AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE COMPÓSITOS
PULTRUDADOS DE MATRIZ POLIMÉRICA COM REFORÇO DE FIBRA DE
VIDRO
Sandra Penha de Souza Almeida
TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS
PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL
DO
RIO
DE
JANEIRO
COMO
PARTE
DOS
REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM
ENGENHARIA CIVIL.
Aprovada por:
_____________________________________________
Prof. Eduardo de Miranda Batista, D. Sc.
_____________________________________________
Profª. Michele Schubert Pfeil, D. Sc.
_____________________________________________
Profª. Eliane Maria Carvalho, D. Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
MARÇO DE 2004
ALMEIDA, SANDRA PENHA DE SOUZA
Avaliação das Propriedades Mecânicas de Compósitos Pultrudados de
Matriz Polimérica com Reforço de Fibra
de Vidro [Rio de Janeiro] 2004
XIV, 87 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ,
M.Sc., Engenharia Civil, 2004)
Tese – Universidade Federal do Rio
de Janeiro, COPPE
1. Propriedades Mecânicas de Compósitos
Pultrudados
I. COPPE/UFRJ II. Título (série)
ii
DEDICATÓRIA
À meu pai Libio e meu irmão Célio, dedico este
trabalho como minha mais saudosa homenagem.
À minha mãe Helly, aos meus irmãos Libio e Célia,
à meu marido Marcos, meus filhos Junior e Caroline,
meus maiores incentivadores, pelo auxílio constante,
por todo amor, carinho, dedicação e paciência ao
participar junto comigo de todas as dificuldades e
perdas que se apresentaram ao longo desses quatro
anos.
iii
AGRADECIMENTOS
À DEUS em primeiro lugar por ter me dado forças
para continuar com meus projetos de vida depois de
todas as provações por que passei.
Ao Prof. Dr. Eduardo de Miranda Batista, pela
orientação e por toda a ajuda dispensada nos
momentos difíceis.
Aos Técnicos do Laboratório de Estruturas que me
ajudaram com seus esforços, principalmente nessa
fase final em que todos se desdobraram para que os
experimentos fossem concluídos.
Aos Técnicos do Laboratório de Informática, da
Secretaria do programa e das secretárias Luzidele e
Sandra que me orientaram com carinho durante toda
esta jornada.
Ao Professor e amigo Dr. Tito Luiz da Silveira, que
tanto me incentivou para a realização desta etapa em
minha vida.
Ao amigo e Professor Edvaldo Lopes de Araújo pela
ajuda e todo o apoio dispensado.
Aos
Professores,
Funcionários
e
Direção
da
Fundação Técnico Educacional Souza Marques, pelo
incentivo durante a realização deste trabalho.
iv
Resumo da Tese apresentada a COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários
para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE COMPÓSITOS
PULTRUDADOS DE MATRIZ POLIMÉRICA COM REFORÇO DE FIBRA DE
VIDRO
Sandra Penha de Souza Almeida
Março/2004
Orientador: Eduardo de Miranda Batista
Programa: Engenharia Civil
Este trabalho apresenta a avaliação das principais propriedades mecânicas do
material compósito estudado, através de ensaio destrutivo de tração e ensaio não
destrutivo de flexão por quatro pontos.
Apresenta-se igualmente, avaliação da
propriedade física de peso específico, bem como avaliação da fração volumétrica de
fibra através de ensaios destrutivos de queima e metalografia através da técnica de
análise de imagens.
A análise das propriedades mecânicas do material envolveu: estudo do módulo de
elasticidade, tensão de resistência e alongamento na ruptura, através de ensaios de
tração simples e cíclica, em máquinas de ensaios padrão, bem como o módulo de
elasticidade à flexão através de ensaio de flexão simples por quatro pontos.
A
metodologia desenvolvida para padronização dos ensaios de flexão resultou em projeto
e fabricação de um dispositivo de suporte e aplicação de carga no corpo de prova.
A avaliação da fração volumétrica de fibras utilizando a técnica de análise de
imagens possibilitou também a avaliação das frações volumétricas de matriz e vazios,
tendo contribuído para o desenvolvimento de metodologia para padronização desta
avaliação.
v
Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
EVALUATION OF THE MECHANICAL PROPERTIES OF PULTRUDED
COMPOSITES OF GLASS REINFORCED POLIMERIC MATERIAL
Sandra Penha de Souza Almeida
March/2004
Advisor: Eduardo de Miranda Batista
Department: Civil Engineering
The thesis presents these results of the experimental analysis addressed to the
study of the mechanical properties of composite material. The studies were developed
on the barrios of tensile and flexural tests.
The material density and the volumetric
fraction of matrix, voids an fibers were also measured with the help of burnout method,
as well as with metalography associated with image analysis technique.
The following mechanical properties were studied: the tensile modulus, the tensile
strength and the total strain at collapse load, measured with the help of standard press
machine.
The flexural modulus was measured by means of standard specimen under
simply supported bending experiments. A special device was developed to perform
these flexural tests.
The fiber, the matrix and the void volume ratios were evaluated with the help of
image analysis technique.
The confirmation of these results was obtained after
comparing with the results of the burnout method and allowed standardization of the
applied procedures.
vi
ÍNDICE
INTRODUÇÃO............................................................................................................... 1
PULTRUDADOS REFORÇADOS COM FIBRA DE VIDRO.................................. 5
2.1 – Processo de pultrusão ........................................................................................ 5
2.2 –Manuseio e utilização de pultrudados............................................................... 7
2.3 - Defeitos e imperfeições mais comuns em pultrudados com reforço de fibras
de vidro ................................................................................................................... 8
2.4 – Principais propriedades da fibra de vidro ....................................................... 9
2.5 – Principais propriedades da matriz................................................................. 10
2.6 – Compósitos reforçados com fibra de vidro ................................................... 12
2.7 – Propriedades físicas dos compósitos .............................................................. 12
2.7.1 – Massa específica e peso específico ........................................................... 12
2.7.2 – Fração volumétrica de fibra .................................................................... 14
2.7.3 – Fração volumétrica de Vazios (Porosidade)........................................... 15
2.8 - Propriedades mecânicas dos compósitos ........................................................ 18
2.8.1 – Módulo de elasticidade longitudinal na tração ...................................... 19
2.8.2 – Módulo de elasticidade longitudinal na flexão....................................... 21
2.8.3 – Deformação lenta à temperatura ambiente............................................ 23
2.8.3.1 - Fatores que afetam magnitude da deformação lenta ...................... 24
2.8.3.2 – Condições ideais para projeto de pultrudados reforçados com fibra
de vidro ........................................................................................................... 25
Capítulo 3 ...................................................................................................................... 26
ANÁLISE EXPERIMENTAL..................................................................................... 26
3.1 – Dados relativos ao material estudado ............................................................ 26
3.1.1 – Matérias primas usadas no perfil estudado ............................................ 26
3.1.2 – Propriedade s indicadas pelo fabricante.................................................. 27
3.2 – Análise de peso específico................................................................................ 28
3.3 – Análise do volume de fibra .............................................................................. 29
3.4 – Análise dos ensaios de tração.......................................................................... 31
3.5 – Análise dos ensaios de flexão .......................................................................... 41
3.6 – Análise dos ensaios de deformação lenta ....................................................... 45
Capítulo 4 ...................................................................................................................... 51
vii
DISCUSSÃO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS ......................................... 51
4.1 – Peso específico .................................................................................................. 51
4.2 – Fração volumétrica de fibras .......................................................................... 52
4.3 – Comportamento na tração .............................................................................. 53
4.4 – Comportamento na flexão............................................................................... 60
4.5 – Comportamento na deformação lenta à temperatura ambiente ................. 61
Capítulo 5 ...................................................................................................................... 63
CONCLUSÕES ............................................................................................................. 63
5.1 – Conclusão.......................................................................................................... 63
5.2 – Proposta para trabalhos futuros .................................................................... 67
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................ 69
ANEXO A ...................................................................................................................... 71
METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DO MÓDULO DE ELASTICIDADE
DE MATERIAL PULTRUDADO EM RESINA REFORÇADA COM FIBRA
DE VIDRO ATRAVÉS DE ENSAIO DE FLEXÃO UTILIZANDO
PROTÓTIPO DE PEQUENO PORTE............................................................. 71
ANEXO B ...................................................................................................................... 81
METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DA FRAÇÃO VOLUMÉTRICA DE
FIBRAS, MATRIZ E VAZIOS DE COMPÓSITOS PULTRUDADOS DE
RESINA REFORÇADA COM FIBRA DE VIDRO ATRAVÉS DE ANÁLISE
DE IMAGEM ....................................................................................................... 81
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 – Desenho esquemático do processo de pultrusão.
Retirado de
www.cogumelo.com.br (2001).....................................................................................2
Figura 1.2 - Formas
complexas
de
perfis
pultrudados.
Retirado de
www.creativepultrusions.com (2001) ..........................................................................2
Figura 2.1 - Esquema de pultrusão contínuo.
Elaborado por Morrison Molded Fiber
Glass Co.......................................................................................................................5
Figura
2.2
-
Alimentação
contínua
do
reforço.
Retirado
de
www.creativepultrusions.com (2001). .........................................................................6
Figura 2.3 - Banho de resina. Retirado de www.creativepultrusions.com (2001). .........6
Figura 2.4 - Saída do perfil da forma.
Retirado de www.creativepultrusions.com
(2001). .........................................................................................................................7
Figura 2.5 – Imagem digitalizada de material compósito de vidro/poliéster (perfil “U”).
