Profa. Márcia A. Silva Spinacé
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1 1º Quadrimestre 2017 Profa. Márcia A. Silva Spinacé AULA 07
2 É muito importante para a escolha do material para uma determinada aplicação, bem como para o projeto e fabricação do componente. As propriedades mecânicas definem o comportamento do material quando sujeitos à esforços mecânicos, pois estas estão relacionadas à capacidade do material em resistir ou transmitir estes esforços aplicados sem romper e sem se deformar de forma incontrolável.
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5 Considerações gerais sobre resistência mecânica de materiais poliméricos: Comportamento mecânico dos polímeros é caracterizado pela resposta que estes apresentam quando são submetidos à tensões ou deformações. Estrutura molecular Caráter único As repostas dos polímeros às solicitações mecânicas são fortemente dependentes de fatores geométricos como concentrações de tensões e condições de ensaio.
6 Efeito das variáveis internas Massa molar; ramificações e ligações cruzadas, cristalinidade, copolimerização, blendas poliméricas, reforços, cargas, plastificantes, etc. Efeito das variáveis externas Temperatura; tempo ou velocidade de deformação (ou velocidade de aplicação da tensão); ambiente (abrangendo umidade e outros agentes quimicamente agressivos ao polímero testado) etc. Condições de preparação e fabricação das amostras poliméricas, englobando o processamento Alterações estruturais significativas
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8 - O termo relaxação descreve processos através dos quais o equilíbrio é estabelecido. - A velocidade com que as relaxações ocorrem depende da probabilidade W de que a transição ocorra:
9 O comportamento viscoelástico é uma conseqüência das fracas interações moleculares e alta flexibilidade das cadeias poliméricas, resultando em uma superposição de características intrínsecas a sólidos elásticos Hookeanos e fluídos viscosos Newtonianos. Influência do tempo e da temperatura na resposta de um polímero a uma solicitação mecânica. Velocidade ou freqüência com que o polímero é solicitado pode alterar completamente seu comportamento durante o ensaio mecânico.
10 Fenômeno pelo qual o polímero apresenta características de um fluído e de um sólido elástico ao mesmo tempo. A deformação elástica ocorre devido às variações do ângulo e distância de ligação entre os átomos da cadeia polimérica (tanto da principal quanto de grupos laterais). A deformação plástica ocorre devido ao atrito e escoamento entre as moléculas poliméricas. Isso faz com que o polímero demore um tempo finito para responder à solicitação, gerando uma defasagem entre esta e a resposta.
11 Temperatura T f T g Log (Massa Molar) Comportamento fisico-mecânico de um polímero em função de sua Massa Molar e das temperaturas características (T g e T f ).
12 s s s e 0 t e 0 t 0 e t t t a) Elástico Viscoso Viscoelástico Lei de Hooke: s = E. e Lei de Newton: s = h dv/dy s = E. e + h dv/dy t Tensão Alongamento Módulo de Young Viscosidade
13 Todos os modelos para descrever o comportamento mecânico de polímeros e consequentemente as relaxações são baseados nos elementos: mola e amortecedor. Modelo de Maxwell Modelo de Kelvin ou Voigt
14 Modelo dos quatro elementos Modelo do sólido linear padrão - Zener A B 2 1
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16 Sólido Elástico Linear Lei de Hooke s = Ee onde E = módulo de elasticidade (baixas deformações) s = K( -1/ 2 ) onde = 1 + e (altas deformações, e 500%) 1) A resposta deformacional a uma força aplicada é instantânea (independe do tempo). 2) A forma do material antes e após a deformação permanece idêntica.
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18 A taxa deformacional do material depende apenas da tensão aplicada (s). e = (s) s = h e onde h = viscosidade A deformação (e) aumenta com o tempo após a aplicação da carga resultando em um comportamento viscoso completamente irreversível, uma vez que a forma do material deformado conserva-se após a retirada da carga. Comportamento viscoelástico linear e(s,t) = sj (t) Neste caso a função J(t) (compliancia) independe da tensão aplicada e caracteriza o comportamento deformacional do material.
