ASTM E228: Expansão térmica em metais e cerâmicas

O que é ASTM E228

A ASTM E228 é um método de teste padrão da ASTM International para medir o coeficiente de expansão térmica (CTE) em metais e cerâmicas. O padrão garante consistência e precisão no teste de expansão ou retração do material com uma mudança de temperatura - um fator essencial no projeto de engenharia, na fabricação e na garantia de qualidade.

Importância da expansão térmica em cerâmicas e metais

A expansão térmica é o fator limitante da confiabilidade e do desempenho do material em aplicações sujeitas a flutuações de temperatura. Essa propriedade permite que engenheiros e fabricantes prevejam a mudança de tamanho e evitem falhas induzidas por estresse térmico.

Por exemplo, nos motores de turbina, as lâminas de metal sofrem aquecimento e resfriamento em alta velocidade, o que pode levar a rachaduras ou fadiga se a CTE não for levada em conta adequadamente. No substrato cerâmico da embalagem de semicondutores, pode ocorrer empenamento ou delaminação devido a uma diferença de CTE entre o chip de silício e o substrato.

O conhecimento adequado da expansão térmica permite:

- Otimização do projeto: As peças mecânicas são otimizadas para manter a estabilidade dimensional com as mudanças de temperatura.

- Compatibilidade de materiais: Evitar falhas ou deformações nas juntas durante a combinação de materiais.

- Fabricação com precisão: Tolerâncias rígidas em peças aeroespaciais, instrumentos ópticos e componentes eletrônicos.

Como funciona a ASTM E228

Equipamento para medição

O dilatômetro de haste de pressão é o principal equipamento utilizado nos testes ASTM E228. O arranjo de teste normalmente emprega uma haste feita de sílica vítrea para faixas de temperatura normais ou alumina de alta pureza ou grafite isotrópico para temperaturas mais altas. A haste transfere a expansão ou a contração do corpo de prova para um transdutor de deslocamento com precisão praticamente muito alta.

Procedimento

1 Preparação da amostra: É preparado um corpo de prova com a geometria e o acabamento de superfície necessários.

2. Aquecimento/resfriamento: A amostra de teste é colocada no dilatômetro e exposta a mudanças controladas de temperatura.

3. Medição: O deslocamento linear (mudança de comprimento) versus a temperatura é medido pelo equipamento.

4. Cálculo: O CTE é calculado a partir da inclinação do gráfico de deslocamento-temperatura.

Aplicabilidade

A norma ASTM E228 é geralmente empregada para substâncias sólidas com CTE superior a cerca de 0,5 μm/m⋅℃. Ele é aplicado a metais, cerâmicas e materiais densos em uma ampla faixa de temperaturas. O método pode ser modificado para ser aplicado a materiais de baixa expansão se houver um aparelho sensível disponível.

Aplicações da ASTM E228

O teste ASTM E228 é empregado em aplicações em que a estabilidade de temperatura e a estabilidade dimensional são significativas:

- Aeroespacial: As lâminas das turbinas de motores a jato e as proteções térmicas sofrem enormes gradientes de temperatura. Por exemplo, as superligas de níquel com um CTE de 13-15 × 10^{-6}/℃ são cuidadosamente combinadas com revestimentos de cerâmica CTE ≈ (10-12 × 10^{-6}/℃) para reduzir o estresse durante o ciclo térmico.

- Veículo: Componentes de escapamento de liga de alumínio e blocos de motor CTE ≈ (23 × 10^(-6)/ ℃) são submetidos a testes de expansão semelhantes. A incongruência entre os parafusos de aço CTE ≈ (16 × 10^(-6)/ ℃) e as carcaças de alumínio faz com que o ciclo térmico repetido resulte em distorção mecânica.

- Eletrônicos: A placa de circuito impresso (PCB) e o pacote de semicondutores precisam de uma correspondência precisa de CTE de traços de cobre CTE ≈ (17 × 10^(-6)/ ℃) e alumina ou outros substratos de cerâmica CTE ≈ (8 × 10^(-6)/ ℃) para evitar rachaduras durante o ciclo térmico.

- Sistemas de energia: Nas células de combustível de óxido sólido, sem dados CTE adequados nas interfaces metal-cerâmica, sob temperaturas operacionais superiores a 800 °C, a delaminação não ocorre.

Por meio do fornecimento de dados precisos de expansão térmica, a ASTM E228 facilita a vida útil e a segurança dos componentes no uso de alto desempenho.

Efeitos sobre a expansão térmica

Vários efeitos determinam a maneira pela qual os metais e as cerâmicas se expandem com a temperatura e de algumas formas bastante complexas:

- Composição do material: Os aditivos de liga ou de cerâmica alteram significativamente o CTE. A adição de silício ao alumínio, por exemplo, reduz a CTE do alumínio, e as ligas de alumínio-silício se tornaram a opção preferida para pistões em carros expostos a ciclos térmicos severos.

- Faixa de temperatura: É verdade que a maioria dos materiais apresenta expansão não linear em altas temperaturas. O aço inoxidável, por exemplo, tem um CTE de 16,0 × 10^{-6}/°C em temperatura ambiente para cerca de 18,5 × 10^{-6}/°C próximo a 700 °C.

- Microestrutura: O tamanho do grão, a porosidade e a distribuição de fases são fatores a serem considerados. As cerâmicas de zircônia de granulação fina, por exemplo, têm uma expansão térmica menor do que as de granulação grossa devido ao fato de que a liberdade de vibração da rede é limitada.

- Histórico térmico: O aquecimento e o resfriamento cíclicos modificam a estrutura de um material, o que altera minimamente seu comportamento de expansão - importante para materiais que operam em condições cíclicas, como motores de aeronaves ou fornos.

Coeficientes de expansão térmica de materiais comuns

Para obter mais informações, consulte a Stanford Advanced Materials (SAM).

Perguntas frequentes

O que é o coeficiente de expansão térmica (CTE)?

O CTE define a taxa na qual um material se expande ou encolhe à medida que é aquecido ou resfriado, geralmente em micrômetros por metro por grau Celsius (µm/m-°C).

O que torna a ASTM E228 valiosa na seleção de materiais?

Ela fornece valores uniformes e reproduzíveis que os engenheiros usam para oferecer desempenho confiável em condições de temperatura flutuante.

A ASTM E228 tem alguma utilidade com polímeros?

Não. A ASTM E228 é adequada para metais e cerâmicas. Os polímeros exigem normas especiais, como a ASTM E831.

Como a expansão térmica afeta os equipamentos eletrônicos?

As diferenças de CTE entre as peças podem criar tensões internas, que levarão à falha, rachadura ou delaminação da junta de solda.

O ASTM E228 é adequado para uso em alta temperatura?

Sim. O teste mede com precisão a CTE em amplas faixas de temperatura e, portanto, é adequado para tecnologias aeroespaciais, automotivas e de energia.