Seção transversal usada para determinar fração volumétrica de vazios, de matriz e
fibras. .........................................................................................................................16
Figura 2.6 – Histograma da figura 2.5 mostrando o número de pixels relativos à área de
menor pico, que corresponde aos vazios e cuja fração volumétrica é de 6,83%. ................17
Figura 2.7 - Histograma da figura 2.5 mostrando o número de pixels relativos à área de médio
pico, que corresponde à matriz e cuja fração volumétrica é de 33,17%............................. 17
Figura 2.8 - Histograma da figura 2.5 mostrando o número de pixels relativos à área de maior
pico, que corresponde à fibra e cuja fração volumétrica é de 60,00%. .............................. 18
Figura 2.9 – Flexão por 3 pontos de carregamento (um ponto de aplicação de carga e
dois apoios. ................................................................................................................21
Figura 2.10 – Flexão por 4 pontos de carregamento (dois pontos de aplicação de carga e
dois apoios)................................................................................................................22
Figura 3.1 – Dimensões e geometria do perfil estudado. ...............................................26
Figura 3.2 – Corpo de prova utilizado para obtenção do peso específico. .....................28
Figura 3.3 – Imagem digitalizada de fibra de vidro/poliéster da amostra T2.
Seção
transversal usada para determinar fração volumétrica de vazios, matriz e fibras. ...29
Figura 3.4 - Histograma da figura 3.3 mostrando o número de pixels relativos à área de maior
pico, que corresponde à fibra e cuja fração volumétrica encontrada foi de 59,19%............ 30
ix
Figura 3.5 - Histograma da figura 3.3 mostrando o número de pixels relativos à área de médio
pico, que corresponde à matriz e cuja fração volumétrica encontrada foi de 38,17%. ........ 30
Figura 3.6 – Histograma da figura 3.3 mostrando o número de pixels relativos à área de
menor pico, que corresponde aos vazios e cuja fração volumétrica encontrada foi de
2,64% ..........................................................................................................................31
Figura 3.7 – Proteção do corpo de prova de tração. .......................................................33
Figura 3.8 – Gráfico Tensão x Deformação do CP 1A. .................................................34
Figura 3.9 – Gráfico Tensão x Deformação do CP T1. ..................................................34
Figura 3.10 – Gráfico Tensão x Deformação do CP T2. ................................................35
Figura 3.11 – Gráfico Tensão x Deformação do CP T3. ................................................35
Figura 3.12 – Gráfico Tensão x Deformação dos cinco ciclos do CP COG 2. ..............36
Figura 3.13 – Gráfico Tensão x Deformação completo do CP COG 2. .........................36
Figura 3.14 – Gráfico Tensão x Deformação dos cinco ciclos do CP COG 3. ..............37
Figura 3.15 – Gráfico Tensão x Deformação completo do CP COG 3. .........................37
Figura 3.16 – Gráfico Tensão x Deformação dos cinco ciclos do CP COG 4. ..............38
Figura 3.17 – Gráfico Tensão x Deformação completo do CP COG 4. .........................38
Figura 3.18 – Seção transversal do CP T2 mostrando a região de ruptura (50 X) e dois
aumentos onde se concentram as fibras longitudinais, (100 X e 200 X). .................39
Figura 3.19 – Seção transversal do CP T2 mostrando a região afastada da ruptura (50
X) e dois aumentos nas seções onde se concentram as fibras longitudinais, (100 X
e 200 X). ....................................................................................................................40
Figura 3.20 – Dispositivo para aplicação de carga no ensaio de flexão por quatro
pontos. .......................................................................................................................42
Figura 3.21 – Montagem utilizada no
ensaio
de
flexão
com
indicação
de
carregamento. ............................................................................................................43
Figura 3.22 - Gráfico Tensão x Flecha do ensaio de flexão com carga igual nos dois
lados do suporte. ........................................................................................................44
Figura 3.23 – Corpos de prova dos ensaios.
(a) primeiro CP idealizado.
anterior com seção aumentada por resina.
(b) CP
(c) .CP utilizado no ensaio de
deformação lenta. ......................................................................................................46
Figura 3.24 – Esquema para confecção do CP utilizado no ensaio de deformação
lenta. ..........................................................................................................................47
Figura 3.25 – Montagem realizada para o ensaio de deformação lenta. ........................48
Figura 3.26 – Instrumentos de registro da deformação por deformação lenta. ..............49
x
Figura 3.27 – Gráfico deformação lenta versus tempo correspondente à tensão de 127,5
MPa............................................................................................................................50
Figura 3.28 – Gráfico deformação lenta versus tempo correspondente à tensão de 255
MPa............................................................................................................................50
Figura 4.1 – Relação entre fração volumétrica de fibras e módulo de elasticidade na
tração. ........................................................................................................................55
Figura 4.2 – Relação entre fração volumétrica de fibras e tensão máxima de tração ....56
Figura 4.3 – Aspecto da fratura do corpo de prova 1A. .................................................57
Figura 4.4 – Aspecto da fratura do corpo de prova T1. ..................................................57
Figura 4.5 – Aspecto da fratura do corpo de prova T2. ..................................................58
Figura 4.6 – Aspecto da fratura do corpo de prova T3. ..................................................58
Figura 4.7 – Aspecto da fratura do corpo de prova Cog 2..............................................59
Figura 4.8 – Aspecto da fratura do corpo de prova Cog 3..............................................59
Figura 4.9 – Aspecto da fratura do corpo de prova Cog 4..............................................60
Figura 5.1 – Projeto para construção do protótipo a ser utilizado no ensaio de flexão por
quatro pontos. ............................................................................................................66
Figura 5.2 - Dimensões do corpo de prova e características de aplicação de carga do
ensaio de flexão. ........................................................................................................67
xi
ÍNDICE DE TABELAS
TABELA 2.1 – Propriedades das fibras de vidro ...................................................... 10
TABELA 3.1 - Propriedades mecânicas e físicas poliéster de vidro ................................. 27
TABELA 3.2 – Avaliação de densidade ...................................................................... 28
TABELA 3.3 – Volume de fibras................................................................................. 29
TABELA 3.4 – Resultados dos ensaios de tração ...................................................... 33
TABELA 3.5 – Dados do ensaio de flexão - corpo de prova 1m16 - Cargas iguais de
cada lado do suporte............................................................................................... 43
TABELA 3.6 – Resultados do ensaio de flexão - corpo de prova 1m16 - Cargas
iguais de cada lado do suporte............................................................................... 44
TABELA 4.1 – Valores para alongamento máximo na ruptura ....................................... 54
TABELA 4.2 – VALORES para módulo de elasticidade na tração.................................. 55
xii
LISTA DE SÍMBOLOS
mc – massa do compósito.
mf – massa de fibra.
mm – massa de matriz.
vc – volume do compósito.
vf – volume de fibra.
vm – volume de matriz.
vv – volume de vazios.
ρ - massa específica.
m – massa.
v – volume.
ρ c - massa específica do compósito.
ρ f - massa específica da fibra.
ρ m - massa específica da matriz.
Mm – fração de massa da matriz.
Mf – fração de massa da fibra.
Vv – fração volumétrica de vazios.
Vf – fração volumétrica de fibras.
Vm – fração volumétrica de metriz.
γ c - peso específico do compósito.
γ f - peso específico da fibra.
γ m - peso específico da matriz.
Wf – peso de fibras.
Wc – peso do compósito.
n1 – número de pixels correspondente à área de pico mais baixo do histograma.
n2 - número de pixels correspondente à área de pico médio do histograma.
n3 - número de pixels correspondente à área de pico mais alto do histograma.
xiii
N – número de pixels totais do histograma.
E1 – módulo de elasticidade longitudinal.
υ12 - coeficiente de Poisson longitudinal.
Ect – módulo de elasticidade longitudinal à tração do compósito.
Ef – módulo de elasticidade longitudinal à tração da fibra.
Em – módulo de elasticidade longitudinal à tração da matriz
σ ct - limite de resistência longitudinal à tração do compósito.
σ f - limite de resistência longitudinal à tração da fibra.
σ m - limite de resistência longitudinal à tração da matriz.
ε ct - alongamento máximo na ruptura à tração para o compósito.
ε f - alongamento máximo na ruptura à tração para a fibra.
ε m - alongamento máximo na ruptura à tração para a matriz.
Mmax – momento máximo à flexão.
P = carga total a ser colocada no ensaio de flexão.
fmax = flecha máxima que se deseja no ensaio de flexão.
I = momento de inércia do corpo de prova de flexão.
L = distância entre os apoios.
b = largura do corpo de prova de flexão.
h = espessura do corpo de prova de flexão.
σ = tensão aplicada à flexão.
E = módulo de elasticidade à flexão.
f = flecha a cada leitura de flexão.
xiv
Capítulo 1
INTRODUÇÃO
Materiais estruturais têm sido divididos em quatro categorias básicas conforme
relata ASHBY (1987): metais, polímeros, cerâmicos e compósitos, nele estando
incluído o concreto armado.
Conforme definição de GIBSON (1994), compósitos
consistem em dois ou mais materiais distintos combinados em uma unidade estrutural
macroscópica.
São geralmente usados porque tê m propriedades desejáveis que não
puderam ser alcançadas por qualquer um dos materiais em separado, dentre elas temos:
•
Baixa condutibilidade elétrica;
•
Alta resistência à corrosão química;
•
Alto módulo de elasticidade;
•
Densidade menor que a do aço e alumínio;
•
Podem ser fabricados em diversas cores e formatos;
•
Baixo custo de manutenção;
•
Fácil instalação e
•
Alta resistência mecânica.
As propriedades dos compósitos são uma função das propriedades de suas fases
constituintes e da geometria do reforço, a qual compreende forma, tamanho, quantidade,
distribuiç ão e orientação das fibras ou partículas.
Nos últimos anos a utilização de compósitos pultrudados de resina reforçada com
fibra de vidro tem aumentado gradativamente no Brasil, principalmente nas indústrias
de petróleo. Existe um número infinito de possibilidades de fabricação de pultrudados
cujo processo de fabricação é esquematizado na figura 1.1.