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20 Modelo Kelvin-Voigt Retardamento creep
21 Modelo Kelvin-Voigt
22 Deformação Modelo Maxwell Tempo
23 Modelo Maxwell
24 Modelo Maxwell
25 Deformação Modelo de Burger Tempo
26 Modelo de Burger
27 DEFORMAÇÃO ELÁSTICA O módulo de elasticidade pode ser uma combinação dos módulos da fase cristalina e da fase amorfa Deformação da fase amorfa: pode ser parcialmente elástica se t g < t ambiente
28 DEFORMAÇÃO ELÁSTICA Deformação elástica: temporária, reversível Material original Durante tracionamento Tracionamento encerrado Por que a deformação é elástica? As moléculas enovelam-se novamente porque assim retornam à posições com o menor nível de energia possível.
29 DEFORMAÇÃO PLÁSTICA Deformação da parte cristalina: plástica Maior resistência Estrutura altamente orientada
30 DEFORMAÇÃO PLÁSTICA Deformação plástica: permanente, irreversível Material original Durante tracionamento Tracionamento encerrado Polímeros AMORFOS (termoplásticos e termofixos): as cadeias não se desenrolam material resiste à deformação ruptura com pequena ou nenhuma deformação Polímeros SEMICRISTALINOS, com T g < ambiente: a parte amorfa se desenrola pequena deformação elástica. material resiste à deformação até ruptura de planos da estrutura cristalina deformação plástica material rompe após grande deformação
31 Elastômero: poucos ligações cruzadas deformação elástica Plástico flexível: sem ligações cruzadas deformação plástica Termofixo plástico: muitas ligações cruzadas pouca deformação
32 Vulcanização : Polímero linear ou ramificado + enxofre polímero reticulado Reticulação ou cross-link: ligação covalente primária entre macromoléculas vizinhas Borrachas não vulcanizadas são pouco resistentes e pouco elásticas Poucos cross-links elasticidade (elastômero) Muitos cross-links rigidez (plástico)
33 FIBRAS Alta orientação molecular; Grande resistência à tração; Pouca deformação. Fibras PLÁSTICAS: As cadeias não se desenrolam, porque não há o que ser desenrolado alto nível de orientação molecular Alta resistência à deformação e ruptura por tração Materiais: PA, PAN, PET, acetato de celulose
34 Tempo: Curtíssima duração: IMPACTO Ensaios de curta duração: tração, compressão, flexão e torção. Longa duração: fluência e relaxação de tensão, fadiga. Tempo x Temperatura: Prever comportamento mecânico dos polímeros em longos períodos de tempo e previsão de vida útil. Nível de solicitação: Solicitações brandas: não atingem a estrutura do polímero e nem ocorre a ruptura; módulos de elasticidade sob tração e flexão. Solicitação visando avaliar propriedades limites; tensões e deformações na ruptura, resistência ao impacto, durabilidade sob fadiga.
35 porcentagem de alongamento
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37 Ensaio de curtíssima duração São ensaios para determinação de resistência à quebra por choque flexional de plásticos e materiais isolantes, através da medição de variação de energia cinética armazenada em pêndulos padrões e liberada ao chocarse com corpos de prova prismáticos.
38 Classificação dos testes de impacto Método de medida da energia de impacto Método nos quais a energia de impacto é ajustada até que uma determinada fração do lote de corpos de prova se quebrem. Exemplo: ensaio de impacto multiaxial por queda de peso. Método nos quais a energia cinética do martelo é maior do que a energia requerida para fraturar o corpo de prova. Exemplo: Ensaios Charpy, Izod e tração-impacto.
39 Ensaios Charpy e Izod: Métodos nos quais a energia cinética do martelo é maior do que a energia requerida para fraturar o corpo de prova. Charpy Izod
40 Equipamento para medida de impacto Corpo de prova
41 Equipamento para medida de impacto IZOD Entalh e Equipamento da Marca RESILcom pendulo semi automático (Faz ensaios no modo Izod e Charpy de acordo com normas ISO 179-2)
42 Entalhe O raio da extremidade, ângulo e profundidade do entalhe determinam o nível de concentração de tensões no corpo de prova Temperatura; Fatores estruturais; Cargas, reforços, plastificantes e outros aditivos; Condições de moldagem e historia térmica; Velocidade do ensaio de impacto; Outras variáveis tais como umidade e espessura do corpo de prova.
