ESTUDO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIMÉRICA COM FIBRA DE VIDRO CONTENDO DESCONTINUIDADES GEOMÉTRICAS J. L. Braga Neto 1, F. S. Lima 1, K.V. Batista 1, W.F. de Amorim Júnior 1 1 Universidade Federal do Rio Grande do Norte UFRN 2 Universidade Federal de Campina Grande UFCG Campus Campina Grande. Rua Aprígio Veloso, 882 Campina Grande/PB neto_braga@hotmail.com RESUMO Os compósitos têm papel de importância na produção de elementos industriais, em especial, quando a análise envolve a monitoração do seu desempenho com a presença de descontinuidades geométricas, é cogente uma apreciação. Neste sentido, este trabalho investiga as propriedades mecânicas em compósitos de fibra de vidro e resina poliéster com descontinuidades geométricas (furo central e com variação da distância entre os furos) através de ensaios de tração uniaxial. Foram observados os valores da tensão máxima de ruptura para tais laminados, assim como a característica final da fratura. Os resultados comprovam que a presença de descontinuidades geométricas tem efeito danoso nas propriedades mecânicas do material, principalmente quando majorou o diâmetro do furo central de 6 mm para 12 mm. Quanto ao comportamento à fratura dos compósitos, verificou-se que a fratura final do tipo LGM era predominante, com exceção da distância entre os furos de 6,2 mm que apresenta o tipo AGM. Palavras-Chave: Materiais Compósitos, Comportamento Mecânico, Concentradores de Tensão, Furo Central INTRODUÇÃO O progresso tecnológico, em pauta, na sociedade moderna incita, que os ciclos de desenvolvimento de produtos sejam consideravelmente menores, de modo a suprir uma maior produção com redução de custos, sem perda equivalente de competitividade. Muitos dos produtos modernos requerem materiais novos, que alcancem combinações de propriedades incomuns, ou melhor, que não podem ser contempladas individualmente pelos materiais convencionais da classe dos metais, 2012
polímeros e cerâmicas. Por conseguinte, surgiu uma nova geração de materiais ao longo de anos de pesquisa e desenvolvimento, os materiais compósitos, projetados para acatar essas exigências das tecnologias modernas. Os materiais compósitos, ou apenas compósitos, são a mistura ou combinação de dois ou mais elementos constituintes quimicamente diferentes, insolúveis uns nos outros, com o objetivo de formar um material com propriedades melhores que cada componente isoladamente (2). Hodiernamente, os compósitos vêm se notabilizando pelo maior espaço dentro da indústria, adquirido em função de importantes propriedades características, como os altos valores de resistência e rigidez específico. As aplicações são em diversos campos da indústria aeronáutica e aeroespacial, de transporte, equipamentos de desporto, infraestrutura e biomédico. A ampla disseminação dos compósitos ordena, todavia uma investigação do seu comportamento mecânico frente as mais diversas condições de projeto, permitindo a partir da sua ciência o emprego destes materiais de forma otimizada e confiável. Nesta perspectiva, uma das condições de projeto mais corriqueira é a presença de descontinuidades geométricas em elementos estruturais, exemplificado, através de furos, ranhuras e entalhes, acarretando problemas com relação a distribuição das tensões internas e áreas com concentração de tensão (5). O efeito da concentração de tensões em compósitos, de um modo geral, é bem mais complexo em relação aos materiais convencionais, pois durante alguns anos modelos experimentais e teóricos vêm buscando essa compreensão (6). Diretamente associado a esta temática surgiram estudos, como Fontes (1), que se concentraram nas respostas mecânicas, modos de fratura e Resistência Residual (RS) de um laminado compósito híbrido de matriz polimérica com e sem a presença de descontinuidades geométricas. Por outro lado, Tinô (5) trabalhou de forma a avaliar a resposta mecânica quando em presença de descontinuidade geométrica, de materiais de matriz polimérica/fibra de vidro frente ao ensaio de tração uniaxial. Neste contexto, este estudo visa avaliar a resistência mecânica e característica final da fratura de compósitos de matriz polimérica reforçados com manta de fibra de vidro-e, submetidos a carregamento de tração uniaxial com diferentes dimensões e arranjos de descontinuidade geométrica (furo central e furos com variação de espaçamento). 2013
