charpy e alcançam um verdadeiro procedimento de calibração dinâmica para atacantes Charpy instrumentados. O design do atacante impacta nossa capacidade de realizar isso. "A equipe do NIST está fechando em um design que Lucon chamou de" não final, mas extremamente promissor. "

Claro, nem todas as máquinas em uso industrial têm atacantes instrumentados. Mas todos eles ainda precisam ser verificados periodicamente usando padrões emitidos por organizações como a American Society for Testing and Materials (ASTM) International. Isso é feito usando corpos de prova de aço de referência. O NIST desempenha um papel fundamental neste processo em todo o mundo, fornecendo espécimes de teste padrão (geralmente 10 x 10 x 55 mm, aproximadamente do tamanho de um dedo humano) disponível em três níveis de resistência, que pode ser usado para verificar máquinas com duas configurações diferentes de atacantes.

O NIST certifica seus espécimes de referência usando três das várias máquinas Charpy do laboratório de Boulder, e despacha cerca de 2, 000 conjuntos de cinco espécimes por ano. Como a resistência ao impacto muda com a temperatura, O NIST exige que seus espécimes sejam testados a -40 ° C. A maioria dos outros institutos nacionais de metrologia produz amostras que devem ser testadas em temperatura ambiente.

"Por causa de sua combinação de simplicidade e confiabilidade, o teste Charpy foi incorporado às especificações de aço em todo o mundo para garantir a resistência necessária para aplicações de infraestrutura crítica, como pontes, estruturas de construção, infraestruturas nucleares, e pipelines, "disse o cientista de materiais do NIST James Fekete, que chefia a divisão que inclui o laboratório Charpy. "O programa NIST combinado com o padrão de teste ASTM garante uma escala de energia globalmente confiável para o teste Charpy com as menores incertezas obtidas até o momento"