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45 Principais especificações das normas ASTM D 256 / ISO 180 Métodos de ensaio ASTM D 256 Método A Tipo Izod Método B Tipo Charpy Método C Tipo A para materiais frágeis Método D medida da sensibilidade ao entalhe Tipos de Fratura C- Fratura completa H- Fratura incompleta P- Fratura parcial (>90% da distância entre a extremidade da trinca e do CP) NB- não rompe (<90% da distância entre a extremidade da trinca e do CP)
46 Tempo: Curtíssima duração: impacto. Ensaios de curta duração: TRAÇÃO, compressão, flexão, torção. Longa duração: fluência e relaxação de tensão, fadiga. Tempo x Temperatura: Prever comportamento mecânico dos polímeros em longos períodos de tempo e previsão de vida útil. Nível de solicitação: Solicitações brandas: não atinge estrutura do polímero e nem ocorre a ruptura; módulos de elasticidade sob tração e flexão. Solicitação visando avaliar propriedades limites; tensões e deformações na ruptura, resistência ao impacto, durabilidade sob fadiga.
47 Equipamento para medidas de ensaios de tração, flexão e compressão. garra Máquina Universal de Ensaios Corpo de prova
48 Equipamento e acessórios para medidas de tensão-deformação Célula de carga Corpo de prova Garra auto travante
49 Geralmente, usa-se normas técnicas para o procedimento das medidas e confecção do corpo de prova para garantir que os resultados sejam comparáveis.
50 Curvas de tensão-deformação que podem ser obtidas no ensaios de tração de polímeros A e E = Resistência à tração na ruptura e Deformação na ruptura B = Resistência à tração no escoamento / Deformação no escoamento C = Tensão de tração na ruptura / Deformação na ruptura D = Tensão de tração no escoamento / Deformação no escoamento
51 São encontrados três tipos de comportamento tensão-deformação tipicamente diferentes nos materiais poliméricos. Curvas típicas de tensão x deformação Frágil: a fratura ocorre quando o material se deforma apenas elasticamente; Plástica ou ductil: semelhante aos materiais metálicos; Totalmente elástica: alta deformação com baixa tensão
52 Tensão (MPa) Módulo de elasticidade Curva tensão x deformação Módulo de elasticidade ou Módulo de Young: E = s e Alongamento (%)
53 Classificação do comportamento mecânico de polímeros baseado nas curvas tensão-deformação
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55 Tensão na ruptura GPa Tensão na ruptura GPa Tensão no ponto máximo
56 Curvas tensão-deformação para diferentes tipos de materiais poliméricos
57 Curva de tensão-deformação para um termoplástico
58 Tensão Curva de tensão-deformação de um polímero semi-cristalino ilustrando as alterações do corpo de prova ao longo do ensaio de tração Deformação
59 Tensão (MPa) Fatores que influenciam os resultados: Rápido Lento Rápido Lento Baixa temperatura Alta temperatura Deformação (%) Curvas de tensão-deformação para um polímero que foi ensaiado em duas temperaturas e velocidades diferentes.
60 Tensão Fatores que influenciam os resultados: Velocidade do ensaio ou Temperatura do ensaio t.a. Deformação Efeitos da velocidade de ensaio e da temperatura nas curvas tensão-deformação para o acetato de celulose
61 Fatores que influenciam os resultados: Características mecânicas dos polímeros são sensíveis a mudanças de temperaturas Curvas tensão x deformação para o acetato de celulose em várias Temp.
62 Normas utilizadas para ensaios de tração e suas características: Para a avaliação das propriedades mecânicas dos polímeros inúmeras normas são utilizadas e voltadas ao tipo de corpo de prova ASTM D Norma geral para realização de ensaios de tração em plásticos ISO 527 Plásticos ISO 37 Borrachas
63 Definições segundo a Norma D : Tensão de tração (nominal)- s: é a razão entre a carga ou força de tração (F) e a área inicial mínima da seção transversal do corpo de prova (Ao), expressa em MPa. Resistência à tração (nominal)- s: é a máxima tensão de tração (nominal) suportada pela amostra durante o ensaio de tração, expressa em MPa.
