relatorio imcompleto de tração em composito

relatorio imcompleto de tração em composito

Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá

Ensaio de tração

Relatório de Processamento de Compósitos. Ensaio de tração em compósitos: fibra de vidro/resina epóxi e fibra de carbono/resina epóxi.

Fernanda Appezzato 06062-6

Glauco Sonsin 07538-6

Giulio Lobato 06071-6

Gustavo Bartelega 06077-6

1. OBJETIVO

O objetivo desse ensaio consiste em submeter-se um corpo de prova devidamente calibrado a uma força continuamente crescente até observar a ruptura, através da carga aplicada versus o deslocamento sofrido pelo corpo, registrados, é possível obter uma curva do ensaio, assim como fornecer as propriedades mecânicas do compósito em estudo.

2. INTRODUÇÃO

Os compósitos poliméricos laminados são freqüentemente obtidos ao mesmo tempo em que o componente é manufaturado e, portanto, possuem uma grande variedade de propriedades, as quais são dependentes da fibra, resinas, empilhamento, fração volumétrica, etc. Assim, os requisitos de testes geralmente são mais exigentes do que para outros materiais convencionais [1][2].

O comportamento mecânico dos compósitos poliméricos é caracterizado pela resposta que estes materiais apresentam quando submetidos às tensões ou deformações. Assim, em função dos polímeros possuírem uma estrutura molecular peculiar, quando comparados a outros materiais, como as cerâmicas e os metais, o seu comportamento mecânico é único. Podem ser mencionados além da composição química, os seguintes fatores estruturais que tem relação direta com as propriedades mecânicas dos polímeros: massa molar; ramificações e ligações cruzadas; cristalinidade, incluindo a morfologia cristalina; copolimerização, incluindo tipo de copolímero; orientação molecular, reforços e outros aditivos [1][3].

As condições do processamento das amostras poliméricas, tratamentos térmicos eventuais e os seus formatos, apesar de serem consideradas variáveis externas, poderão provocar alterações significativas estruturais e, conseqüentemente, interferir no comportamento mecânico dos polímeros e, por conseqüência, dos compósitos obtidos a partir dessas matrizes [4]. As principais variáveis externas que afetam o comportamento mecânico dos compósitos obtidos de matrizes poliméricas são: tempo ou velocidade de deformação (ou velocidade de aplicação da tensão); nível de solicitação mecânica; tipo de solicitação; natureza da atmosfera vizinha, abrangendo umidade e outros agentes quimicamente agressivos [5].

Os compósitos são susceptíveis a danos mecânicos quando sujeitos à esforços de compressão, tensão, flexão e cisalhamento que podem levar à delaminação interlaminar. Em qualquer um desses casos, o aumento de carga externa favorece a propagação da delaminação na intercamada levando a falha catastrófica do componente [2].

Em compósitos estruturais, a boa adesão fibra/matriz é essencial para a transferência de tensões de cisalhamento e influencia na rigidez, tenacidade e comportamento da falha, principalmente em condições ambientais. Neste caso, a interface fibra/matriz tem uma importante função no desempenho do laminado e, por isso, é considerado o terceiro componente do compósito. O comportamento da região interfacial ocorre em um plano de espessura infinitesimal, separando o reforço da matriz de tal forma que, ao longo de sua extensão, a carga é transferida da matriz para a fibra. Nesse caso, durante o carregamento de um componente cria-se uma força na superfície da fibra. Se a fibra for suficientemente longa, essa força transmitida conduzirá à sua fratura e, em sendo assim, a fibra terá contribuído plenamente para a resistência do compósito [6].

Entretanto, os danos nem sempre são visíveis, mas podem reduzir a resistência do componente significativamente. Com a implementação dos compósitos avançados em setores de alta importância, torna-se fundamental o conhecimento dos mecanismos de danos e como se comportam na estrutura do material [6].

2.1 Ensaio de Tração

O ensaio de tração é basicamente usado para determinação do limite de ruptura de um material, do limite de escoamento, do alongamento dentre outras características. Com esse tipo de experimento, pode-se afirmar que praticamente as deformações promovidas no material são uniformemente distribuídas em todo o seu corpo, pelo menos até ser atingida uma carga máxima próxima do final do ensaio e, como é possível fazer com que a carga cresça numa velocidade razoavelmente lenta durante todo o teste, o ensaio de tração permite medir satisfatoriamente a resistência do material. A uniformidade da deformação permite ainda obter medições para a variação dessa deformação em função da tensão aplicada [7].

A curva tensão-deformação pode ser obtida diretamente pela máquina ou por pontos. A uniformidade termina no momento em que é atingida a carga máxima suportada pelo material, quando começa a aparecer o fenômeno da estricção ou da diminuição da secção do provete, no caso de matérias com certa ductilidade. A ruptura sempre se dá na região mais estreita do material, a menos que um defeito interno no material, fora dessa região, promova a ruptura do mesmo, o que raramente acontece [7].