Um compósito pultrudado pode ser projetado em função de um ou mais dos
seguintes fatores:
1 - Forma: qualquer perfil de seção transversal constante pode ser pultrudado,
conforme apresentado na figura 1.2.
2 - Matriz de resina: sistemas de resina podem ser modificados para atender a
necessidades especiais como, por exemplo, temperaturas elevadas ou ambientes
altamente corrosivos ou úmidos.
Resinas típicas inc luem poliéster, ester de vinil,
epóxi, e híbridas.
1
Figura 1.1 – Desenho esquemático do processo de pultrusão.
Retirado de
www.cogumelo.com.br (2001).
Figura 1.2 - Formas complexas de perfis pultrudados.
Retirado de
www.creativepultrusions.com (2001)
3 - Reforços: o tipo, forma, posição e quantidade de reforços podem ser usados
para maximizar economia, orientar resistência, e/ou outras características físicas.
O
tipo de reforço pode ser, por exemplo, de fibras de vidro, carbono ou aramida.
O
reforço de quaisquer destas fibras pode ser na forma de feixe (multifilamentos), tapete
(fibras longas contidas numa forma de tapete junto com uma camada resinosa), ou
tecidos.
2
4 - Projeto do compósito: uma peça pode ser fabricada por pultrusão, projetandose a resina e/ou reforço para alcançar uma necessidade particular.
Qualquer projeto
pode ser mudado para alcançar propriedades especificadas, por exemplo, mudando a
quantidade, distribuição, tipo ou forma do reforço.
Conforme CALLISTER JR. (1994), REINHART (1987), CHAWLA (1987),
podemos citar algumas aplicações para perfis pultrudados:
- Construções off- shore.
- Aeronaves.
- Mineração.
- Automóveis.
- Plantas de processo Industrial.
- Telefonia móvel.
- Construções de edifícios.
- Construção naval.
As propriedades mecânicas e físicas de um compósito de resina reforçada com
fibra de vidro podem ser avaliadas através de ensaios como: tração, compressão, flexão,
torção, deformação lenta, queima e metalografia. O ensaio de metalografia nos permite
avaliar propriedades físicas e características importantes para o compósito, com o
auxílio da técnica de análise de imagens, tais como: fração volumétrica de fibras, matriz
e vazios, diâmetro das fibras ou partículas e comprimento de fibras.
O perfil pultrudado analisado no presente trabalho tem a forma de seção tipo “I”, e
pode ser utilizado em construção de edifícios, como elemento estrutural secundário em
construções off-shore, plantas de processo industrial e telefonia móvel, por exemplo.
Os objetivos principais da presente pesquisa são os seguintes:
- Avaliação das propriedades mecânicas de módulo de elasticidade à tração, limite
de resistência à tração, alongamento na ruptura à tração, módulo de elasticidade à flexão
e deformação por deformação lenta diferida no tempo à temperatura ambiente.
- Avaliação das propriedades físicas de peso específico e fração volumétrica de
fibras, matriz e vazios.
- Desenvolvimento de metodologia para padronização de ensaio de flexão por
quatro pontos.
Esta metodologia deve ser elaborada de maneira simplificada com
vistas a permitir uma avaliação do módulo de elasticidade à flexão na própria indústria,
como parâmetro de controle de qualidade.
3
- Desenvolvimento de metodologia para padronização de avaliação da fração
volumétrica de fibras, matriz e vazios através da técnica de análise de imagem.
Esta
metodologia também tem a função de permitir um melhor controle de qualidade dos
compósitos fabricados.
Para permitir a avaliação das propriedades mecânicas de tração, foram realizados
ensaios de tração simples e cíclica.
O módulo de elasticidade à flexão, foi avaliado
através do ensaio de flexão por quatro pontos.
A deformação lenta à temperatura
ambiente foi avaliada através de ensaio com carregamento do tipo gravitacional.
Em relação às propriedades físicas, o peso específico teve sua avaliação realizada
por pesagem e medição da geometria da amostra. Já a fração volumétrica das fibras foi
avaliada pelo ensaio de queima e análise de imagem para apenas uma das amostras.
Para esta amostra pela mesma técnica também foi possível avaliar as frações
volumétricas de matriz e vazios.
No capítulo 2, são apresentadas considerações a respeito do comportamento de
pultrudados reforçados com fibra de vidro.
Os detalhes da análise experimental
realizada e os resultados obtidos são apresentados no capítulo 3. O capítulo 4 apresenta
a análise e discussão desses resultados e, finalmente, as conclusões deste estudo e
sugestão para trabalhos futuros são apresentados no capítulo 5.
4
Capítulo 2
PULTRUDADOS REFORÇADOS COM FIBRA DE
VIDRO
2.1 – Processo de pultrusão
Pultrusão é um processo industrial para produção contínua de formas estruturais
de resina plástica reforçada.
As matérias-primas são uma mistura de resina líquida
(contendo resina e elementos aditivos, como por exemplo, coagulantes) e fibras
flexíveis para reforço.
O equipamento de pultrusão puxa estas matérias-primas (em
lugar de empurrar como é o caso da extrusão) através de um molde de aço aquecido.
Os materiais de reforço alimentam o equipamento de forma contínua com rolos de
tapetes e/ou rolos de fios.
Os reforços são saturados (molhados), com a mistura de
resina fora da forma, e atravessam o molde aquecido.
O endurecimento da resina é
iniciado pelo calor do molde e com isso obtemos um perfil rígido e curado.
O conceito básico do processo de pultrusão é mostrado no esquema da figura 2.1,
e suas fases são descritas a seguir.
Figura 2.1 - Esquema de pultrusão contínuo.
Fiber Glass Co.
5
Elaborado por Morrison Molded
Os rolos posicionam os reforços para alimentação subseqüente nas guias.
O
reforço deve ser localizado corretamente dentro do compósito sendo esta a função das
guias de reforço, conforme pode-se observar na figura 2.2.
Figura
2.2
-
Alimentação
contínua
do
reforço.
Retirado
de
www.creativepultrusions.com (2001).
O banho de resina satura (molha) o reforço com uma solução que contém a resina,
pigmento, e catalisador com o intuito de garantir uma impregnação externa cuidadosa
(saturação completa) do reforço, como mostra a figura 2.3.
Figura 2.3 - Banho de resina. Retirado de www.creativepultrusions.com (2001).
6
No final do banho de resina, o compósito está em forma de folha plana. A seguir
passa por um molde inicial que aproxima o compósito do formato final.
Esta fase
elimina a resina em excesso. Conforme o produto avança no molde, a reação é ativada
pelo calor e o compósito é curado (endurecido).
No final da mesa de pultrusão, o perfil curado é puxado para ser cortado no
tamanho correto, conforme mostrado na figura 2.4.
É necessário esfriar o perfil para
prevenir fissuras e deformação antes que seja retirado para armazenamento.
Figura 2.4 - Saída do perfil da forma. Retirado de www.creativepultrusions.com
(2001).
Em certas aplicações, uma unidade geradora de onda de rádio freqüência é usada
para pré-aquecer o compósito antes de entrar na fôrma.
Quando em uso, o aquecedor
de rádio freqüência é posicionado entre o banho de resina e o molde inicial.
2.2 –Manuseio e utilização de pultrudados
Os pultrudados são materiais de fácil utilização e manuseio.
Para se montar
estruturas com perfis de material pultrudado, podem ser usadas as mesmas ferramentas
normalmente usadas para se trabalhar, por exemplo, com madeira, alumínio ou aço.
7
Os pultrudados podem ser cortados e perfurados, desde que a espessura máxima
seja 3/16” para perfuração e ¼” para corte.
Os acessórios (como discos de corte e
brocas) utilizados para estes serviços devem ser à base de carbono ou ter a região de
corte coberta com pontas de diamante.
O pó produzido nessas etapas não é tóxico e
não apresenta nenhum perigo sério à saúde, mas pode causar irritação na pele, que pode
ser reduzida ou eliminada com equipamento de proteção (macacão, luvas e máscara).
Outro cuidado que deve ser observado é evitar a produção de calor excessivo em
qualquer operação com máquina. Calor excessivo amolece a resina que une as fibras
de vidro resultando em superfície de corte esfarrapada.
Por último, durante as operações de perfuração ou corte, os perfis devem ser bem
apoiados para prevenir deformações.
2.3 - Defeitos e imperfeições mais comuns em pultrudados com reforço de fibras de
vidro
Segundo LACOVARA, quando o projetista e o fabricante trabalham juntos em
um projeto, os defeitos são menos prováveis de acontecer.
Usando o "conceito de
equipe" desde o princípio de um projeto, todos os elementos necessários podem ser
resolvidos antes que surjam defeitos e imperfeições irreversíveis.
Alguns desses
defeitos interferem no desempenho do compósito alterando suas propriedades.
Os defeitos mais relevantes que interferem nas propriedades do compósito são:
Bolha - uma elevação arredondada em forma de bolha que pode ser superficial ou
interna.
Essas bolhas podem existir dentro do pultrudado como uma área de
delaminação oca (normalmente cheia de gás) debaixo de uma elevada camada
superficial.
Se essas bolhas forem de pequeno diâmetro são chamadas de poros, se
forem de diâmetro maior são chamados de vazios
Trincas - uma separação visual que acontece internamente ou penetra abaixo da
superfície de pultrud ados. Pode provocar ruptura.
Fissuras -. múltiplas trincas em pultrudados.
cabelo e com formato de estrelas.
Podem ser finas como fios de
Essas fissuras são uma região de concentração de
tensões, e podem ser superficiais ou penetrarem no reforço.
Este defeito é bastante
nocivo porque impedirá a matriz de transmitir normalmente os esforços à fibra.