MATERIAIS E MÉTODOS Materiais As matérias-primas utilizadas neste estudo foram: (i) resina poliéster insaturada orto-teraftalica empregada como matriz polimérica para a confecção do laminado, suprido pela Empresa EquiFiber Equipamentos de Fibra LTDA (Campina Grande, Paraíba); (ii) A manta de fibra de vidro tipo E com gramatura de 450 g/m² com função de reforço para a confecção do laminado, também foi aprovisionadas pela Empresa EquiFiber Equipamentos de Fibra LTDA. Preparação dos corpos de prova A fabricação das placas utilizou o processo de moldagem manual (Hand Lay- Up), no qual a manta de fibra de vidro do tipo E foi empilhada em camadas contendo 8 e 10 lâminas, que perfizeram uma espessura total de 8,6 milímetros e 10,7 milímetros, respetivamente. As placas resultantes tiveram 300x300 milímetros de dimensões, Figura 1(a). As placas passaram por um processo de usinagem por corte em um disco, ambicionando evitar possíveis danos nas camadas de fibras de vidro de cada corpo de prova, concebidos segundo a norma ASTM D3039-14. Menciona-se que para melhor obtenção dos corpos de prova, foi retirada uma rebarba de aproximadamente 50 mm das laterais da placa, observe a Figura 1(b), a fim de eliminar possíveis descontinuidades e mau acabamento (3). (a) (b) Figura 1 Placa de 300x300 mm contendo 8 ou 10 camadas (a), e cortadas em torno de 50 mm na borda da placa (b). 2014
Após o corte das placas, sucederam os procedimentos de lixamento e polimento nas faces cortadas pelo disco de corte. Foram utilizadas lixas d água de números 200,400, 600 e 1200. O polimento empregou como abrasivo a alumina de 0,01 μm. Os corpos de prova sem a presença do furo seguiram as recomendações da norma ASTM D3039-14. As dimensões desses corpos de prova (em milímetros) são evidenciadas na Figura 2, com um comprimento útil de 127 mm e largura de 25 mm. Figura 2 Corpo-de-prova sem furo. Para os corpos de prova com entalhes às dimensões seguem a norma ASTM D 5766-11, com comprimento útil de 127,0 mm, largura de 36 mm. Estabeleceu-se em um primeiro momento o diâmetro do furo central de 6,0 mm, vide Figura 3(a). Também se verificou a influência do furo central com 12 mm, acompanhe a Figura 3(b). (a) (b) Figura 3 Corpos-de-prova com furo central, (a) furo de 6 mm, (b) furo de 12 mm. Nos corpos de prova com variação de espaçamento entre os furos tem-se três configurações distintas. Na configuração exibida na Figura 4(a) tem-se uma distância entre raios de 6,2 mm, no arranjo demonstrado pela Figura 4(b) à distância entre raios é de 12 mm e, por fim, na disposição trazida pela Figura 4(c), essa distância entre os raios corresponde a 48 mm, com comprimento útil de 127,0mm, largura de 36mm e diâmetro do furo central de 6,0 mm, para verificar a interação entre eles. (a) (b) (c) Figura 4 Corpos de prova com variação do espaçamento entre os furos: (a) 6,2mm de distância entre raios, (b) 12mm de distância entre raios, (c) 48mm de distância entre raios. 2015
A consecução de furos satisfatórios exigiu a concretização de inúmeros experimentos entremeado a um estudo detalhado de temas correlatos a furação, a fim de adquirir os preceitos ideais para realização dos procedimentos experimentais. Desta forma, as melhores condições foram arregimentadas com o emprego de brocas helicoidais de aço rápido rocast perfection, em uma furadeira de bancada Motomil FBM-130i. Em um primeiro momento, nos corpos de prova com descontinuidades geométricas foram realizados pré-furos com 2 mm de diâmetros antes do efeito das brocas de 6 e 12 mm, pretendendo impedir possíveis danos, acompanhe a Figura 5. Consta que, para lograr uma melhor simetria e manter os espaçamentos