ESTUDO DE FRATURA EM UM ADESIVO FLEXÍVEL USANDO TESTE DCB ATRAVÉS DO MÉTODO DE CORRELAÇÃO DE IMAGENS DIGITAIS

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1 ESTUDO DE FRATURA EM UM ADESIVO FLEXÍVEL USANDO TESTE DCB ATRAVÉS DO MÉTODO DE CORRELAÇÃO DE IMAGENS DIGITAIS L. E. N. Caldeira; L. C. S. Nunes Rua Passo da Pátria, 156, Niterói, RJ, Brazil, ; Universidade Federal Fluminense RESUMO O objetivo deste trabalho é estudar o comportamento de fratura em um adesivo flexível usando o teste DCB (Double Cantilever Beam). Os corpos de provas foram fabricados com placas de alumínio coladas com um adesivo caracterizado por apresentar alta elasticidade e elevada resistência mecânica. No procedimento experimental, tais espécimes foram submetidos a um modo de carregamento do tipo I, ou seja, abertura de trinca. Os campos de deslocamentos foram determinados usando o método de Correlação de Imagens Digitais. Este método se destaca pela capacidade de obtenção de medidas globais de deslocamentos sem a necessidade de contato físico. Foram obtidas as deflexões das placas de alumínio para diferentes cargas. Usando esta informação, a abertura na ponta da trinca foi estimada e associada à força aplicada. Uma relação não linear, entre a força aplicada e a abertura na ponta da trinca, foi encontrada. Palavras-chave: adesivo flexível, fratura, DCB, correlação de imagens digitais. INTRODUÇÃO A utilização de juntas coladas, como método de união em componentes estruturais, tem crescido nos últimos anos como consequência das vantagens deste tipo de junta comparada às alternativas usuais. Neste contexto, tornou-se necessário estudar seu comportamento para aplicação em diversos setores da indústria. Conforme descrito na literatura (1), a junta colada é um método comum de união de 7159

2 dois ou mais componentes, e permitem uma distribuição mais uniforme da carga sobre uma área maior, reduzindo assim concentração de tensões localizada, em comparação com juntas soldadas, por exemplo. Quando dito que permitem uma distribuição mais uniforme, não significa que as tensões são uniformes ou que as distribuições de tensões são de fácil entendimento em juntas coladas. Alguns fatores devem ser levados em consideração, como por exemplo, o tipo de adesivo utilizado, a geometria da junta e o teste mecânico a ser realizado para analisar a junta colada. Há uma grande variedade de adesivos produzidos na indústria e estão cada vez mais sendo considerados relevantes como meio de união entre componentes, devido suas propriedades mecânicas diferenciadas. Os testes para avaliar adesivos, com completos roteiros de realização, são formalizados e normalizados por normas, como ASTM (2,3). São classificados em categorias, tais como: ensaios de tração, ensaio de juntas sobrepostas (ensaios de cisalhamento), ensaios de arrancamento e ensaios baseados em mecânica da fratura. Neste trabalho, foram realizados ensaios relacionados à mecânica da fratura, mais precisamente de tipo I, ou seja, abertura de trinca. Trata-se de um teste mecânico bastante usual e de fácil aplicação para determinação das características e comportamento do adesivo escolhido. Para análise do ensaio de fratura e obtenção de resultados, foi proposta aqui a utilização de um método óptico de análise experimental. Na literatura (4-7), existem diferentes tipos de métodos ópticos para as mais diversas aplicações, sendo o método da Correlação de Imagens Digitais um deles, e mais aplicado para este trabalho. Trata-se de uma técnica bastante recomendada para medição em testes mecânicos e muito utilizada em vários trabalhos (8-20). Um dos destaques deste método é sua capacidade de obtenção de medidas globais de deslocamentos sem a necessidade de contato físico. A contribuição deste trabalho é fornecer um estudo sobre o comportamento de fratura em um adesivo flexível usando o teste DCB (Double Cantilever Beam), bem como a determinação do campo de deslocamentos através do método de Correlação de Imagens Digitais. MATERIAIS E MÉTODOS Corpo de prova 7160

