relatorio de cisalhamento em compositos

relatorio de cisalhamento em compositos

UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA

CAMPUS DE GUARATINGUETÁ

DEPARTAMENTO DE MATERIAIS E TECNOLOGIA

Ensaio de Cisalhamento Interlaminar (ILSS) em Compósitos Carbono/Furfurílica

Natália Chaves Osidacz 06140-6

Paulo Henrique

Paulo Tasso

Priscila Folkl

  1. OBJETIVO

Estudar o limite de resistência ao cisalhamento interlaminar (ILSS) de laminados de compósito carbono/epóxi. Bem como, analisar fractograficamente o comportamento à resistência à tração e ao cisalhamento (ILSS).

  1. INTRODUÇÂO

Os materiais compósitos poliméricos estão se tornando cada vez mais importantes em aplicações industriais, particularmente na indústria aeronáutica, onde as propriedades de alta resistência e baixa massa específica são necessárias. Como os compósitos estão sendo usados para a fabricação de peças estruturais críticas, como em estabilizadores horizontais e verticais e revestimento de asas, seu comportamento mecânico deve ser melhor entendido. Para isso, as suas propriedades devem ser muito bem caracterizadas, como ocorre com os materiais mais usuais - os metais. Assim sendo, existe um esforço muito grande para se estender os conhecimentos de resultados estabelecidos na área de análise de falhas de metais para os materiais compósitos.

É importante notar que, os diferentes tipos de falhas estão relacionados com o tipo de matriz e fibras e com a relação de adesão e interface existente entre estes elementos.

  As falhas em compósitos podem ser descritas pelos mecanismos de danos que ocorrem na fratura. Esses podem ser identificados por quebra das fibras, trinca da matriz ou delaminação interlaminar. A quebra de fibras e a trinca da matriz são dependentes das propriedades de resistência dos constituintes, enquanto que a delaminação pode ser causada por anomalias durante a fabricação, seqüência de empilhamento de camadas, processo de cura ou impactos que ocorrem na vida em serviço. Com a progressão do carregamento, o acúmulo de danos ou falhas locais existentes no laminado provoca a falha final do compósito. A falha catastrófica raramente acontece na carga correspondente à da falha inicial ou da falha da primeira camada.

A superfície de fratura é a principal fonte de referências para se determinar a causa da falha. Nela está registrada de forma detalhada a história dos danos ou de parte dela, contendo as evidências do tipo de carregamento, os efeitos envolvidos e a qualidade do material.

O domínio da fractografia de compósitos permite identificar os diferentes esforços que atuaram em um componente. Esta identificação dá condições e ferramentas para se determinar a causa do dano e definir medidas corretivas e preventivas no processamento, manutenção e reparo de compósitos [1].

A fractografia é uma das principais ferramentas utilizadas no processo de análise após danos ou falhas. Consiste em identificar aspectos fractográficos e estabelecer as relações entre a presença, ou ausência desses aspectos com a seqüência de eventos da fratura, podendo levar à determinação do carregamento e condições dos esforços no momento da falha. A fractografia confirma ou remove as suspeitas que possam recair sobre os modos de falha ocorridos. Esta área de estudos teve como um dos seus primeiros estudiosos os pesquisadores Purslow; Sohn e Hu.

Esta ferramenta é a chave para se determinar a seqüência dos eventos ocorridos durante o processo de fratura e identificar o estado de tensões atuantes no momento da falha. Outros fatores como condições ambientais, defeitos do material e outras anomalias que podem contribuir para o início, crescimento e término da fratura também podem ser avaliados pelo uso da fractografia. Normalmente, esta área da pesquisa faz uso de diferentes técnicas, podendo-se citar a observação visual, óptica macroscópica, seguida da microscópica óptica, microscopia eletrônica de varredura e, em alguns casos, microscopia eletrônica de transmissão. A observação deve atentar não somente para a identificação e documentação da morfologia da falha, mas também para informações que ajudem a determinar as causas da falha. Assim, três operações básicas devem ser seguidas: classificação do tipo de falha, mapeamento da trinca e análise química da superfície da fratura.