A precisão de um ensaio de tração depende, evidentemente, da precisão dos aparelhos de medida que se dispõe. Com pequenas deformações, pode-se conseguir uma precisão maior na avaliação da tensão ao invés de detectar grandes variações de deformação, causando maior imprecisão da avaliação da tensão. Mesmo no início do ensaio, se esse não for bem conduzido, grandes erros pode ser cometidos, como por exemplo, se o provete não estiver bem alinhado, os esforços assimétricos que aparecerão levarão a falsas leituras das deformações para uma mesma carga aplicada. Deve-se portanto centrar bem o corpo-de-prova na máquina para que a carga seja efetivamente aplicada na direção do seu eixo longitudinal [7].

Em um ensaio de tração, obtém-se o gráfico tensão-deformação, no qual é possível analisar o comportamento do material ao longo do ensaio. Os valores e suas representações dependem do tamanho da amostra a ser testada, pois a carga aplicada para o alongamento será determinada através disso. Para minimizar esses fatores geométricos, a carga e o alongamento são normalizados de acordo com o seus respectivos parâmetros de tensão e deformação. A tensão de engenharia  é definida pela relação: [7][8].

Sendo:

= Tensão

F = Força aplicada

Ao = Área da seção inicial do corpo onde é diretamente aplicada a carga.

Deformação Elástica

Elasticidade de um material é a sua capacidade de voltar à forma original em ciclo de carregamento e descarregamento. A deformação elástica é reversível, ou seja, desaparece quando a tensão é removida. A deformação elástica é conseqüência da movimentação dos átomos constituintes da rede cristalina do material, desde que a posição relativa desses átomos seja mantida. Para a maioria dos metais que são solicitados em tração e com níveis de tensão relativamente baixos, a tensão e a deformação são proporcionais de acordo com a relação abaixo [8].

σ = Eε

sendo,

σ = Tensão real, ε = deformação real.

Esta é a conhecida lei de Hooke uniaxial e a constante de proporcionalidade ‘’ E “ é o módulo de elasticidade, ou módulo Young. Até certo nível de tensão aplicada, o material trabalha no regime elástico, isto é, segue a lei de Hooke e a deformação linear específica é proporcional ao esforço aplicado. A proporcionalidade pode ser observada no trecho retilíneo do diagrama tensão-deformação e a constante de proporcionalidade é denominada módulo de deformação longitudinal ou módulo de elasticidade. Também é assumido que após a remoção da carga, a deformação é totalmente recuperada, ou seja, a deformação imediatamente retorna para o valor zero [8].

Deformação Plástica

Acima de uma certa tensão, os materiais começam a se deformar plasticamente, ou seja, ocorrem deformações permanentes. O ponto na qual estas deformações permanentes começam a se tornar significativas é chamado de limite de escoamento [8].

Para materiais que possuem transição gradual do regime elástico para o plástico, as deformações plásticas se iniciam no ponto na qual a curva tensão-deformação deixa de ser linear, sendo este ponto chamado de limite de proporcionalidade. No entanto, é difícil determinar este ponto precisamente. Como conseqüência, criou-se uma convenção na qual é construída uma linha reta paralela à porção elástica, passando geralmente pela deformação de 0,002. A tensão correspondente à intersecção desta linha com a curva tensão-deformação é o limite de escoamento [8].

A magnitude do limite do escoamento é a medida da resistência de um material á deformação plástica [8].

Durante a deformação plástica, a tensão necessária para continuar a deformar um metal aumenta até o ponto máximo, chamado de limite de resistência á tração, na qual a tensão é a máxima na curva tensão-deformação de engenharia. Isto corresponde a maior tensão que o material pode resistir; se esta tensão for aplicada e mantida, o resultado será a fratura. Toda a deformação até este ponto é uniforme na seção. No entanto, após este ponto, começa a se formar uma estricção, na qual toda a deformação subseqüente está confinada e, é nesta região que ocorrerá ruptura. A tensão corresponde a fratura é chamada de limite de ruptura [8].

É possivel obter o gráfico tensão-deformação, que varia de acordo com o material. Para materiais frágeis como a cerâmicas, nao apresentam um limite de escoamento, e analisando materiais dúcteis, por exemplo o alúminio, não apresentam limite de escoamento bem definido [8].

3. MATERIAIS E MÉTODOS

No presente trabalho foram utilizados corpos de prova preparados para ensaio de tração de compósitos processados em laboratórios anteriores.