entre os furos foi fabricado um gabarito, com as distâncias necessárias. Ao total serão testados 5 espécimes para cada caso em apreciação. (a) (b) Figura 5 Brocas helicoidais de aço rápido: (a) broca de 2 mm de diâmetro, (b) broca de 6 mm de diâmetro Ensaio de tração uniaxial O ensaio de tração uniaxial regido pelas normas ASTM D3039-14 e ASTM D5766-11 foi empregue para a determinação das propriedades mecânicas dos laminados compósitos, fabricados consoante a seção anterior. Os comportamentos sob tração dos corpos de prova foram investigados em uma máquina de ensaios servo-hidráulica MTS modelo 810, localizada no laboratório de ensaios mecânicos da Unidade Acadêmica de Engenharia Mecânica (UAEM), com uma célula de carga de 100 KN e velocidade de deslocamento do atuador da ordem de 2,0 mm/minuto. Complementarmente, os ensaios foram efetivados em temperatura ambiente levando 2016
em consideração ajustes nos corpos de prova, de forma a garantir precisão dimensional quanto ao comprimento útil. Análise macroscópica do dano A fratura predominante em cada amostra foi avaliada obedecendo-se às normas ASTM D3039-14 e ASTM D5766-11. A investigação foi empreendida, a partir de imagens de superfícies de fratura resultantes do ensaio de tração, colhidas com o auxílio de uma câmera digital da marca Sony, modelo DSC-W520, resolução de 14.1. RESULTADOS E DISCUSSÕES Fator de concentração No estudo do fator de concentração de tensão foram analisados, por meio de gráficos e formulas (4), que confirmam que os laminados estudados para único furo possuem características de uma placa infinita, com o Kt próximo a 3,0. Tabela 1 Análise do fator de concentração. Fator de Concentração (Kt) Furo central 6 mm 2,96 12 mm 2,92 Dois furos com variação 6,2 mm 2,56 de distância 12 mm 2,71 48 mm 2,91 Para os casos de dois furos com a variação da distância entre eles o comportamento apresentado também foi o de uma placa infinita. Verificou-se que quanto menor a distância entre eles, menor o fator de concentrador de tensão, voltando a ficar próximo a 3,0. Ensaio de tração A investigação, inicialmente, deteve-se em corpos de prova com 8 camadas. O valor de tensão de fratura do compósito sem furo é 33% e 51%, superior aos dos compósitos com furos centrais de 6 mm e 12 mm de diâmetro, respectivamente, contemple atentamente a Figura 7. Isto reforça a nocividade do concentrador de 2017
tensão. O fato da chapa com furo central de 12,0 mm proporcionar uma reduzida tensão de fratura é explicado pelo maior tamanho do defeito, visto que o efeito do concentrador de tensão em si é o mesmo. Furo com variação da distância (48 mm) Furo com variação da distância (12 mm) Furo com variação da distância (6,2 mm) Furo central (12 mm) Furo central (6 mm) Sem furo 82,58 80,35 76,95 61,44 83,59 4,09 125,52 4,89 4,82 6,66 2,82 4,23 0 20 40 60 80 100 120 140 Resistência Última (MPa)/Desvio padrão(%) Figura 7 Tensões de fratura e desvio padrão resultantes de curvas Tensão vs Deformação para os corpos de prova sem furo e com furo que apresentam 8 camadas. Ao se comparar os resultados arregimentados para os corpos de prova sem furo e com dois furos com variação da distância entre os furos, percebe-se que a variação da distância entres os furo, nesse caso, resultou em uma perda de aproximadamente, 39%, para 6,2 mm de distância entres os furos, de 36% para 12 mm de distância entres os furos, e 34% para 48 mm de distância entres os furos, em termos de tensão de fratura. Observa-se que à medida que aproximamos os dois furos (alinhados) para 6,2 mm a tensão de fratura foi mais baixa em relação aos furos com a variação da distância de 12 mm e 48 mm, consequentemente era de se esperar o efeito atenuante sobre a concentração de tensão, isto pela proximidade entre os furos. Logo com base nos desvios padrões e nos valores de Kt = 2,71 (distância entre furos de 12,0 mm) e Kt = 2,91 (distância entre os furos de 48,0 mm), que a tensão de fratura destes compósitos foram as mesmas verificadas para os compósitos com um furo central de diâmetro de 6,0 mm (Tabela 1). Já para a distância entre os furos de 6,2 (Kt = 2,56), o resultado indica que a presença do segundo furo influenciou de modo negativo, visto que a tensão de fratura foi menor. Este fato poderá está relacionado com a influência do tamanho e da forma aparente que passou a ter a descontinuidade, ou porventura um acabamento inadequado dos furos. Os valores para a deformação de fratura corroboram a discussão pormenorizada feito para a tensão de fratura, vide a Figura 8 com os valores relativos. 2018