A primeira classificação do tipo de falha conduz a duas definições, falhas interlaminares e translaminares. Esta classificação ajuda muito, pois diferentes métodos podem ser empregados para melhor estudar cada um dos diferentes tipos de fratura. Fraturas interlaminares ou delaminações são melhores analisadas pela direção de propagação da trinca utilizando-se microscopia óptica, enquanto que as fraturas translaminares, onde ocorre o rompimento das fibras, são melhores analisadas por microscopia eletrônica de varredura [2].

    1. Cisalhamento Interlaminar

Quando os compósitos poliméricos são utilizados na fabricação de componentes estruturais, a determinação da resistência ao cisalhamento interlaminar é um parâmetro particularmente importante no projeto dessas estruturas. A determinação da propriedade de cisalhamento interlaminar é uma tarefa difícil, devido à natureza anisotrópica dos compósitos e de sua resposta não linear sob esforços cisalhantes [3].

Este ensaio deve fornecer uma região de cisalhamento puro e uniforme, ser reprodutível, não necessitar de um equipamento especial de ensaios e fornecer uma resposta de tensão/deformação confiável. Para o resultado ser significativo, o modo de falha deve ser cisalhante ou apresentar uma deformação plástica com evidência de falha por delaminação. Segundo dados contidos na literatura, o modo de falha resultante desse ensaio deve apresentar uma das notações ilustradas na Figura 1 [4].

FIGURA 1:

Entre os testes existentes, um dos mais utilizados para cisalhamento interlaminar é o cisalhamento em três pontos, uma vez que esse método utiliza pouco material e possui dispositivo de ensaio simples quando comparados aos outros métodos, e permite avaliar quantitativamente diferenças entre materiais.

O ensaio de cisalhamento em três pontos “short beam” também conhecido como ILSS, é recomendado para avaliação e controle da qualidade dos materiais, por ser rápido na avaliação das condições de processamento dos compósitos [3]. O dispositivo de ensaio utiliza o sistema de fixação do ensaio de flexão de 3 pontos, sendo a carga aplicada por um cilindro superior. A flexão é o esforço que se caracteriza por induzir numa peça tensões de compressão numa parte de uma secção transversal e tensões de tração na parte restante [3] [5].

  1. MATERIAIS E MÉTODOS

    1. MATERIAIS

- Compósito Resina furfurílica/fibra de carbono contínua

    1. EQUIPAMENTOS

- Paquímetro digital

- Máquina de ensaios mecánicos

    1. MÉTODOS

Primeiramente, as amostras de laminados de fibras de carbono, já processadas anteriormente, foram cortadas. Utilizando um paquímetro, a largura e a espessura dos corpos de prova foram medidas três vezes, sendo a média calculada na tabela a seguir:

Sabendo que a área do compósito é:

Área = Largura x Espessura

Tabela 1: Medidas realizadas dos corpos de prova.

CDP

Espessura (mm)

Largura (mm)

área (mm²)

1

1,48

10,25

15,17

2

1,47

9,98

14,67

3

1,50

10,12

15,18

Para iniciar o ensaio de ILSS, as amostras foram colocadas sobre o dispositivo da INSTRON, com as extremidades dos corpos de prova apoiadas em dois suportes do dispositivo. Desta forma, uma carga foi aplicada a uma velocidade constante no ponto médio da amostra até o laminado falhar.

  1. RESULTADOS

A partir dos valores obtidos nos ensaios de ILSS, foram plotados os gráficos a seguir:

Gráfico 1: Ensaio de cisalhamento interlaminar para o corpo de prova 1.

Gráfico 2: Ensaio de cisalhamento interlaminar para o corpo de prova 2.

Gráfico 3: Ensaio de cisalhamento interlaminar para o corpo de prova 3.

