ISSN 1517-7076 Revista Matéria, v. 9, n. 4, pp. 263 270, 2004 http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10606 Resistência ao Cisalhamento do Compósito Carbono Reforçado com Fibras de Carbono/Tecido tipo Twill RESUMO J. C. Dias Universidade Federal de Itajubá Av. BPS, 1303 CEP 37501-000 Itajubá, MG, Brasil e-mail: jcelio@unifei.edu.br A integridade estrutural do compósito Carbono Reforçado com Fibras de Carbono/tecido tipo twill - CRFC/twill, basicamente, é dependente das propriedades termomecânicas do reforço de fibras de carbono e do tipo de solicitação imposta ao elemento estrutural. Este desenvolvimento com enfoque experimental utiliza o teste de cisalhamento Iosipescu, também denominado viga com entalhe em V, para obter a resistência ao cisalhamento do compósito. Do ponto de vista macromecânico, devido à arquitetura do tecido da fibra de carbono, as propriedades mecânicas variam com as orientações adotadas em relação ao entalhe em V. Através de sensores de deformações colados nas faces do compósito foram realizadas leituras de deformações específicas e conforme o procedimento do teste Iosipescu, determinou-se a tensão resistente ao cisalhamento e o módulo ao cisalhamento. Palavras chaves: CRFC/twill, resistência ao cisalhamento, teste Iosipescu. ABSTRACT Shear Resistance of Carbon Fiber Reinforced Carbon Composite-CRFC/twill The prediction of the strength of structures made of composites materials is the great importance when designing with Carbon Fiber Reinforced Carbon composite CRFC/twill. This paper addresses the issue of the measurement of in-plane shear strengths of CRFC/twill composites from Iosipescu specimens. Among the important design parameters for this composite is the in-plane shear strength. The purpose of this present paper is the evaluation of the in-plane shear strength of CRFC/twill composite by mean Iosipescu test, so called the V-notch beam method, using strain gauge measurement. Keywords: CRFC/twill composites, in-plane shear, Iosipescu test, shear strength. 1 INTRODUÇÃO O conhecimento das propriedades mecânicas, como resistência ao cisalhamento e módulo de cisalhamento, de materiais compósitos é fundamental para a utilização correta do material como um elemento estrutural. Entretanto, o comportamento mecânico desses materiais obtidos em centros de pesquisas permanece uma atividade em aberto, devido o compósito ser governado não apenas pela geometria e tipo de carregamento, mas também pelas propriedades mecânicas de seus constituintes [1] [7]. A combinação dos materiais é decidida de acordo com as necessidades da aplicação e a relativa importância de várias propriedades tais como: resistência à corrosão, rigidez, resistência à fadiga, expansão térmica, propriedades eletromagnéticas, isolamento acústico e estético. Contudo, a combinação dos materiais é decidida a partir de sua aplicação específica. Através das atividades desenvolvidas neste artigo espera-se contribuir para a formação de conhecimentos em ensaios mecânicos, como teste de cisalhamento Iosipescu. Bem como transferir estas informações sobre a obtenção das propriedades mecânicas do compósito Carbono Reforçado com Fibra de Carbono tecido tipo twill CRFC/ twill sob esforços de cisalhamento, para uma correta utilização destes compósitos no dimensionamento de máquinas e estruturas. Autor Responsável: J.C. Dias
2 O MÉTODO DE TESTE IOSIPESCU Para a realização deste trabalho foi executado um dispositivo de ensaio para atender as recomendações da ASTM D5379-93 [8], com o objetivo de avaliar a resistência ao cisalhamento e módulo de cisalhamento do compósito CRFC/twill. Neste tipo de ensaio a amostra a ser ensaiada tem a forma de uma viga retangular de pequenas dimensões com dois entalhes em V de 90 o ou 120 o no centro. Em alguns casos, adota-se ângulo de 110 o [9]. A metade da amostra é alojada em um prendedor fixo é a outra metade em um prendedor móvel. A amostra é fixada pelos parafusos de ajustes e uma carga externa Q é aplicada através de um transdutor de carga (Fig. 1). Figura 1: Esquema do dispositivo de ensaio e amostra típica. O esquema de movimentação do prendedor móvel é esquematizado na Fig. 2 [9]. Neste esquema, quando a carga P 1 é aplicada existe a tendência de ocorrer uma rotação em uma região parcial da amostra (Fig. 2a), mas devido a configuração do dispositivo ocorre uma reação P 2 evitando a rotação da mesma (Fig. 2b). Assim, resultando em um movimento de translação de parte da amostra. Portanto, neste ensaio dois pares de força são aplicados através da seção entre as raízes dos entalhes em V gerando dois momentos contrários produzindo um estado puro e uniforme de tensão de cisalhamento na seção A-B. (a) (b) Figura 2: Esquema de aplicação de cargas em amostra no teste Iosipescu. 264