Furo com variação da distância (48 mm) Furo com variação da distância (12 mm) Furo com variação da distância (6,2 mm) Furo central (12 mm) Furo central (6 mm) Sem furo 5,02 6,35 6,2 6,55 6,43 6,92 0,46 0,39 0,23 0,27 0,25 0,12 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Deformação de ruptura (%)/Desvio padrão (%) Figura 8 Deformação de fratura e desvio padrão resultantes de curvas Tensão vs Deformação para os corpos de prova sem furo e com furo que apresentam 8 camadas. Por sua vez, para os corpos de prova que contém 10 camadas vislumbra-se que o valor de tensão de fratura do compósito sem furo é 32% e 53% superior aos compósitos com furos centrais de 6 mm e 12 mm de diâmetro, respectivamente. Outro fato que pode ser mensurado é que a tensão fratura da placa sem furo (150,58 MPa), de 10 camadas e espessura de 10,7 mm foi superior a tensão de fratura (125,52 Mpa) da placa sem furo com 8 camadas e espessura de 8,6mm. Esta diferença deve-se, principalmente, a diferença de fração volumétrica entre os dois compósitos fabricados. A mesma análise executada para os corpos de prova com 8 camadas, aplica-se também para este caso, ou seja, o fato da chapa com de 12,0 mm oferecer uma tensão de fratura ainda menor é explicado, em função do tamanho do defeito. Ao se comparar o resultado obtido para os corpos de prova sem furo e com dois furos com a variação da distância entre os furos, percebe-se que a presença da variação da distância entres os furos, nesse caso, resultou em uma perda de, aproximadamente, 37%, 35% e 33%, em termos de resistência última à tração, de forma que a análise empreendida é semelhante a concretizada para o caso de 8 camadas, da qual pode-se imputar as mesmas conclusões e considerações quanto aos resultados obtidos. Vide Figura 9 e 10. 2019
Furo com variação da distância (48 mm) Furo com variação da distância (12 mm) Furo com variação da distância (6,2 mm) Furo central (12 mm) Furo central (6 mm) Sem furo 100,01 98,28 93,93 71,06 102,59 1,4 150,58 0,95 0,81 1,36 1,77 7,5 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Resistência Última (MPa)/Desvio padrão(%) Figura 9 Tensão de fratura e desvio padrão resultantes de curvas Tensão vs Deformação para os corpos de prova sem furo e com furo que apresentam 10 camadas. Furo com variação da distância (48 mm) Furo com variação da distância (12 mm) Furo com variação da distância (6,2 mm) Furo central (12 mm) Furo central (6 mm) Sem furo 7,23 7,2 7,15 6,56 7,88 7,83 0,06 0,04 0,01 0,03 0,42 0,06 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Deformação de ruptura (%)/Desvio padrão (%) Figura 10 Deformação de fratura e desvio padrão resultantes de curvas Tensão vs Deformação para os corpos de prova sem furo e com furo que apresentam 10 camadas. Estudo microscópico da fratura Para o estudo macroscópico da fratura a análise do processo de fratura foi feita com base na norma ASTM D 3039-14 para os corpos de prova sem furo com 8 camadas e 10 camadas. A fratura do compósito sem furo ocorreu de forma frágil, com total separação do corpo de prova. Nota-se a ocorrência de uma fratura, segundo a Norma ASTM D3039-14 do tipo lateral e meio do galgo (LGM), caracterizada por falha do laminado por tração lateral através do furo, com trincas presentes. Nota-se, também, que as fissuras se propagam transversalmente à direção da carga. 2020