A partir da análise dos gráficos é possível obter os valores de cargas máximas e as flechas correspondentes para os três corpos de prova ensaiados:

Corpo de prova

Flecha (mm)

Carga Máxima(N)

Tensão máxima

Desvio padrão –flecha(mm)

Desvio padrão –Carga Máxima (mm)

1

0,5383334

1381,56

91,07

0,155475

458,2203

2

1,822833

1145,479

78,08

0,526279

353,4740

3

0,4595208

1376,983

90,71

0,132718

439,1685

Média

0,9402290

1301,341

86,62

A tensão máxima é calculada através da seguinte equação:

(1)

O desvio padrão da tensão é:

Primeiramente, não foi observado entre os corpos de prova ensaiados, um evidente deslizamento entre as camadas dos compósitos, ou seja, as características dos dados são compatíveis a um ensaio de flexão e não de cisalhamento. Este fato pode ser explicado pois estes foram laminados manualmente, sem exercer grande pressão até a cura da resina epóxi estar completa. Isso gerou muitas bolhas e outros concentradores de tensão, que facilitaram a falha por flexão uma vez que os esforços transversais favoreceram este tipo de falha. Além disso, os compósitos foram fabricados com um número limitado de camadas. Isso dificulta ainda mais a falha ocorrer por meio de cisalhamento interlaminar.

A análise dos valores de carga máxima e suas respectivas flechas mostraram que houve uma grande variação na resistência a flexão entre os 3 corpos de prova. Esse fato se deve principalmente a grande variação na densidade de defeitos presentes nas diferentes regiões da amostra, bem como o tamanho das bolhas.

No corpo de prova 1 é verificado uma carga máxima superior as dos outros corpos de prova. Este evento deve-se a inúmeros fatores já citados acima. O corpo de prova 2 mostra uma carga máxima bem inferior comparadas as outras, isso se deve, entre outros fatores, a uma má adesão fibra-matriz.

A resina furfurílica por ter uma cor escura dificultou a visão das falhas a olho nu, assim como a marcação dos cdps.

  1. CONCLUSÃO

Neste trabalho foi possível observar que apesar do ensaio realizado nos corpos de prova de compósito de fibra de carbono/resina furfurílica ter sido de cisalhamento interlaminar (ILSS) os cdps sofreram fratura por flexão. Este fato deve-se a espessura dos corpos de prova assim como a presença de concentradores de tensão na matriz.

Pôde-se dizer também que a trinca realizada inicia-se na matriz, citando como algumas evidencias o tamanho do vazio resultante do ensaio, sendo uma possível causa a presença de bolhas devido o rústico processamento utilizado no compósito.

Foi possível visualizar também uma grande variação na resposta ao ensaio de flexão dentre os corpos de prova utilizados, sendo uma explicação a grande variação na densidade de defeitos presentes nas diferentes regiões da amostra, alem dos tamanhos das amostras.

Já com relação ao ensaio de tração foi observada uma carga máxima superior à dos outros corpos de prova.

  1. BIBLIOGRAFIA

[1] REZENDE, M. B. – Fractografia em Compósitos Estruturais – Polímeros  vol.17 no.3 São Carlos 2007

[2]FRANCO, L. A. – Análise Fractográfica de Compósitos Poliméricos Estruturais -Campo Montenegro São José dos Campos, SP 2003

[3] Costa , M. L. – Efeito do Conteúdo de Vazios no comportamento Mecânico de Compósitos Avançados Carbono/ Epóxi e Carbono/Bismaleimida - Campo Montenegro, São José dos Campos, SP - Brasil

[4] BOTELHO, E. C., REZENDE , M. B. - Caracterização Mecânica de Compósitos de Poliamida/Fibra de Carbono Via Ensaios de Cisalhamento Interlaminar e de Mecânica da Fratura - Polímeros vol.12 no.3 São Carlos  2002.

[5] Ventura ,O. S. P. ; Passos O. S. ; Lobo J. B. A.; Fujiyama R. T. - Caracterização Mecânica em Flexão de Compósito de Argamassa de Cimento Reforçada por Fibras Naturais - 17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 15 a 19 de Novembro de 2006, Foz do Iguaçu, PR, Brasil.

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