É fácil mostrar que a tensão devido ao movimento de flexão no centro da amostra é nula e a tensão média de cisalhamento a longa linha A-B é dada pela Eq. 1 [10]. P(b a) τ = ht(a + b) (1) Onde a e b são as distâncias, em relação ao entalhe em V, de P 1 e P 2 respectivamente. A altura entre os pontos A e B é dada por h, sendo t a espessura da amostra. Os valores de P 1, P 2 e P apresentados na tabela 1 são avaliados para uma carga externa Q (=P 1 + P 2 ), com valor adotado da ordem de 130,6 N, para diferentes valores da razão a/b [9]. Outra opção de carga é impor um deslocamento pré-estabelecido na amostra a ser ensaiada. Os resultados obtidos nesta tabela mostram uma real dificuldade em determinar com precisão as reações impostas pelo dispositivo de ensaio. Esta dificuldade ocorre devido às posições de apoios da amostra, tanto no prendedor fixo quanto no móvel. A Fig. 3 mostra dois esquemas de geometria de apoios utilizados [3]. Os esquemas considerando apoio simples são relativos a carga P 1 e os esquemas considerando o apoio/cunha são relativos a carga P 2. É fácil observar que os esquemas de apoios com um ângulo de 5 o definem mais adequadamente as distâncias dos pontos de aplicação das cargas. Figura 3: Esquema de geometria de apoios. Tabela 1: Valores de referência P 1,P 2,P e Q em função de a/b. P 1, N P 2, N Q, N a/b Pb Pa P(b a) P, N a + b a + b a + b 0,20 163,212 32,643 130,57 195,855 0,25 174,093 43,523 130,57 217,617 0,30 186,528 55,958 130,57 242,487 265
Normalmente, as deformações específicas são avaliadas através da colagem de dois sensores de deformação - sensor de ξ (strain gage), sendo um em cada face da amostra em posição oposta, orientados a 45 o. A leitura destas deformações são facilmente registrada, através da leitura do sinal elétrico em uma ponte de Wheatstone (1/2 ou 1/4 de ponte), convertendo o sinal elétrico em deformação mecânica. O registro destas deformações específicas ξ permite elaborar o gráfico τ em função de γ. A deformação angular γ é dada pela Eq. (2). γ = ξ ξ + + o o 45 45 (2) Portanto, o módulo de cisalhamento é obtido através do gráfico elaborado τ em função de γ pela inclinação da reta G/1 (fig.4). G = γ P ht b a a + b (3) A este valor de G recomenda-se efetuar correções através de fatores que considera, por exemplo, a influência dos pontos de apoios das reações devido ao carregamento externo ou deslocamento imposto ao sistema. Uma vez que os pontos de apoios não ocorrem simetricamente na amostra em relação aos entalhes em V. Isto é, os pontos de apoios à direita do entalhe em V não necessariamente são simétricos à esquerda. Figura 4: Gráfico τ em função de γ. 3 RESULTADOS E DISCUSSÕES Para avaliação da resistência ao cisalhamento e módulo de cisalhamento para o compósito CRFC/twill, amostras foram preparadas com valores médios de h = 12,56 mm e t = 8,24 mm [11]. Foram executados, adotando como valores de referência ξ 0 =1.10-6 m/m e γ 0 =1 o, os seguintes procedimentos: 3.1 Gráfico carga externa em função das médias das deformações específicas, Fig. 5. 266
Figura 5a: Condição de carga crescente ( p/ ξ -45 o e ο p/ ξ +45 o ). Figura 5b: Condição de carga decrescente ( p/ ξ -45 o e ο p/ ξ +45 o ). 267
3.2 Módulo de cisalhamento em função das médias das deformações angulares, Fig.6. Figura 6: Condição de carga crescente (ο) e condição de carga decrescente ( ). 3.3 Tensão de cisalhamento em função das médias das deformações angulares, Fig. 7. Figura 7: Módulo ao cisalhamento G/1 (p/ carga crescente (ο) e carga decrescente ( )). Analisando os gráficos apresentados nas figuras 5-7, pode-se observar que a condição de carga crescente apresenta uma resposta linear. O mesmo não acontecendo em condição de carga decrescente. É 268