3 O corpo de prova utilizado neste trabalho, conforme mostrado na Fig. 1, foi composto por duas chapas de alumínio de dimensões 200 mm x 25,4 mm x 6,35 mm coladas sobre seu comprimento, com exceção de 60 mm em uma extremidade, com a espessura do adesivo de 1 mm. O adesivo flexível à base de polímero modificado por silano (CASCOLA FLEXTEC FT 101) foi escolhido devido à suas características, tais como: alta elasticidade, impermeável, com alta resistência e poder de aderência em diversas superfícies. Fig. 1. Espécime com suas dimensões. O ensaio conhecido como Double Cantilever Beam (DCB) é um ensaio padrão utilizado para determinação de parâmetros e características de juntas coladas submetidas à fratura com modo de carregamento de tipo I, ou seja, abertura de trinca. O espécime é submetido a um carregamento de tração em uma máquina de ensaios, puxando-se as duas placas mostradas na Fig. 1, na extremidade onde as mesmas não estão coladas, deixando o outro lado em balanço. Atualmente, a norma ASTM D3433 (2), trata de ensaios em juntas coladas baseados na mecânica da fratura. As duas configurações descritas em (2) são conveniente e amplamente utilizadas para a avaliação de adesivos, bem como para materiais compósitos. Em diversos artigos encontrados na literatura (21-24), foram utilizadas geometrias de testes não padrão, o que é comum acontecer por se tratarem de aplicações específicas. A definição do corpo de prova utilizado neste trabalho foi baseada, também, na norma ASTM D5528 (3). Para fixar o corpo de prova no equipamento de ensaio, foram utilizadas duas dobradiças comuns presas por parafusos em cada chapa de alumínio do mesmo, conforme mostrado na Fig. 2. Foram aplicadas no corpo de 7161

4 prova cargas de tração através de um simples equipamento, descrito na seção 3 deste trabalho. Fig. 2. Espécime utilizado no ensaio. Método de Correlação de Imagens Digitais (CID) O método de Correlação de Imagens Digitais (CID) é um método óptico-numérico desenvolvido para determinar campos de deslocamentos, utilizando câmeras digitais com boa resolução (4,5). Ele se destaca pela extensa aplicabilidade em diversos campos da mecânica experimental. Este método é relativamente simples, por utilizar equipamentos de fácil manuseio, e uma das vantagens industriais mais evidentes é que a determinação dos campos de deslocamentos e das deformações pode ser feita diretamente sobre uma estrutura em operação. Qualquer componente pode ser analisado, independentemente do tipo de material que ele é fabricado. O princípio do método CID (25), é encontrar a máxima correlação entre pequenas regiões do espécime nos estados não deformado e deformado. A superfície do corpo de prova deve ser coberta por um padrão aleatório, que pode ser obtido através de tinta spray. Durante o ensaio, diversas imagens do corpo de prova são adquiridas, através de um sistema de aquisição de imagens, incluindo uma câmera digital de alta resolução. A última etapa do processo consiste no pós-processamento destas imagens adquiridas durante o ensaio. Utiliza-se um programa especifico de correlação de imagens para determinar os campos de deslocamentos. ARRANJO EXPERIMENTAL Na figura 3 é ilustrado o arranjo experimental composto por uma câmera CCD (Sony XCD-SX910), um aparato de tração e o corpo de prova em análise. Para captura das 7162

5 imagens, a câmera CCD foi disposta perpendicularmente ao corpo de prova. Na Figura 3, é possível perceber o arranjo experimental do ensaio. As imagens do espécime durante a deformação foram capturadas e processadas através de um programa de análise CID caseiro. O espécime foi pulverizado com tinta preta em sua lateral para obter um padrão de manchas aleatório, para poder realizar o procedimento da correlação de imagens (Fig. 2). Fig. 3. Corpo de prova utilizado no ensaio DCB em análise pelo método de Correlação de Imagens Digitais. RESULTADOS E DISCUSSÃO Com o objetivo de analisar o comportamento do adesivo, foi realizado ensaio envolvendo aplicação de carga até a abertura de trinca neste adesivo. Na Figura 4, mostra-se um conjunto de imagens do espécime associadas com as cargas aplicadas (0, 169, 289 N). Nota-se a elasticidade do adesivo, sem a propagação de trinca para cargas abaixo de 169 N. As chapas de alumínio permanecem unidas, obtendo uma abertura maior na extremidade de ensaio, quando a carga aplicada é de 289 N, mostrando a elevada elasticidade do adesivo analisado, sem que haja seu rompimento. 7163