3.1 Materiais

  • Corpos de Prova (compósitos fibra de vidro/ resina epóxi e compósitos fibra de carbono/resina epoxi)

  • Paquímetro

  • Máquina para ensaio de tração INSTRON 8801

3.2 Métodos

Os corpos-de-prova (cdps) utilizados no ensaio de resistência à tração, foram devidamente preparados e medidos antes do ensaio e apresentaram dimensões nominais que podem ser observadas na Tabela 1 abaixo:

Tabela 1: Dimensões do corpo-de-prova antes de serem submetidos ao ensaio.

Largura (mm)

Espessura (mm)

Lo (mm)

Área (mm2)

Turma 4

Cdp1

28,5

1,24

76,29

35,34

Cdp2

27,98

1,24

75,92

34,6952

Cdp3

28,31

1,24

75,11

35,1044

Turma 5

Cdp1

28,18

1,58

73,82

44,5244

Cdp2

28,26

1,49

75,60

42,1074

Cdp3

27,84

1,43

76,60

39,8112

Turma 6

Cdp1

27,99

1,47

65,53

41,1453

Cdp2

28,08

1,61

65,22

45,2088

Cdp3

27,99

1,46

65,59

39,931

Não foram colados tabs nas extremidades dos cdps para fixação na máquina de ensaio.

Prendeu-se o corpo-de-prova na máquina de ensaio de tração e aplicou-se a carga lentamente, com velocidade de 2mm /min , até produzir a ruptura.

A máquina INSTRON fornece uma tabela de dados F (KN) X Δl (mm), que são tratados afim de obter os dados desejados sobre o material.

4.RESULTADOS E DISCUSSÃO

Com os dados obtidos, as curvas de tensão x deformação foram traçadas e podem ser vistas abaixo (Gráfico 1, Gráfico2 e Gráfico 3). Através delas os valores para Tensão Máxima (MPa) a deformação total (%) e o Módulo de Elasticidade (GPa) foram encontrados e tabelados (Tabela1, Tabela 2 e Tabela 3).

Para conversão dos valores de Tensão (MPa), dividiu-se o valor da carga em KN pela área em mm2. Para cálculo da deformação, dividiu-se o L(mm) pelo Lo (mm) e o módulo de elasticidade (MPa) foi obtido através das equações das retas, e corresponde ao coeficiente angular.

Gráfico 1: Curva Tensão X Deformação para os corpos de prova do grupo 4 (Fibra de vidro/ epóxi)

Tabela 2: Valores para corpos de prova do grupo 4

 

cdp1

cdp2

cdp3

média

Tensão Máxima (MPa)

236,09

243,60

230,38

236,69

Deformação Total (%)

2,93

3,06

2,85

2,95

Módulo de elasticidade – E (MPa)

7869,1

7744,3

7904,1

7839,2

Gráfico 2: Curva Tensão X Deformação para os corpos de prova do grupo 5 (Fibra de carbono/ epóxi)

Tabela 3: Valores para corpos de prova do grupo 5

 

cdp1

cdp2

cdp3

média

Tensão Máxima (MPa)

408,86

431,95

443,64

428,15

Deformação Total (%)

2,20

2,09

2,07

2,12

Módulo de elasticidade – E (MPa)

18484

20542

21509

20178

Gráfico 3: Curva Tensão X Deformação para os corpos de prova do grupo 6 (Fibra de carbono/ epóxi)

Tabela 4: Valores para corpos de prova do grupo 6

 

cdp1

cdp2

cdp3

média

Tensão Máxima (MPa)

451,57

393,74

440,87

428,72

Deformação Total (%)

2,24

2,32

2,31

2,29

Módulo de elasticidade – E (MPa)

18665

16991

19003

18220

Com os dados de todos os grupos, montamos a tabela comparativa abaixo (Tabela5):

Tabela 5: Valores comparativos para os três grupos:

 

Grupo 4

Grupo5

Grupo 6

Tensão Máxima (MPa)

236,69

428,15

428,72

Deformação Total (%)

2,95

2,12

2,29

Módulo de elasticidade – E (GPa)

7,84

20,18

18,22

Pela análise das curvas, notamos que os materiais compósitos de resina epóxi reforçados com fibras continuas de carbono ou fibras continuas de vidro, não apresentam região de deformação elástica e plástica bem definidas, bem como não apresentam definido o limite de escoamento. A curva tensão x deformação é bastante linear, e a tensão aumenta até a tensão máxima tendo então uma queda repentina devido à ruptura.

Através da análise dos dados para os diferentes grupos, podemos perceber que os valores para as amostras de compósitos: fibra de carbono/resina epóxi (Grupo 5 e Grupo 6) mantiveram-se bem próximos, e quando comparados com os valores de compósitos fibra de vidro/resina epóxi estes apresentaram valores bem maiores, exceto de deformação, como já era esperado, tendo em vista que a fibra de carbono apresenta maior resistência que a fibra de vidro.