8
Delaminação - é a separação de duas ou mais camadas de material ou planos de
reforço dentro de um pultrudado.
Cura insuficiente - uma anormalidade de pultrusão criada por falta de cura, ou
cura incompleta em uma seção da resina. Esta condição normalmente provoca redução
na dureza e nas propriedades físicas.
Seções espessas, curadas de fora para dentro,
podem revelar cura insuficiente no centro da seção embora completamente curadas na
superfície.
Esta condição pode ser causada por temperatura de cura insuficiente,
catalisador impróprio, ou deslizamento muito rápido para a temperatura de cura.
2.4 – Principais propriedades da fibra de vidro
Conforme CALLISTER (1994), uma característica importante da maioria dos
materiais, especialmente os materiais frágeis, é que a adição de fibras de pequeno
diâmetro torna esse material muito mais resistente que o material principal, que é
chamado de matriz.
Com isto, a probabilidade da presença de uma falha crítica que
pode conduzir a uma fratura, diminui com o volume decrescente do material da matriz.
Esta característica é usada como vantagem no s compósitos reforçados com fibra. Por
isso, geralmente os materiais usados como fibras de reforço têm alta resistência à tração.
Materiais que são classificados como fibras têm diâmetros pequenos e podem ser
polímeros ou cerâmicos (por exemplo, o polímero de aramida, vidro, carbono, boro,
óxido de alumínio e carboneto de silicone).
Uma grande variedade de fibras é usada como reforço para compósitos.
As
características desejáveis da maioria das fibras de reforço são: alta resistência, alta
dureza; e densidade relativamente baixa.
Cada tipo de fibra tem suas próprias
vantagens e desvantagens. Entre as mais utilizadas na fabricação de compósitos está a
fibra de vidro que é comumente utilizada em compósitos de baixo a médio desempenho.
Fibra de vidro é um constituinte do compósito, que pode ser contínuo ou
descontínuo, contido em uma matriz plástica.
grandes quantidades.
Este tipo de compósito é produzido em
O vidro é o material de fibra de reforço mais usado por várias
razões, conforme descreve CALLISTER (1994):
1. É facilmente obtido em fibras de alta-resistência à partir do estado fundido.
2. É encontrado facilmente e pode ser fabricado utilizando uma grande variedade
de técnicas industriais viáveis economicamente.
9
3. Como fibra, é relativamente resistente. E quando embutida em uma matriz de
plástico, produz um compósito com uma resistência específica muito alta.
4. Quando associada a alguns tipos de plásticos, possui uma inércia química que
produz um compósito resistente à vários ambientes corrosivos.
As características de superfície das fibras de vidro são extremamente importantes
porque até mesmo pequenas imperfeições na sua superfície, podem afetar suas
propriedades elásticas. Falhas de superfície acontecem facilmente quando a superfície
da fibra de vidro entra em atrito com outro material duro. Geralmente, superfícies de
fibras de vidro expostas à atmosfera, mesmo por pequenos períodos de tempo, são
atacadas, o que interfere na união com a matriz.
Ultimamente, para prevenir esses
efeitos, durante a fabricação as fibras normalmente são cobertas com um material que
protege a superfície de dano e interações indesejáveis, o que permite uma adesão melhor
entre a fibra e matriz.
Conforme indica DANIEL (1994), os dois tipos de fibra de vidro ma is usados são
E-glass e S- glass.
Essas fibras têm como vantagem alta resistência e baixo custo e,
como desvantagem, baixa dureza, baixa resistência à fadiga, baixa resistência a altas
temperaturas e alta degradação quando submetidas à exposição em severas condições de
umidade. A tabela 2.1 apresenta algumas propriedades referentes aos dois tipos mais
usados de fibra de vidro.
TABELA 2.1 – PROPRIEDADES DAS FIBRAS DE VIDRO
Tipo
E-glass
S-glass
Fabricante
Resistência
à tração
MPa (ksi)
Módulo
de
elasticidade
GPa (Msi)
Densidade
(g/cm³)
Corning
Corning
3.450 (500)
4.480 (650)
72,5 (10,5)
85,6 (12,4)
2,54
2,49
2.5 – Principais propriedades da matriz
A matriz nos compósitos desempenha três funções muito importantes.
Primeiro
liga as fibras, sendo o meio pelo qual uma tensão externa aplicada é transmitida e
distribuída às fibras. Só uma proporção muito pequena da carga aplicada é absorvida
pela matriz.
A segunda função da matriz é proteger as fibras individuais de danos de
superfície provocados por abrasão mecânica ou ambientes agressivos.
10
Tais interações
podem introduzir falhas de superfície capazes de formar fissuras que podem conduzir a
ruptura com baixos níveis de tensão de tração. Finalmente, a matriz separa as fibras e,
em virtude de sua relativa plasticidade, previne a propagação de fraturas frágeis de fibra
para fibra que poderia m resultar em ruptura catastrófica. Em outras palavras, a matriz
serve como uma barreira para propagação de fissuras, embora uma fratura completa não
ocorrerá até que um número grande de fibras adjacentes tenham falhado e tenham
formado um agrupamento de falha de tamanho crítico.
Conforme descrito em DANIEL (1994), quatro tipos de matrizes são usadas em
compósitos: polímérica, metálica, cerâmica e de carbono.
As matrizes metálicas, são
recomendadas para aplicações sujeitas a altas temperaturas, aproximadamente 800° C.
Para aplicações que precisam resistir a altíssimas temperaturas, acima de 1000º C, são
usadas matrizes cerâmicas.
Normalmente, metais e polímeros são usados como materiais de matriz porque é
desejável que se tenha alguma ductilidade.
Polímeros são usados como matriz na
maioria das aplicações de compósitos, em função de suas propriedades e de tornar mais
fácil a fabricação do compósito, conforme relata CALLISTER (1994).
As matrizes políméricas mais comumente usadas são: epóxi e poliéster. As que
mais se desenvolveram são do tipo epóxi, podendo ser formuladas com alta dureza. Há
dois tipos de epóxis: os que curam a baixa temperatura (120°C) e são usados em
componentes expostos à baixa ou moderada variação de temperatura (por exemplo,
materiais esportivos), e os que curam a uma temperatura mais alta (175°C) e são usados
em componentes de alto desempenho e expostos a temperaturas mais elevadas e grandes
variações de umidade (por exemplo, estrutura de aeronave).
As matrizes de poliéster são extensamente usadas para aplicações em regiões
marítimas e industrias químicas.
Suas vantagens são baixo custo e flexibilidade na
formulação.
O principal uso de resinas de poliéster é em compósitos reforçados com fibra de
vidro. Uma quantidade enorme de resinas de poliéster pode ser produzida variando-se
as proporções de seus componentes.
O EUROCOMP (1997) indica que, poliésteres
reforçados com fibras de vidro são usados desde o início dos anos 60 na fabricação de
barcos.
Na indústria da construção se tornaram extensamente utilizados em painéis
pré-fabricados para forros e banheiras.
11
2.6 – Compósitos reforçados com fibra de vidro
Plásticos reforçados com fibra de vidro são referidos, freqüentemente,
simplesmente como "fibra de vidro" (como em tanques de fibra de vidro, formas
estruturais de fibra de vidro, barcos de fibra de vidro, etc.).
O que é usado neste
contexto “fibra de vidro”, consiste num compósito de matriz de resina plástica,
reforçada através de fibras de vidro embutidas.
A resistência do reforço de fibra de
vidro é principalmente determinada pelo tipo, orientação, quantidade, e localização das
fibras no interior da matriz.
A resina une o reforço de fibras de vidro, sendo este o principal responsável pela
rigidez da peça. A resina usada determina ainda a resistência à corrosão, resistência à
chama e temperatura máxima operacional, como também contribui significativamente
para certas características de resistência, inclusive resistência ao impacto e resistência à
fadiga.
2.7 – Propriedades físicas dos compósitos
A caracterização física de compósitos inclui a determinação da densidade, do peso
específico, das frações volumétricas de fibra, de matriz e de vazios, entre outras. Cada
uma dessas propriedades serão comentadas a seguir.
2.7.1 – Massa específica e peso específico
Segundo CHAWLA (1987), se considerarmos um compósito de massa mc, a
massa total do compósito será o total de soma das massas de fibra e matriz, ou seja:
mc = m f + mm
(2.1)
Os índices c, f e m indicam respectivamente compósito, fibra e matriz, sendo a Eq.
(2.1) válida para qualquer porcentagem de vazios. O mesmo não ocorre com o volume
(vc), onde a porcentagem de vazios tem que ser incluída, e teríamos então:
v c = v f + v m + vv
Sabendo-se que ρ =
(2.2)
m
, se relacionarmos com a Eq. (2.1) teremos:
v
12
ρc =
mc m f + mm ρ f v f + ρ m vm
=
=
vc
vc
vc
(2.3)
Também podemos usar uma expressão derivada em termos de frações de massa
obtida através da equação ρ c =
ρc =
=
mc
. Assim,
vc
mc
mc
mc
=
=
=
m
vc
v f + vm + vv
mm
f
+
+ vv
ρf
ρm
(÷ mc )
1
1
1
=
=
M f M m vv
M f Mm
M f M m Vv
v
+
+
+
+ v
+
+
ρf
ρ m mc
ρf
ρ m ρ c vc
ρf
ρm
ρc
ρc =
(× ρ c )
ρc
(2.4)
M
M 
ρ c  f + m  + Vv
ρ m 
 ρ f
ou, se agora tirarmos o valor de Vv da Eq. (2.4), teremos:
M f M m 
ρc
ρc 
+
=1
 + Vv =
ρ m 
ρc
 ρ f
 M f Mm 

Vv = 1 − ρ c 
+
 ρ

ρ
m 
 f
(2.5)
Freqüentemente, os conceitos de massa específica, peso específico e densidade,
são facilmente confundidos conforme podemos ver a seguir BAUER (1982).
