As soluções Sonelastic^® e Scanelastic^® se destinam a caracterização simultânea dos módulos elásticos e do amortecimento (atrito interno) de materiais.

O módulo de elasticidade pode ser caracterizado pelos seguintes métodos:
- Quase-estáticos
- Dinâmicos
- Ultra-sônicos

Os métodos quase-estáticos ou isotérmicos são baseados em ensaios mecânicos usualmente destrutivos, e os dinâmicos ou adiabáticos incluindo os ultra-sônicos, em técnicas de ressonância não destrutivas. Os valores determinados pelos métodos dinâmicos são maiores que aqueles determinados pelos estáticos em um percentual típico de apenas 0,5% para metais.

Métodos Quase-Estáticos (ensaios destrutivos)
Nos métodos quase-estáticos são realizados ensaios mecânicos usualmente destrutivos nos quais os corpos de prova ficam inutilizados após a realização dos mesmos. Estes consistem na aplicação de uma carga, lentamente, simultaneamente com a monitoração da deformação induzida.

Primeiramente, vamos introduzir o conceito de curva tensão-deformação. Tensão corresponde a uma força ou carga, por unidade de área, aplicada sobre um material, e deformação é a mudança nas dimensões, por unidade da dimensão original. No caso dos métodos estáticos, a carga, que pode ser estática ou se alterar de maneira relativamente lenta ao longo do tempo, é aplicada uniformemente sobre uma seção reta ou superfície de um corpo, e a deformação é medida e relacionada ao módulo elástico que pode ser o módulo de Young ou cisalhamento dependendo do tipo de ensaio. Para tal, há três maneiras principais segundo as quais uma carga pode ser aplicada: tração e compressão para a determinação do módulo de Young e cisalhamento ou torcional para o módulo de cisalhamento; sendo mais comuns os ensaios sob tração. Neles o corpo de prova é deformado com carga de tração que é aplicada uniaxialmente, paralelamente ao eixo mais longo do corpo de prova. Estes ensaios são comumente conduzidos para metais, à temperatura ambiente, pela facilidade de se prender o corpo de prova nos acessórios da máquina de ensaio.

Já nos métodos dinâmicos (que serão vistos em detalhes mais adiante; vide Soluções Sonelastic^® ) os módulos elásticos são determinados a partir da frequência de vibração natural (ressonância) do corpo de prova com amplitudes de vibração (deformação) mínimas.

Métodos Dinâmicos (não-destrutivos)
Os métodos dinâmicos permitem obter informações tanto quantitativas (módulos elásticos) quanto qualitativas sobre a integridade de um componente mecânico, além do controle de suas propriedades, como mudanças de fase.
O corpo de prova não fica inutilizado após o ensaio e pode ser empregado em sua função normalmente ou ensaiado muitas outras vezes.

No estudo do dano por choque térmico, por exemplo, é possível avaliar a evolução da resistência mecânica medindo-se o módulo de Young simultaneamente com a aplicação sucessiva de ciclos de choque térmico. Se fosse utilizada outra técnica, para a medição de módulo de ruptura, seria necessária uma amostra para cada medição.
Os métodos dinâmicos são normatizados e amplamente utilizados, principalmente para materiais frágeis compósitos. Vide Soluções Sonelastic^®.

História
O primeiro método dinâmico de aplicação prática foi desenvolvido por Forster em 1937. Neste método uma barra de seção retangular do material a ser caracterizado é dependurada por dois fios, um deles conectado a um atuador e o outro a um sensor. As frequências de ressonância são determinadas com uma excitação senoidal de frequência variável associada à observação do pico de resposta da amostra, captado pelo sensor. Este método ainda é utilizado, principalmente para ultra-altas temperaturas em atmosfera controlada. Outros métodos surgiram na mesma época, contudo não eram práticos pela necessidade de aplicação de alta tensão elétrica e de fixação de partes metálicas no corpo de prova.

Os fundamentos matemáticos para os cálculos dos módulos elásticos dinâmicos com precisão foram desenvolvidos entre a década de 1940 e 1960. Pickett apresentou em 1945 as equações para o cálculo dos módulos elásticos e da razão de Poisson a partir dos modos de vibração fundamentais. As equações propostas por Pickett contam com fatores de correção empíricos para barras e cilindros com baixa razão de aspecto. Em 1960 Kaneko apresentou um refinamento para as equações de Pickett generalizando-as para modos de vibração de qualquer ordem, e não apenas para os modos fundamentais.

Nas décadas de 1960 e 1970 foi desenvolvido o método de excitação por impulso e o equipamento Grindosonic; que popularizou a caracterização dos módulos elásticos dinâmicos e estendeu o método para o campo do controle de qualidade e inspeção. Neste método, a partir de determinadas condições de contorno mecânicas, o corpo de prova é excitado em um determinado modo de vibração por uma "pancada". O equipamento capta esta vibração com um sensor piezoelétrico ou microfone e informa ao usuário a respectiva frequência de ressonância, a partir da qual são calculados os módulos.