Os valores experimentais para resistência à tração diferenciam-se dos valores teóricos das fibras de vidro e de carbono, (as fibras de vidro apresentam resistência à tração entre 1800 e 2600 MPa e as fibras de carbono apresentam resistência à tração entre 2700 a 5400 GPa ), porém sabemos que para materiais compósitos ocorre uma combinação das propriedades das fibras e da matriz que acaba definindo as propriedades finais do material.

Para os valores de módulo de elasticidade os resultados também mantiveram-se distantes dos teóricos (as fibras de vidro apresentam módulo de elasticidade em torno de 70 GPa, as fibras de carbono apresentam módulo de elasticidade entre 350 a 600 GPa e a resina epóxi apresenta um módulo de elasticidade próximo a 3,5GPa). Para determinarmos o módulo de elasticidade para materiais compósitos devemos aplicar a lei das misturas. Lembrando que os materiais teoricamente apresentavam 50% de matriz e 50% de fibras para os compósito reforçado com fibra de vidro teríamos um valor teórico de 36,75GPa (70 x 0,5 + 35 x 0,5) e para os reforçados com fibra de carbono em torno de 200 GPa. Esta diferença pode ser compreendida, pois o módulo de elasticidade não é exato quando calculado pelo ensaio de tração tendo em vista que a precisão dos resultados no ensaio ficou um pouco comprometida, pois não utilizou-se extensômetro.

Para a maioria dos corpos de prova ensaiados pudemos perceber que a fratura ocorreu bem próxima à garra, no limite da região delimitada como sendo a área útil. A ausência de tabs pode ser um dos fatores responsável por isso, tendo em vista que sua função é de concentrar a tensão na área útil do corpo de prova.

A inspeção visual, principalmente da amostra de fibra de vidro (correspondente ao nosso grupo) após serem submetidas a ensaios de resistência à tração, mostra que a falha começa nas laterais da amostra e gera uma delaminação das camadas, com início na borda do laminado e com propagação para o interior. Devido a delaminação de quase todas as camadas, a carga durante o ensaio de tração cai rapidamente e o ensaio é suspenso. Assim, as amostras apresentam-se sem a completa separação das superfícies de fratura.

De maneira breve, podemos dizer que a origem da falha ocorre na borda do laminado, causando a delaminação das camadas e a conseqüente falha da matriz e das fibras em seqüência. A ruptura perfeita é tida como a ruptura que ocorre na matriz e na fibra ao mesmo tempo, isso ocorre quando a interface é muito boa.

5. conclusão

Com a realização deste experimento podemos perceber maior resistência a tração dos compósitos reforçados com fibras de carbono quando comparados aos reforçados com fibras de vidro, através da analise dos resultados.

Comparando com dados da literatura, percebemos o quanto diferem-se as propriedades de materiais isolados, e quando são combinados como no caso de materiais compósitos.

Através da analise das fraturas, podemos visualizar e entender o mecanismo e o movimento das falhas nos materiais compósitos.

Podemos também perceber a interferência que o ensaio sofreu por não ter sido utilizado o extensômetro e os tabs.

6. BIBLIOGRAFIA

1. BOTELHOd, E. C.; REZENDE, M. C.; Caracterização Mecânica de Compósitos de Poliamida/Fibra de Carbono Via Ensaios de Cisalhamento Interlaminar e de Mecânica da Fratura. Polímeros: Ciência e Tecnologia, vol. 12, nº 3, p. 153-163, 2002.

2. PAIVA, J. M. F.; MAYER, S.; REZENDE, M.C. Evaluation of mechanical properties of four different carbon/epoxy composites used in aeronautical field. Materials Research, v.8, n°1, p. 91-97, 2005.

3. MORAIS, A. B. Prediction of the longitudinal tensile strength of polymer matrix composites. Composite Science and Technology, v.66, p. 2990-2996, 2006.

4. COSTA, G.G., Avaliação da Influência dos Ciclos Térmicos nas Propriedades dos Compósitos Termoplásticos de PPS e PEI com Fibras de Carbono e de Vidro Conformados por Prensagem a Quente. (Mestrado em Ciências) – Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), São José dos Campos, 156, f,2006.

5. BOTELHO, E. C.; PARDINI, L. C.; REZENDE, M. C. Hygrothermal effects on the shear properties of carbon fiber/epoxy composites. Journal Materials Science., v.41, p. 7111-7118, 2006.

6. FRANCO, L. A. L., BOTELHO, E. C., CÂNIDO, G. M., REZENDE, M. C., Avaliação Fractográfica e compósitos e fibras de vidro/epóxi após ensaios e Tração e Cisalhamento Interlaminar.17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 15 a 19 de Novembro de 2006, Foz do Iguaçu, PR, Brasil.

7. GARCIA, A.; SANTOS, C. A.; SPIM, J. A., Ensaios dos Materiais, Rio de Janeiro, Livros técnicos e Científicos S.A., 2000.

8. http://www.wikipedia.com.br

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