Massa é a quantidade de matéria , e é constante para o mesmo corpo, esteja onde
estiver. Peso é a força com que a massa é atraída para o centro da terra; varia de local
para local. E chama-se densidade de um material a relação entre a sua massa e a massa
de mesmo volume de água destilada a 4° C, no vácuo.
Se agora considerarmos, não a massa, mas o peso total do compósito (pc), teremos
o peso específico que é dado pela expressão:
γc =
Wc
vc
(2.6)
13
2.7.2 – Fração volumétrica de fibra
Existem vários métodos para a determinação da fração volumétrica de fibra, que é
uma propriedade importante do compósito. Segundo DANIEL (1994), quando se pode
garantir que o material compósito tem uma quantidade desprezível (menos que 1%) ou
nula de porosidade, a fração volumétrica de fibra pode ser obtida em função das
densidades do compósito e dos seus componentes pela seguinte relação:
Vf =
ρc − ρm
ρ f − ρm
(2.7)
onde ρ c , ρ m e ρ f são as massas específicas do compósito, da matriz e da fibra,
respectivamente.
Segundo CHAWLA (1987), se o volume de vazios é considerável
teremos:
V f = 1 − Vm − Vv
(2.8)
onde Vf, Vm e Vv são frações volumétricas de fibra, matriz e vazios
respectivamente.
Os métodos de queima ASTM D 2584 (1990) e D 297 (1975), podem ser
aplicados a compósitos que têm fibras inorgânicas em uma matriz orgânica, como
vidro/epóxi.
Uma amostra do material compósito é seca em estufa e pesada, sendo
então aquecida até a matriz estar completamente queimada.
O resíduo das cinzas é
lavado, seco e pesado. A relação de volume de fibra é obtida como:
Vf =
Wf γ f
(2.9)
Wc γ c
onde: Wc e Wf são os pesos do compósito e fibras, respectivamente.
A relação do volume de fibra também pode ser determinada através de técnicas
óticas baseadas em análise de imagem de fotomicrografia de seções transversais às
fibras no compósito.
Uma aproximação elementar consiste em contar o número de
fibras da seção transversal de uma fração dentro da região da fotomicrografia, calcular a
área total das seções de fibra e dividir pela área total fotografada.
Técnicas de análise
de imagem mais sofisticadas também são usadas e podem determinar a fração
volumétrica de fibra, de matriz e de vazios, conforme LI et al. (1992) e RUDNAYOVÁ
et al (2000).
14
2.7.3 – Fração volumétrica de Vazios (Porosidade)
A relação de volume de vazios (ou relação de porosidade) pode ser obtida como
descrito na norma ASTM D 2734-70, isto é, expresso em termos das quantidades
medidas na dissolução ácida ou métodos de queima, ASTM D 2584 (1990):
Vv = 1 −
W f γ f + (W c − W f ) γ m
(2.10)
Wc γ c
ou, segundo CHAWLA (1987), através da seguinte equação:
 M f Mm 

Vv = 1 − ρ c 
+
 ρ

ρ
m 
 f
(2.11)
Segundo DANIEL (1994), o método preferido para determinação de porosidade
em um compósito é o método de análise de imagem mencionado anteriormente.
A
fotomicrografia da seção transversal de um compósito, mostra as fibras, matriz e vazios
com tonalidades cinza claro, cinza escuro, e negro, respectivamente, conforme se
observa na figura 2.5.
No procedimento de análise de imagem, a seção transversal é
registrada por uma máquina fotográfica digital, acoplada a um microscópio eletrônico
que transmite a imagem em forma digital para um computador.
Esta imagem é
convertida em uma imagem retangular inteira no modo escala de cinza, que
corresponderá ao tom cinzento de cada elemento de quadro (pixel). A imagem digital é
processada e representada num histograma de níveis de cinza. Este histograma resume
o conteúdo do nível de cinza da imagem e mostra para cada nível o número de pixels na
imagem.
Para exemplificar o procedimento, foi realizada metalografia de uma seção
transversal retirada de um perfil “U”, com um volume de fibra de 60% indicado pelo
fabricante. Processando a imagem , obteve-se um histograma com três regiões distintas
de pico, alto médio e baixo.
Essas três regiões de pico do histograma, são
representadas nas figuras 2.6, 2.7 e 2.8, e correspondem à porosidade, matriz, e fibras,
respectivamente.
Os pixels são separados em três grupos que correspondem à
porosidade, matriz, e fibras. São assim obtidas as frações volumétricas de vazios, de
matriz e de fibras como a seguir :
Vv =
n1
N
(2.12)
15
Vm =
n2
N
(2.13)
Vf =
n3
N
(2.14)
onde: n1 , n2 e n3 correspondem aos números de pixels dos níveis de cinza
associados com porosidade, matriz, e fibras, respectivamente, e N é o número total de
pixels.
Figura 2.5 – Imagem digitalizada de material compósito de vidro/poliéster (perfil
“U”). Seção transversal usada para determinar fração volumétrica de vazios, de matriz
e fibras.
16
Figura 2.6 – Histograma da figura 2.5 mostrando o número de pixels relativos à área de
menor pico, que corresponde aos vazios e cuja fração volumétrica é de 6,83%.
Figura 2.7 - Histograma da figura 2.5 mostrando o número de pixels relativos à área de
médio pico, que corresponde à matriz e cuja fração volumétrica é de 33,17%.
17
Figura 2.8 - Histograma da figura 2.5 mostrando o número de pixels relativos à área de
maior pico, que corresponde à fibra e cuja fração volumétrica é de 60,00%.
2.8 - Propriedades mecânicas dos compósitos
Neste item consideraremos os resultados da incorporação de fibras em uma matriz
polimérica.
Conforme citado anteriormente no item 2.5, a matriz, além de unir as
fibras, tem a função importante de transferir a carga aplicada para as fibras.
É de
grande importância a possibilidade de se poder prever as propriedades de um
compósito, determinando as propriedades dos componentes e o arranjo geométrico a ser
adotado.
Poderíamos examinar vários aspectos da micromecânica dos compósitos
fibrosos.
No caso de propriedades mecânicas, podemos utilizar a regra das misturas
CHAWLA (1987); DANIEL (1994) como uma simplificação se o compósito é
unidirecional, porém, se quisermos levar em conta características como empacotamento
das fibras (arranjo das fibras unidirecionais, que podem ser por exemplo quadrado ou
hexagonal) e interação fibra/matriz, é melhor usar aproximações mais sofisticadas
baseadas na teoria de elasticidade que resultam em informação mais precisa.
18
Conforme descreve DANIEL (1994), estas propriedades podem apresentar
variação importante para o mesmo material, conforme acontece por exemplo, em
diferentes partidas de aço.
Nem sempre é prático caracterizar cada grupo de material experimentalmente.
É
desejável realizar avaliações realistas das propriedades do compósito, como uma função
das propriedades de seus constituintes e características geométricas, como relação de
volume de fibra e parâmetros de empacotamento geométrico.
Uma variedade de métodos tem sido usados para avaliar as propriedades
mecânicas de materiais compósitos.
Alguns métodos podem ser agrupados com base
nos seguintes princípios e áreas de conhecimento:
- Mecânica de materiais ;
- Análise numérica;
- Métodos semi-empíricos;
- Métodos experimentais.
As avaliações mecânicas de materiais estão baseadas em suposições simplificadas
de tensão uniforme ou deformação uniforme nos componentes.
Essas suposições são
adequadas para propriedades longitudinais como módulo de elasticidade (E1 ) e o
coeficiente de Poisson principal ( ν 12 ).
Aproximações numéricas usam diferenças finitas, elementos finitos ou métodos
de elemento de contorno, porém consomem algum tempo e não são aplicáveis na forma
de expressões fechadas.
Normalmente são apresentados resultados na forma de
famílias de curvas, ADAMS e DONER (1967).
HALPIN and TSAI (1967), desenvolveram relações semi-empíricas para evitar as
dificuldades com as aproximações teóricas e facilitar a computação. Estas relações são
expressas em termos da medida da eficiência do reforço (ou transferência de carga) e é
determinado com a ajuda experimental.
2.8.1 – Módulo de elasticidade longitudinal na tração
Propriedades relacionadas a carregamento na direção das fibras, E1 e ν 12 , são
dominadas pelas fibras que são normalmente mais resistentes, rígidas, e tem uma
deformação última mais baixa.
Todas as avaliações e resultados experimentais, neste
19
caso, estão muito próximos dos resultados obtidos pela regra das misturas, onde o
módulo longitudinal Ect é determinado por:
Ect = V f E f + Vm E m
(2.15)
onde Ef e Em são o modulo longitudinal da fibra e da matriz, respectivamente, e Vf
e Vm são as relações de volume de fibra e matriz, respectivamente.
Nesta relação, é
assumido que a fibra pode ser anisotrópica, com propriedades diferentes nas direções
axial e transversal e que a matriz é isotrópica.
Usando um princípio de analogia podemos obter igualmente a resistência à tração
através da fórmula:
σ ct = V f σ f + Vmσ m
(2.16)
Para compósitos com fibras muito rígidas, i.e., quando Ef >>Em, e valores
significativos de Vf, o compósito falha quando sua tensão longitudinal alcança a tensão
última da matriz.
Então, a resistência à tração longitudinal do compósito pode ser
calculada aproximadamente pela relação:
Ef


σ ct ≅ σ m V f ×
+ Vm 
Em


(2.17)
Ainda, usando o mesmo princípio, podemos obter o alongamento pela fórmula:
ε ct = V f ε f + Vm ε m
(2.18)
Como simplificação, VOIGT (1910) elaborou a seguinte hipótese: considerando
um compósito unidirecional, assumimos que as seções transversais deste compósito
permanecem planas depois de deformadas, ao aplicar-se uma força P na direção da
fibra.