importante salientar que ocorreram durante os ensaios sucessivas acomodações da amostra no dispositivo de ensaio. A Fig. 8 mostra fotos de uma das amostras CRFC/twill preparadas para ensaio. Pode-se observar que a fratura é perpendicular a tensão normal positiva, caracterizando uma fratura com comportamento frágil com crescimento de trinca no plano de carga constante. Portanto, o valor da tensão de cisalhamento determinada pela Eq. (1) pode-se ser admitida como a tensão normal de tração, isto é, τ = σ. A tensão de resistência obtida até a falha abrupta foi da ordem de 11,85 MPa. O valor médio do módulo de cisalhamento foi de 6,42 GPa, como pode ser determinado através do gráfico τ em função de γ / γ 0 ( observar que no cálculo a deformação angular deve ser em radianos). Durante a execução do ensaio em carga crescente a tensão média de cisalhamento apresentou-se proporcional à deformação angular. Figura 8a: Amostra de CRFC/twill. Figura 8b: Amostra após a realização do ensaio. 4 CONCLUSÕES Neste estudo foi examinada a aplicação do teste de cisalhamento denominado teste de Iosipescu em um compósito Carbono Reforçado com Fibra de Carbono tecido twill visando obter a tensão de cisalhamento e o módulo ao cisalhamento. A resistência ao cisalhamento mostrou que o compósito apresentou características de fratura frágil. Portanto, este método pode ser aplicado como uma alternativa para avaliar a resistência à ruptura, evitando as dificuldades de ensaios em compósitos no teste tradicional de tração. Este método indica que as diferentes etapas de processamento de um compósito podem ser monitoradas por ensaios de relativa facilidade de execução, com pouco material de consumo. Assim, o teste 269
[6] KHASHABA, U. A. In-plane Shear Properties of Cross-Ply Composite Laminates With Different Off- Axis Angles, Composite Structures, Available online at www.sciencedirect.com, 2003. de Iosipescu pode ser utilizado como uma ferramenta no controle de qualidade durante o processamento deste compósito. Finalizando, pode-se concluir que no início da falha o modo geométrico de trinca dominante foi o modo I (tração no plano), com rompimento superficial do sensor de ξ. A fratura da amostra ocorreu em uma condição de modo misto, sendo a propagação da trinca no modo II (cisalhamento no plano). 5 REFERÊNCIAS [1] WALRATH, D. E. e ADAMS, D. F. The Iosipescu Shear Test as Applied to Composite Materials, Experimental Mechanics, v. 23, p. 105 110, 1983. [2] TSAI, C. L. e DANIEL, I. M. Determination of in-plane and out-of-plane Shear Module of Composite Materials, Exp. Mechanical, v. 30, p. 295 299, 1990. [3] PIERRON, F, e VAUTRIN, A., Measurement of the In-Plane Shear Strengths of Unidirectional Composites with the Iosipescu Test, Composites Science and Technology, v. 57, p. 1653-1660, 1997. [4] ALMEIDA, J. R. M. e MONTEIRO, S. N., The Iosipescu Test Method as a Method to Evaluate the Tensile Strength of Brittle Materials, Polymer Testing, v. 18, p. 407-414, 1999. [5] ODEGARD, G. e KUMOSA, M., Determination of Shear Strength of Unidirectional Composite Materials with the Iosipescu and 10 o off-axis Shear Tests, Composites Science and Technology v. 60, p. 2917-2943, 2000. [7] CHALAL, H.; MERAGHNI, F.; PIERRON, F. e GRÉDIAC, M., Direct Identification of the Damage Behavior of Composite Materials Using the Virtual Fields Method, Available online at www.sciencedirect.com, 2004. [8] D 5379/D 5379M 93, Stander Test Method for Shear Properties of Composite Materials by the V- Notched Beam Method, ASTM, 1993. [9] HO, H.; TSAI, M. Y. e MORTON, J., Numerical Analysis of the Iosipescu Specimen for Composite Materials, Composites Science and Technology, v. 46, p.115-128, 1993. [10] HAWONG, J.; SHIN, D. e BAEK, U., Validation of Pure Shear Test Device Using Finite Element Method and Experimental Methods, Engineering Fracture Mechanics, v. 71, p. 233-243, 2004. [11] PARDINI, L. C., Processo de Deposição/Infiltração Química em Fase Gasosa de Carbono Reforçado com Fibras de Carbono, Relatório de Projeto, AMR/IAE/CTA, 1994. 270