O Grindosonic é comercializado com as mesmas funcionalidades até o presente momento, porém na década de 1990 foram desenvolvidos, e atualmente estão sendo aperfeiçoados, sistemas de medição automatizados para a caracterização dos módulos elásticos de materiais refratários em função do tempo e da temperatura. Estes sistemas são baseados em computador e apresentam diversas vantagens frente ao tradicional Grindosonic, principalmente na discriminação das frequências, por exemplo, o Sonelastic^® Stand Alone, que além da frequência fundamental, também lista as frequências harmônicas presentes e os respectivos amortecimentos.

Dada a importância assumida, os procedimentos de caracterização não-destrutivos pelos métodos dinâmicos foram normatizados, e realizados esforços interlaboratoriais e intertécnicas para harmonização, além da elaboração de estudos e guias de boas práticas de caracterização.

Os métodos dinâmicos subdividem-se em:
- Excitação por impulso
- Varredura de frequência

Excitação por impulso (Norma ASTM E1876)
No método de excitação por impulso, o corpo de prova sofre um impacto de curta duração e responde com vibrações em suas frequências naturais de vibração de acordo com as condições de contorno impostas. Vide Soluções Sonelastic^®.

A Figura a seguir mostra um esquema básico do posicionamento da amostra para medida das frequências de ressonância flexional e torcional para este método. O pulsador é o equipamento que aplica o impacto no corpo de prova para gerar as vibrações mecânicas, sem danificá-lo; e o transdutor o que capta a resposta acústica e a transforma em sinal elétrico de maneira que possamos ler as frequências de ressonância.

Esquema básico do posicionamento da amostra para medida das frequências de ressonância flexional usando o método de excitação por impulso.

Note que a amostra deve ser apoiada na posição dos nós da ressonância fundamental e o impulso deve ser dado no local de maior amplitude. As frequências são então relacionadas aos módulos elásticos.

Exemplo de um dos suportes de corpo de prova fabricados pela ATCP.

Exemplo de pulsador eletromagnético automático fabricado pela ATCP.

Varredura de frequência (Norma ASTM 1875)
O princípio do método de varredura de frequência consiste no estímulo do corpo de prova com frequência variável e na busca das frequências de ressonância de vibração dessa amostra. Por meio de relações matemáticas, determinam-se os módulos elásticos a partir das frequências de ressonância. Neste tipo de medição, denominada ressonância de barras, a amostra fica suspensa por fios que podem ser utilizados também para excitar e detectar a vibração.

O tamanho e formato da amostra e os tipos de excitação da vibração devem satisfazer as soluções matemáticas estabelecidas e para isto, a geometria mais comum é a com forma de barra de seção transversal quadrada e circular, excitadas longitudinal, flexional e torcionalmente. O tamanho da amostra geralmente depende do material a ser testado. As dimensões devem ficar em uma faixa de valores, de maneira que as frequências de ressonância estejam dentro dos limites que o equipamento possa medir (principalmente os transdutores).

A parte mais delicada do sistema é o acoplamento entre os transdutores (excitação e recepção) e a amostra. O ideal é que o acoplamento não interfira nas frequências naturais de vibração da amostra e para tanto o acoplamento não deve impor inércia ao sistema, ou seja, adicionar massa significativa que possa afetar as frequências dos modos normais de vibração. Se o fizer, deve estar sob controle de modo a gerar influência avaliável.

Há equipamentos nos quais a amostra fica suspensa por fios e aqueles nos quais ela fica apoiada nos nós de vibração, por exemplo, o Scanelastic^®.

No caso de acoplamento em que há um contato direto das hastes de acoplamento dos transdutores com a amostra, elas devem permitir que a amostra oscile sem restrições significativas no modo de vibração desejado. A Figura a seguir exibe um exemplo desse tipo de acoplamento, para os modos flexional e torcional de vibração. Neste caso a amostra é apoiada na posição dos nós da ressonância fundamental: 0,224L e 0,5L de cada extremidade para o modo de vibração flexional e torcional, respectivamente.

Posicionamento da amostra para medida das frequências de ressonância flexional e torcional, usando o método de varredura.

A Figura a seguir mostra o equipamento Scanelastic^® da ATCP Engenharia Física, para a técnica de ressonância de barras.

Equipamento Scanelastic® para medição dos módulos elásticos através do método de varredura de frequências (ressonância de barras).

Esta seção do site é um resumo de parte do Informativo Técnico-Científico ITC-ME/ATCP: Módulos elásticos: visão geral e métodos de caracterização.