Considerando-se que os dois componentes aderem perfeitamente e se,
adicionalmente, esses componentes apresentarem o mesmo valor do Coeficiente de
Poisson, então, cada componente sofrerá o mesmo alongamento longitudinal ∆l .
Assim, podemos escrever para a tensão em cada componente:
ε f = ε m = ε ct =
∆l
l
(2.19)
onde ε ct é a deformação no compósito na direção longitudinal. Esta propriedade
é denominada isodeformação.
Se fibra e matriz são elásticas, podemos relacionar a
tensão σ nos dois componentes para a deformação ε t , através do modulo de Young
(E). Assim, teremos como tradicionalmente se adota:
20
Ect =
σ ct
ε ct
(2.20)
2.8.2 – Módulo de elasticidade longitudinal na flexão
O teste de flexão em uma pequena viga é o teste de execução mais simples, sendo
por isso muito empregado.
Num ensaio de flexão a viga sofre dois estados de tensão
distintos: o estado de tensão na face superior da viga é compressão, enquanto que na
face inferior é de tração.
Conforme apresentado em EUROCOMP (1997), devemos notar que o módulo de
elasticidade na flexão não apresenta o mesmo valor que os módulos de tração ou de
compressão que podem ser determinados por métodos teóricos.
Embora testes de flexão não forneçam dados básicos para projeto, seu uso é
freqüente em função do material estar sujeito a carregamento de flexão em serviço.
No ensaio de flexão, se o objetivo é analisar o modo de falha em serviço, é
necessário que a relação comprimento/espessura do corpo de prova, seja semelhante à
da peça estrutural a ser usada in situ, a qual se deseja qualificar. Se esta relação não for
similar, o modo de falha em serviço pode ser diferente do que se obteve no teste de
laboratório.
Mas, se o objetivo é apenas a avaliação do módulo de elasticidade na
flexão, a relação comprimento/espesura não é importante.
Conforme a norma ASTM D 790-70 (1970), podem ser usados três pontos (figura
2.9) ou quatro pontos de carregamento (figura 2.10), ou seja, um ou dois pontos de
carga, mais o número de pontos de apoio que são dois em qualquer caso.
Figura 2.9 – Flexão por 3 pontos de carregamento (um ponto de aplicação de
carga e dois apoios.
21
Figura 2.10 – Flexão por 4 pontos de carregamento (dois pontos de aplicação de
carga e dois apoios).
Conforme relata DONALD, o momento de carregamento máximo para flexão por
3 pontos é igual ao momento de carregamento máximo para flexão por 4 pontos,
conforme mostrado a seguir:
M max = P 2 (L 2) = PL 4
(2.21)
M max = P(L 4) = PL 4
(2.22)
Três pontos de carregamento resultam em um momento de flexão que aumenta
linearmente até um máximo no centro da viga.
Quatro pontos de carregamento,
resultam em um momento de flexão que aumenta linearmente até um máximo nos
pontos de carrega mento, e permanece constante entre eles.
Assim, um maior volume
de material é sujeito ao momento máximo no caso de quatro pontos de carregamento.
Com base nas considerações anteriores, comparando os dois procedimentos, não
parece haver nenhuma vantagem distinta entre uma configuração ou outra que não seja
22
a possibilidade de realizar mais facilmente a leitura da deflexão máxima. Parece-nos,
portanto, mais apropriado a adoção do modelo de ensaio com quatro pontos de carga.
2.8.3 – Deformação lenta à temperatura ambiente
Deformação lenta é a deformação de um material (ou estrutura) dependente do
tempo, em função de uma carga constante. A deformação lenta pode ser definida como
a deformação adicional exibida por um material depois um determinado tempo
decorrido.
Fibras como vidro, boro, ou carbono apresentam pouquíssima deformação lenta às
temperaturas de trabalho em compósitos de matriz polimérica.
Igualmente, a matriz
polimérica de uso comum na maioria dos compósitos de alto desempenho, exibe
relativamente baixas taxas de deformação lenta em baixas temperaturas.
Assim,
quando as propriedades são dominadas pelas fibras, os compósitos apresentam
freqüentemente pequena ou nenhuma deformação lenta mensurável e, quando as
propriedades são dominadas pela matriz, apresentam muito pouca deformação lenta.
Em compósitos de fibras alinhadas, onde o carregamento ocorre ao longo da
direção de fibra, é improvável que ocorram problemas de deformação lenta
significativos.
Por outro lado, se o carregamento for perpendicular em relação à
direção da fibra, pode resultar em deformação excessiva.
A natureza e a quantidade do reforço são fatores importantes na deformação lenta.
No documento EUROCOMP (1997), verificamos que compósitos com fração
volumétrica de fibras com níveis altos têm pequena deformação lenta.
Igualmente,
pequenas relaxações são obtidas para compósitos de fibras contínuas paralelas à carga
externa.
Em materiais reforçados com tecidos, o enrugamento pode causar fratura
interlaminar, contribuindo para a deformação lenta.
De todos os reforços potenciais,
tapete de fios cortados e tapetes de filamentos contínuos são os menos resistentes à
deformação lenta.
Há dificuldades para se extrair dados de deformação lenta na literatura publicada.
Obter-se dados confiáveis é difícil, pela variedade de materiais compósitos e freqüente
ausência de detalhes que descrevam o material na maioria das fontes de informação.
Freqüentemente, tais resultados são limitados, e só podem ser usados para indicar
tendências.
23
2.8.3.1 - Fatores que afetam magnitude da deformação lenta
Segundo o EUROCOMP (1997), a deformação lenta é essencialmente um
fenômeno dominado pela matriz, para o qual os seguintes fatores determinarão o grau
de deformação lenta em um determinado momento:
(a) Materiais:
- Tipo de resina e grau de cura.
- Interface entre fibra e matriz.
- Fração de volume de fibras.
- Forma do reforço (tecido, fibras, tapetes, etc).
- Orientação das fibras com respeito à carga aplicada.
- Método de fabricação.
(b) Ambiente:
- Temperatura.
- Regime de carrega mento (particularmente compressão, flexão e todos os modos
de fratura).
- Substâncias químicas agressivas.
- Conteúdo de umidade.
- Carrega mento cíclico e intermitente.
Geralmente, a matriz polimérica é o elemento de menor resistência mecânica de
qualquer material compósito e determinará o desempenho global e uso em serviço. A
matriz tem um papel crítico, transferindo carga para a fibra e estabilizando a fibra local
em compressão e tração, fornecendo igualmente proteção contra ambientes agressivos.
Entre os fatores listados acima, a temperatura tem uma das influência s mais
significativas em comportamento de deformação lenta dos compósitos, em função do
comportamento da matriz.
Em função dos fatores descritos acima, se houver
necessidade de controlar os efeitos da deformação lenta, é essencial fazer uma boa
seleção do polímero a ser usado na fabricação do compósito.
24
2.8.3.2 – Condições ideais para projeto de pultrudados reforçados com fibra de
vidro
Segundo o EUROCOMP (1997) a metodologia para projeto de pultrudados
reforçados com fibra de vidro que satisfaça a resistência à deformação lenta deveria,
fundamentalmente, estar baseada em limitar as tensões iniciais na matriz.
Isto deveria
ser aplicado a todas as direções primárias de carregamento, onde deformação lenta e
deflexões são críticas. Os reforços deveriam ser contínuos, não enrugados, e materiais
fabricados para resistência e rigidez altas.
Em geral, isto implica em materiais com
frações de volume altas, acima de 50% para as fibras.
É necessário selecionar um
sistema de resina para satisfazer efeitos de altas temperaturas, permitindo uma marge m
conservadora de pelo menos 50°C entre a temperatura de serviço e a temperatura de
amolecimento do compósito, e também apresentar uma redução dos efeitos de umidade.
As fibras devem ser alinhadas em relação às tensões principais, para limitar as
deformações e minimizar a ruptura na resina. Como já foi dito, as fibras deveriam ser
contínuas, porém, se for necessário o uso de tecidos, deve-se garantir que haja pouco
enrugamento, para minimizar sua influência na deformação lenta. A deformação lenta
das fibras é secundária em relação ao polímero.
No entanto, se fibras individuais
falham, haverá uma redistribuição de carga que resultará em um aumento da
deformação lenta.
25
Capítulo 3
ANÁLISE EXPERIMENTAL
O objetivo deste capítulo é apresentar com detalhes os ensaios realizados, assim
como os resultados obtidos, sendo que a análise e discussão serão apresentadas no
capítulo 4.
3.1 – Dados relativos ao material estudado
Foram indicadas pelo fabricante para o perfil utilizado (perfil I), as porcentagens
de fibra e de matriz, iguais a 55% e 45% respectivamente. Não foi indicado o volume
de vazios.
A resina utilizada é poliéster isoftálica resistente a altas temperaturas e a
fibra de vidro é do tipo E-glass.
As dimensões do perfil estudado são indicadas na figura 3.1.
Figura 3.1 – Dimensões e geometria do perfil estudado.
3.1.1 – Matérias primas usadas no perfil estudado
No perfil analisado foram utilizados pelo fabricante os seguintes tipos de matérias
primas:
26
- Resinas poliéster de alto desempenho, misturadas com catalisadores e
pigmentos.
- Mantas de fibras de vidro, posicionadas entre as camadas de fibras contínuas.
As mantas são fornecidas em rolos largos que, para serem processados, são cortados em
rolos menores, com larguras adequadas a cada perfil.
- Fibras de vidro contínuas “ROVINS” - encontradas em maior quantidade.