64 Definições segundo a Norma D : Resistência à tração no escoamento * Resistência à tração na ruptura Ponto de escoamento: é o primeiro ponto da curva tensão-deformação no qual um aumento na deformação ocorre sem um incremento na tensão. Deformação (e): é a razão entre a variação do incremento da distância entre marcas ( L) e o comprimento original entre as marcas (Lo)
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67 Tempo: Curtíssima duração: impacto. Ensaios de curta duração: tração, compressão, flexão, torção. Longa duração: fluência e relaxação de tensão, fadiga. Tempo x Temperatura: Prever comportamento mecânico dos polímeros em longos períodos de tempo e previsão de vida útil. Nível de solicitação: Solicitações brandas: não atinge estrutura do polímero e nem ocorre a ruptura; módulos de elasticidade sob tração e flexão. Solicitação visando avaliar propriedades limites; tensões e deformações na ruptura, resistência ao impacto, durabilidade sob fadiga.
68 Ensaio de curta duração Compressão F F Flexão F F
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71 Tempo: Curtíssima duração: impacto Ensaios de curta duração: tração compressão, flexão, torção. Longa duração: fluência e relaxação de tensão, fadiga. Tempo x Temperatura: Prever comportamento mecânico dos polímeros em longos períodos de tempo e previsão de vida útil. Nível de solicitação: Solicitações brandas: não atingem a estrutura do polímero e nem ocorre a ruptura; módulos de elasticidade sob tração e flexão. Solicitação visando avaliar propriedades limites; tensões e deformações na ruptura, resistência ao impacto, durabilidade sob fadiga.
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74 Polímeros Curva típica deformação tempo de um ensaio de fluência/recuperação sob tensão constante para polímeros
75 Fatores estruturais e de processamento possuem influencias marcantes sobre o comportamento mecânico dos polímeros. As características estruturais que influenciam nestas propriedades são: Estrutura química Cristalinidade Massa Molar Plastificantes Fibras para reforço Elastômeros para tenacificação
76 ESTRUTURA QUÍMICA O aumento do comprimento de grupos laterais proporciona uma maior separação entre as cadeias principais, que, por sua vez, proporciona uma maior mobilidade molecular, o que resulta num aumento de flexibilidade.
77 CRISTALINIDADE À medida que o grau de cristalinidade de um polímero aumenta, a resistência e a dureza também aumentam. Propriedades Mecânicas de PE com vários graus de cristalinidade Propriedade Tipo1 Tipo 2 Tipo 3 Densidade (g/cm 3 ) 0,910-0,925 0,926-0,940 0,941-0,965 Resistência à Tração (MPa) Módulo sob Flexão (GPa) 0,05-0,4 0,4-0,7 0,7-1,8 Dureza, Rockwell D Ordem de cristalinidade: Tipo 1 < Tipo 2< Tipo3
78 MASSA MOLAR Com o aumento da massa molar, um maior número de moléculas entre cristalinos aparecerá, amarrando assim a estrutura de estado agregado. PLASTIFICANTES, ÁGUA E/OU MONÔMERO RESIDUAL Quando plastificantes são adicionados à formulação de um polímero para reduzir a dureza no produto acabado, altera-se fortemente seu comportamento mecânico. A adição de plastificantes também provoca um acentuado deslocamento da temperatura de transição do modulo para valores mais baixos
79 FIBRAS DE REFORÇO Considerando-se que a distribuição de esforços ou tensões em uma matriz polimérica é uniforme, em todos os seus pontos a presença de uma segunda fase dispersa nessa matriz também sentira a solicitação aplicada no conjunto. Se o modulo de elasticidade dessa segunda fase for mais alto que a matriz, o resultado final será um aumento nas propriedades mecânicas do composto.
80 ELASTÔMEROS PARA TENACIFICAÇÃO Utiliza-se elastômeros (borrachas) para aumentar a tenacificação de polímeros frágeis. Borracha Representação de um filme de HIPS- PS + partículas de borracha.
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