6 Fig. 4. Comportamento do corpo de prova para diferentes cargas aplicadas Campos de deslocamentos foram obtidos para toda a extensão do corpo de prova analisado através do método CID, descrito no item 2.2. A Figura 5 mostra um exemplo do campo de deslocamento vertical associado à força aplicada de 289 N, onde é possível observar em qual região do corpo de prova que houve um maior deslocamento e deformação do material analisado. Fig. 5. Campo de deslocamento vertical (mm) para a carga de 289 N. A Figura 6 mostra três diferentes cargas aplicadas no mesmo corpo de prova, analisando-se seus respectivos deslocamentos verticais (em mm), ou seja, a abertura da trinca para a respectiva carga aplicada, em relação à extensão em x (em mm). Estes dados da Fig. 6 foram obtidos com os dados fornecidos pelos campos de deslocamentos verticais das cargas de 101, 186 e 289 N, sendo que, para esta última carga, o seu campo de deslocamento é mostrado na Fig. 5. As cargas de 101 e 186 N mostram a situação intermediária da abertura da trinca durante o ensaio. A carga de 289 N mostra a abertura da trinca final. Observa-se a grande abertura de trinca ocorrida, sem que houvesse o rompimento do espécime. Fig. 6. Deslocamento vertical (mm) para as cargas de 101, 186 e 289 N. 7164

7 A Figura 7 relaciona todas as cargas aplicadas no corpo de prova e a abertura de trinca (vertical) sofrida pelo mesmo em cada situação. Foram obtidas aberturas de trinca maiores que 2 mm. Ambas estas curvas mostram e comprovam a alta elasticidade do adesivo, bem como sua alta resistência mecânica para elevadas cargas aplicadas. Fig. 7. Carga (N) x Deslocamento (mm) CONCLUSÕES Neste trabalho foi realizado um estudo sobre o comportamento de fratura em um adesivo flexível usando o teste DCB (Double Cantilever Beam), utilizando o método de Correlação de Imagens Digitais para a determinação do campo de deslocamentos (abertura de trinca). Foram obtidos resultados bastante promissores nesta análise. Comprovou-se que a utilização do método da Correlação de Imagens Digitais é o mais adequado para realizar as medições dos campos de deslocamento durante o ensaio DCB. O adesivo analisado realmente possui alta elasticidade e uma elevada resistência mecânica, bem como possui grande poder de aderência. Ficou provado que adesivos industriais oferecem excelentes propriedades, tornando-os capazes de serem utilizados como método de união em componentes estruturais. Considerando que este adesivo apresentou resultados bastante satisfatórios, novos ensaios em diferentes situações, bem como o estudo do comportamento teórico destes ensaios, serão apresentados em trabalhos futuros. AGRADECIMENTOS 7165

8 O apoio financeiro da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro, FAPERJ, e do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, CNPq, é fortemente apreciado. REFERÊNCIAS 1. Pocius, A. V.: Adhesion Science and Engineering 1. Elsevier Science B. V., (2002). 2. ASTM D3433: Standard Test Method for Fracture Strength in Cleavage of Adhesives in Bonded Metal Joints. 3. ASTM D5528: Standard Test Method for Mode I Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites. 4. Dally, J.W.; Riley, W.F.: Experimental Stress Analysis, 4th ed. McGraw Hill, Sharpe Jr., W. N.: Springer Handbook of Experimental Solid Mechanics. Springer Science-Business Media, LLC New York, (2008). 6. Israel, S.J.; Thomas, E.L.; Gerberich, W.W.: Correlations of the craze profile in PMMA with Dugdale s plastic zone profile, J. Mat. Sci. 14 (1979) Arakawa, K.; Takahashi, K.: Displacement fields a crack tip in polymers, Int. J. Fract. 86 (1997) Yates, J.R.; Zanganeh, M.; Tai, Y.H.: Quantifying crack tip displacement fields with DIC, Eng. Fract. Mech. 77 (2010) Nunes, L.C.S.; Reis, J.M.: Estimation of crack-tip-opening displacement and crack extension of glass fiber reinforced polymer mortars using digital image correlation method, Mat. Design 33 (2012) Carroll, J.; Efstathiou, C.; Lambros, J.; Sehitoglu, H.; Hauber, B.; Spottswood, S.; Chona, R.: Investigation of fatigue crack closure using multiscale image correlation experiments, Eng. Fract. Mech. 76 (2009) Tao, H.; Zavattieri, P.D.; Hector Jr., L.G.; Tong, W.: Mode I fracture at spot welds in dual-phase steel: an application of reverse digital image correlation, Exp. Mech. 50 (2010) Sutton, M.A.; Orteu, J.J.; Schreier, H.W.: Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements, Springer Science and Business Media LCC, Poissant, J.; Barthelat, F.: A novel Subset Splitting procedure for digital image correlation on discontinuous displacement fields, Exp. Mech. 50 (2010)