- Véu de superfície - se posicionam na superfície, para produzir camada externa
rica em resina com bom acabamento.
3.1.2 – Propriedades indicadas pelo fabricante
Os dados de propriedades dos materiais usados na pultrusão, informados pela
Cogumelo Pultrudados em Fibra de Vidro, são apresentados na tabela 3.1.
TABELA 3.1 - PROPRIEDADES MECÂNICAS E FÍSICAS POLIÉSTER DE VIDRO
45% a 55% de fibras de vidro
75%
de
Longitudinal
Transversal
Propriedades
Unidades
fibras
Mínimo Máximo Mínimo Máximo
de
vidro
Resistência à tração
MPa
210
260
49
70
700
Módulo de elasticidade
MPa
17500
21000
5600
7000
42000
à tração
Resistência à flexão
MPa
210
260
70
98
700
Módulo de elasticidade
MPa
11200
14000
5600
7000
42000
à flexão
Resistência à
MPa
210
260
105
140
420
compressão
Módulo de elasticidade
MPa
17500
17500
7000
8400
27300
à compressão
Resistência ao impacto
MPa
3,9
4,2
5,6
7,0
5,6
Alongamento na
(%)
2
ruptura
Peso Específico
(g/cm³)
1,4 a 1,8
Coeficiente de
cm/cm.°C
5,2x10 -6
dilatação térmica
Absorção de água
max %
0,6
Resistência ao arco
segundos
120
Rigidez dielétrica
kv/mm
16
Dureza BARCOL
50
27
3.2 – Análise de peso específico
Através da fórmula tradicional para obtenção de peso específico:
γ c = Wc vc
(3.1)
foi feita avaliação do material em estudo, utilizando balança digital marca Bell Mark,
com capacidade de 4000 gf e sensibilidade de 0,01 gf/div, além de um paquímetro
marca Mitutoyo de sensibilidade 0,02 mm/div. Para este levantamento foram utilizados
10 corpos de prova anteriormente confeccionados para ensaios de tração, mostrados na
figura 3.2, cujos dados são descritos na tabela 3.2.
Figura 3.2 – Corpo de prova utilizado para obtenção do peso específico.
Peso
(gf)
46,92
42,18
35,19
33,13
46,05
42,34
41,63
36,22
35,25
40,63
TABELA 3.2 – AVALIAÇÃO DE DENSIDADE
Peso Específico
Dimensões
Volume
γ (gf/cm³)
(cm)
(cm³)
25,078x1,540x0,780
30,124
1,6
25,006x1,550x0,720
27,907
1,5
24,930x1,520x0,770
29,178
1,2
25,040x1,510x0,724
27,375
1,2
25,010x1,540x0,790
30,427
1,5
25,010x1,540x0,800
30,812
1,4
25,080x1,510x0,750
28,403
1,5
25,008x1,540x0,740
28,499
1,3
25,010x1,508x0,750
28,286
1,3
25,088x1,510x0,764
28,943
1,4
MÉDIA
1,4
DESVIO PADRÃO (%)
9,85
28
3.3 – Análise do volume de fibra
Foram realizadas no Instituto de Macromoléculas da UFRJ análises da fração
volumétrica de fibras pelo processo de queima ASTM D 297 (1975), em quatro
amostras, cujos resultados são apresentados na tabela 3.3.
TABELA 3.3 – VOLUME DE FIBRAS
Amostra
Volume (%)
1A
65,7
Cog2
59,2
T2
62,7
Cog4
57,9
MÉDIA
61,4
Na amostra T2, foi também realizada avaliação por análise de imagem, sendo
estabelecido não só o volume de fibra, mas também os volumes de matriz e vazios. O
procedimento é o mesmo descrito no ANEXO B e o programa de tratamento de imagem
utilizado é Photoshop 7.0.
A imagem da seção analisada está na figura 3.3 e os
resultados encontrados estão nas figuras 3.4, a 3.6.
Figura 3.3 – Imagem digitalizada de fibra de vidro/poliéster da amostra T2.
Seção transversal usada para determinar fração volumétrica de vazios, matriz e fibras.
29
Figura 3.4 - Histograma da figura 3.3 mostrando o número de pixels relativos à área de
maior pico, que corresponde à fibra e cuja fração volumétrica encontrada foi de 59,19%.
Figura 3.5 - Histograma da figura 3.3 mostrando o número de pixels relativos à área de
médio pico, que corresponde à matriz e cuja fração volumétrica encontrada foi de 38,17%.
30
Figura 3.6 – Histograma da figura 3.3 mostrando o número de pixels relativos à área de
menor pico, que corresponde aos vazios e cuja fração volumétrica encontrada foi de 2,64% .
Observa-se, portanto, frações volumétricas para as fibras, matriz e vazios, iguais a
59,19%, 38,17% e 2,64% respectivamente.
3.4 – Análise dos ensaios de tração
Foram realizados ensaios de tração convencional em sete corpos de prova e
obtidas as seguintes propriedades:
- Tensão máxima;
- Módulo de elasticidade;
- Alongamento na ruptura.
Nos CPs 1A, T1, T2 e T3, foram realizados ensaios de tração simples em máquina
de ensaios Shimadzu, servo controlada com capacidade de carregamento máximo de
100 tf. Nos CPs COG 2, COG 3 e COG 4 foram realizados ensaios de tração cíclica
com cinco ciclos parciais e um ciclo completo, cada um dos ciclos parciais foi
estabelecido em função da carga máxima de tração avaliada em ensaio anterior. O 1°
ciclo com 10% desta carga (2,5 KN), o 2° ciclo com 20% (5 KN), o 3° ciclo com 30%
31
(7,5 KN), o 4° ciclo com 40% (10 KN), 5° ciclo com 50% (12,5 KN) e o último um
ciclo completo até a ruptura, todos realizados em uma máquina Instron 8802 com
controle de carga e capacidade de carga de 25 tf. A intenção deste tipo de ensaio era
verificar se os ciclos consecutivos alterariam as propriedades do material.
Os corpos de prova foram confeccionados com base na tabela 2 da ASTM D
3039, apresentada no ANEXO B, cujas dimensões são retiradas de acordo com a
espessura disponível no material de origem. Como o perfil estudado tem a orientação
das fibras a 0°, os corpos de prova confeccionados tem as seguintes dimensões: 15 mm
de largura, 250 mm de comprimento e espessura de 7,5 mm que corresponde à
espessura das paredes do perfil.
Conforme recomendado pela ASTM D 3039 (1995), para os ensaios de tração foi
colocada uma proteção, nas extremidades do corpo de prova, 1A, T1, T2 e T3, para
possibilitar maior aderência e minimizar os efeitos da pressão da garra no corpo de
prova, figura 3.7.
Os corpos de prova COG2, COG3 e COG4 não foram ensaiados
com proteção das extremidades porque a máquina Instron utilizada não apresentava
espaço entre as garras para utilização desta proteção. Em compensação, a aplicação de
carga transversal de fixação nas garras se dá suavemente, sem prejudicar o corpo de
prova.
O módulo de elasticidade médio das amostras 1A, T1, T2 e T3, foi obtido
utilizando-se dois pontos contidos na reta de tendência vermelha, cons tantes das figuras
3.8 a 3.11, correspondente ao trecho reto inicial dos gráficos tensão x deformação,
desprezando-se todos os dados restantes.
Para as amostras COG2, COG3 e COG4,
foram utilizados para cálculo do módulo de elasticidade médio dos ciclos 1 a 5, todos os
pontos disponíveis, pois conforme mostram as figuras 3.12, 3.14 e 3.16, o
comportamento dos materiais estudados seguem um comportamento elástico.
O desvio padrão das amostras COG2, COG3 e COG4, foi calculado utilizando-se
todos os pontos contidos em cada ciclo, com o número de pontos usados indicados na
tabela 3.4.
Os resultados obtidos estão indicados na tabela 3.4 e nas figuras 3.8 a 3.17.
Em todos os corpos de prova foram realizadas metalografias próximo da região de
ruptura e em região mais afastada da ruptura.
Como amostra representativa foram
registradas as imagens de seção transversal do CP T2 na região de ruptura, figura 3.18 e
no topo do corpo de prova, figura 3.19.
32
Figura 3.7 – Reforço do corpo de prova de tração.
COG 4
COG 3
COG 2
TABELA 3.4 – RESULTADOS DOS ENSAIOS DE TRAÇÃO
Tensão
Módulo de elasticidade
máxima
Alongamento
Desvio
Amostra
N° de
(%)
de tração Ect (MPa)
Padrão
resultados
(MPa)
(%)
1A
222,7
20482
02
1,3
T1
143,16
12984
02
3,6
T2
228,42
21429
02
3,65
T3
116,26
18366
02
2,19
1° ciclo
23
22451
1935
36,0
2° ciclo
46
26439
2708
21,2
3° ciclo
68
26498
4328
11,9
4,84
4° ciclo
90
21527
5995
32,8
5° ciclo
112
23517
7366
29,5
COM183,91
PLETO
1° ciclo
22
18665
1856
12,4
2° ciclo
45
18223
3162
10,8
3° ciclo
67
17761
4699
10,2
3,68
4° ciclo
89
17534
5751
7,4
5° ciclo
111
17028
6721
9,9
COM201,72
PLETO
1° ciclo
21
14801
1265
10,3
2° ciclo
41
14918
2620
6,1
3° ciclo
62
14697
4083
7,0
8,79
4° ciclo
83
13991
5510
12,6
5° ciclo
104
13644
6796
14,4
COM119,87
PLETO
33
Figura 3.8 – Gráfico Tensão x Deformação do CP 1A.
Figura 3.9 – Gráfico Tensão x Deformação do CP T1.
34
Figura 3.10 – Gráfico Tensão x Deformação do CP T2.
Figura 3.11 – Gráfico Tensão x Defo rmação do CP T3.