Figura 11 Característica final da fratura em compósitos sem furo. A Análise da fratura dos corpos de prova com furos e com a variação da distância entre os furos foi realizada com o auxílio da norma ASTM D5766-11. As fraturas foram classificadas como LGM, mostrada nas Figuras 12 a 15. Na Figura 16 à fratura foi classificada como angular e no meio do galgo (AGM), ou seja, o laminado falha por tração no furo. Mas partes de camadas inclinadas atravessam o furo lateralmente à linha de centro. (a) (b) (c) (d) 2021
(e) Figura 12 Característica final da fratura em compósitos: (a) furo central 6 mm, (b) furo central 12 mm, (c) variação da distância de 12 mm entre os furos, (d) com variação da distância de 48 mm entre os furos, (e) com variação da distância de 6,2mm entre os furos. CONCLUSÕES A tensão de fratura do laminado sem a descontinuidade geométrica foi superior aos demais, isto é justificado pela não presença do concentrador de tensão. Para as duas espessuras de placa com furo central de 12 mm de diâmetro o efeito na queda de tensão de fratura foi ainda maior. Os resultados dos ensaios de tração uniaxial com corpos de prova com dois furos e variando a distância entre os centros dos mesmos recomendam que a partir do espaçamento de 12 mm o comportamento a tensão é semelhante ao ensaio de tração uniaxial de um corpo de prova com um único furo: é como se o segundo furo não fosse percebido pelo campo de tensão. De modo geral, o comportamento do compósito estudado frente ao carregamento de tração uniaxial em todas as condições apresentou um comportamento frágil até a fratura. Quanto ao comportamento à fratura dos compósitos estudados, de uma forma geral, apresentaram fratura final do tipo LGM, já para os corpos de prova com a variação da distância de 6,2 mm entre os furos à fratura final foi do tipo AGM. REFERÊNCIAS [1] FONTE, R. S. Compósito polimérico híbrido: comportamento mecânico, descontinuidade geométrica e resistência residual. 2013. 81 p. Dissertação (Mestrado) Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal RN, 2014. [2] GAY, D.; HOA, V.S.; TSAI, W.S. Composite materials, design e Applications. London: CRC PRESS, 2003. 2022
[3] NETO, J.L.B. Estudo do comportamento mecânico de compósitos de matriz polimérica com fibra de vidro contendo descontinuidades geométricas. 2015. 96 p. Dissertação (Mestrado) Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande PB, 2015. [4] PILKEY, W. D. Peterson's Stress Concentration Factors: Third Edition. John Wiley Sons. New Jersey, 2008 [5] TINÔ, S. R. L. Descontinuidade na Seção Transversal em Laminados Compósitos Poliméricos: Efeitos e Propriedades. 2010. 97 p. Dissertação (Mestrado) Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal RN, 2014. [6] WU, J.; MAI, Y.W. The essential fracture work concept for toughness measurement of ductile polymers. Polymer Engineering and Science, v. 36, n. 18, p. 2275-2288, 1996. STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF POLYMERIC MATRIX COMPOSITE WITH GLASS FIBER CONTAINING GEOMETRIC DISCOUNTS ABSTRACT The composites play an important role in the production of industrial elements, especially when the analysis involves the monitoring of their performance with the presence of geometric discontinuities, an appreciation is necessary. In this case, this work investigates the mechanical properties in composites of glass fiber and polyester resin with geometric discontinuities (central hole and with variation of the distance between the holes) through tests of uniaxial traction. The maximum tensile stress values for these laminates were observed, as well as the final fracture characteristics. The results show that the presence of the geometric discontinuity has a damaging effect on the mechanical properties of the material, especially when the diameter of the central hole increased from 6 mm to 12 mm. As for fracture behavior of the composites, it was verified that the final fracture of the LGM type was predominant, except for the distance between the holes of 6.2 mm that presents the type AGM. Keywords: Composite Materials, Mechanical Behavior, Stress Concentrators, Center Hole 2023