9 14. Nunes, L.C.S.; Reis, J.M.; Mattos, H.C.: Parameters identification of polymer concrete using a fracture mechanics test method and fullfield measurements, Eng. Fract. Mech. 78 (2011) Shen, B.; Paulino, G.H.: Direct extraction of cohesive fracture properties from digital image correlation: a hybrid inverse technique, Exp. Mech. 51 (2011) Nunes, L.C.S.: Mechanical characterization of polytetrafluoroethylene polymer using full-field displacement method, Opt. Lasers Eng. 49 (2011) Nunes, L.C.S.: Mechanical characterization of hyperelastic polydimethylsiloxane by simple shear test, Mat. Sci. Eng. A 528 (2011) Pan, B.: Recent progress in digital image correlation, Exp. Mech. 51 (2011) Fedele, R.; Sessa, S.; Valoroso, N.: Image Correlation-Based Identification of Fracture Parameters for Structural Adhesives. Technische Mechanik, 32, 2-5, (2012), Can, W.; Hao-ran, C.; Zhen-kun, L.: Experimental investigation of interfacial fracture behavior in foam core sandwich beams with visco-elastic adhesive interface. Composite Structures 92 (2010) de Moura, M. F. S. F.; Gonçalves, J. P. M.; Magalhães, A. G.: A straight forward method to obtain the cohesive laws of bonded joints under mode I loading. International Journal of Adhesion & Adhesives, 39, (2012), Valoroso, N.; Sessa, S.; Lepore, M.; Cricrì, G.: Identification of mode-i cohesive parameters for bonded interfaces based on DCB test. Engineering Fracture Mechanics, 104, (2013), Lefebvre, D. R.; Dillard, D. A.; Brinson, H. F.: The Development of a Modified Double-Cantilever-Beam Specimen for Measuring the Fracture Energy of Rubber to Metal Bonds. (1988), Richter-Trummer, V.; Marques, E. A.; Chaves, F. J. P.; Tavares, J. M. R. S.; da Silva, L. F. M.; de Castro, P. M. S. T.: Analysis of crack growth behavior in a double cantilever beam adhesive fracture test by different digital image processing techniques. Mat.-wiss. u.werkstofftech, (2011), 42, No Nunes, L.C.S.: Crack-craze opening profiles near a crack tip in a polytetrafluoroethylene, Polymer Testing 31 (2012)

10 FRACTURE ANALYSIS OF A FLEXIBLE ADHESIVE USING DCB TEST BY DIGITAL IMAGE CORRELATION METHOD ABSTRACT The main purpose of this work is to study the fracture behavior of a flexible adhesive using a Double Cantilever Beam (DCB) test. The specimens were made with aluminum plates bonded with an adhesive characterized by high elasticity and good mechanical strength. In the experimental procedure, specimens were subjected to a load condition type I, which is defined as opening mode. The displacement fields were determined through the Digital Image Correlation (DIC) method. This method stands out for its capacity to extract full-field displacement measurements without needing physical contact. Displacements of the aluminum plates for different loads were obtained. Using this information, the crack opening was estimated and associated with the applied force. A nonlinear relationship between the applied force and the crack opening was found. Keywords: flexible adhesive, fracture, DCB, digital image correlation. 7168