35
Figura 3.12 – Gráfico Tensão x Deformação dos cinco ciclos do CP COG 2.
Figura 3.13 – Gráfico Tensão x Deformação completo do CP COG 2.
36
Figura 3.14 – Gráfico Tensão x Deformação dos cinco ciclos do CP COG 3.
Figura 3.15 – Gráfico Tensão x Deformação completo do CP COG 3.
37
Figura 3.16 – Gráfico Tensão x Deformação dos cinco ciclos do CP COG 4.
Figura 3.17 – Gráfico Tensão x Deformação completo do CP COG 4.
38
Figura
3.18
–
Seção
transversal do CP T2 mostrando
a região de ruptura (50 X) e dois
aumentos onde se concentram as
fibras longitudinais, (100 X e
200 X).
39
Figura
3.19
–
Seção transversal do
CP T2 mostrando a
região
afastada
da
ruptura (50 X) e dois
aumentos nas seções
onde se
concentram
as fibras longitudinais,
(100 X e 200 X).
40
3.5 – Análise dos ensaios de flexão
Foram realizados nove ensaios de flexão por quatro pontos com o protótipo
idealizado e caracterizado no ANEXO A. Para se chegar a este protótipo partiu-se das
seguintes considerações: a estrutura deveria ser a mais leve possível, deveria ser estável
e precisaria suportar a carga calculada para o ensaio.
Projetou-se então o protótipo
mostrado na figura 3.20, com montagem apresentada na figura 3.21.
Os corpos de
prova utilizados tem o mesmo formato e dimensões dos corpos de prova de tração,
apenas não necessitam de proteção nas extremidades.
Nos nove ensaios as medições de carga e descarga foram realizadas com
carregamentos iguais colocados nos dois suportes de carga do protótipo.
Esses carregamentos foram efetuados com massas calibradas em balança digital
marca Bell Mark, com capacidade de 4000 gf e sensibilidade de 0,01 gf/div.
Foi calculada uma carga básica para uma flecha de no máximo 2 mm através da
seguinte fórmula:
P=
48 f max E ct I
(3.2)
L3
bh 3
I=
12
(3.3)
onde:
P = carga total a ser colocada no ensaio.
fmax = flecha máxima que se deseja no ensaio.
Ect = módulo de elasticidade médio do material = 17,5 GPa (informado pelo
fabricante).
I = momento de inércia do corpo de prova.
L = distância entre os apoios = 200 mm.
b = largura do corpo de prova em mm.
h = espessura do corpo de prova em mm.
Os dados obtidos nestes ensaios estão descritos na tabela 3.5, e os resultados são
apresentados na tabela 3.6 e figura 3.22, cujos cálculos seguem as prescrições da
norma ASTM D 790 (1970).
Para a tensão de flexão temos a seguinte fórmula:
41
σ =
3 PL
2bh 2
(3.4)
onde:
σ = tensão aplicada a cada leitura.
P = carga aplicada a cada ponto.
L = vão entre apoios (200 mm).
b = largura do corpo de prova.
h = espessura do corpo de prova
Para o módulo de elasticidade temos:
E=
0, 25PL3
f b h2
(3.5)
onde:
E = módulo de elasticidade à flexão.
P = carga aplicada a cada ponto.
L = vão entre apoios (200 mm).
f = flecha a cada leitura.
b = largura do corpo de prova.
h = espessura do corpo de prova
Figura 3.20 – Dispositivo para aplicação de carga no ensaio de flexão por quatro
pontos.
42
Figura 3.21 – Montagem utilizada no ensaio de flexão com indicação de
carregamento.
TABELA 3.5 – DADOS DO ENSAIO DE FLEXÃO
CORPO DE PROVA 1M16
Cargas iguais de cada lado do suporte
DESCARGA
CARGA
CARREGAMENensaio ensaio
TO
1
2
(gf)
0
0
0
855
0,153 0,176
2855 0,544 0,552
4855 0,912 0,922
7215 1,402 1,379
_
7215
1,339
_
4855
0,938
_
2855
0,566
_
855
0,184
_
0
0
FLECHA (mm)
ensaio ensaio ensaio ensaio ensaio ensaio ensaio
3
4
5
6
7
8
9
0
0,165
0,558
0,926
1,365
1,345
0,96
0,583
0,18
0
0
0,16
0,549
0,918
1,359
1,351
0,949
0,586
0,176
0
43
0
0,161
0,562
0,918
1,363
1,367
0,979
0,595
0,192
0
0
0,165
0,539
0,92
1,354
1,342
0,949
0,584
0,183
0
0
0,165
0,559
0,897
1,345
1,334
0,94
0,583
0,176
0
0
0,164
0,545
0,879
1,328
1,329
0,939
0,572
0,18
0
0
0,159
0,551
0,907
1,334
1,335
0,941
0,57
0,174
0
TABELA 3.6 – RESULTADOS DO ENSAIO DE FLEXÃO
CORPO DE PROVA 1M16
Cargas iguais de cada lado do suporte
σ
Q
(gf)
(MPa)
855
2855
4855
7215
7215
4855
2855
855
3,0
10,1
17,2
25,6
25,6
17,2
10,1
3,0
MÓDULO DE ELASTICIDADE (MPa)
Ensaio
1
10680
20322
18896
16264
Ensaio
2
15353
16346
16642
16535
17029
16358
15942
14685
Ensaio
3
16377
16170
16570
16705
16953
15983
15477
15012
Ensaio
4
16888
16435
16714
16779
16878
16168
15397
15353
Ensaio
5
16783
16055
16714
16729
16681
15673
15165
14074
Ensaio
6
4,23
4,23
4,22
4,25
4,23
16377
16740
16678
16841
_
16991
_
16168
_
15450
_
14766
16541 16111 16156 16327 15984 16319
E Médio
Desvio
4,29
Padrão (%)
Média Geral de E
16336
Ensaio
7
Ensaio
8
Ensaio
9
16377
16141
17106
16953
17093
16323
15477
15353
16366
16476
16556
17456
17170
17157
16340
15774
15012
16483
16995
16376
16917
17093
17080
16306
15830
15530
16601
4,23
4,25
4,29
Desvio Padrão Geral (%)
4,42
Figura 3.22 - Gráfico Te nsão x Flecha do ensaio de flexão com carga igual nos
dois lados do suporte.
44
3.6 – Análise dos ensaios de deformação lenta
Foram realizados dois ensaios com carga constante ao longo do tempo e à
temperatura ambiente (cerca de 28°C). Para se chegar a um modelo de corpo de prova
que pudesse ser ensaiado, foi utilizado primeiramente o CP de tração sem proteção e sua
largura foi reduzida para 7,5 mm através de usinagem no laboratório, com um formato
que não produzisse concentração de tensões, figura 3.23 (a). A análise das condições
necessárias para o ensaio mostrou que este formato não era possível, pois não
apresentava área suficiente para fixação.
Para viabilizar esta área pensou-se em
princípio no reforço por meio de resina, mas no primeiro teste a resina utilizada não
resistiu à tensão, tendo se rompido, figura 3.23 (b). Foi então confeccionado um novo
corpo de prova com o formato e dimensões apresentados nas figuras 3.23(c) e 3.24,
sendo colocado neste CP um reforço colado, utilizando a mesma cola empregada na
indústria entre peças estruturais pultrudadas.
Este reforço tem o objetivo de evitar a
propagação de fissura em torno do orifício de fixação, figura 3.23 (c).
O ensaio foi realizado com a seguinte configuração: um corpo de prova pendurado
em uma célula de carga presa a um pórtico rígido, atuando sobre este um carregamento
de gravidade, composto de uma placa de aço com 1,5 m de comprimento, 0,75 m de
largura e 0,05 m de espessura a qual produziu uma tensão de 127,5 MPa no corpo de
prova no primeiro ensaio e duas placas iguais, que produziram uma tensão de 255 MPa
no corpo de prova, no segundo ensaio. A montagem realizada se encontra representada
na figura 3.25.
Para registro dos dados de deformação lenta foram utilizados dois dispositivos: (a)
Clip-gage marca MTS com transdutor modelo n° 632.12C-20 com base de medida de
25 mm e (b) dois EERs colados nas laterais do corpo de prova, sendo que um deles teve
seu fio partido e ficou sem registro, figura 3.26.
Estes sensores foram ligados a um
sistema de aquisição de dados marca Lynx e um condicionador de sinal dinâmico
resistivo marca Kywoa.
Os resultados obtidos são apresentados nas figuras 3.27 e 3.28.
45
Figura 3.23 – Corpos de prova dos ensaios. (a) primeiro CP idealizado. (b) CP
anterior com seção aumentada por resina. (c) .CP utilizado no ensaio de deformação
lenta.
46
Figura 3.24 – Esquema para confecção do CP utilizado no ensaio de deformação
lenta.
47
Figura 3.25 – Montagem realizada para o ensaio de deformação lenta.
48
Figura 3.26 – Instrumentos de registro da deformação por deformação lenta.
49
Figura 3.27 – Gráfico deformação lenta versus tempo correspondente à tensão de
127,5 MPa.
Figura 3.28 – Gráfico deformação lenta versus tempo correspondente à tensão de
255 MPa.
50
Capítulo 4
DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
EXPERIMENTAIS
No presente capítulo são apresentadas as discussões dos resultados apresentados
no capítulo 3.
4.1 – Peso específico
Conforme o método das misturas e usando a equação 2.3 temos:
γc =
mc m f + mm γ f v f + γ m v m
=
=
vc
vc
vc
Usando os dados de volume de fibra fornecidos pelo fabricante (COGUMELO) e
os dados de densidade retirados do EUROCOMP (1997), sem levar em consideração o
volume de vazios obtido pelo processo de análise de imagem temos:
γc =
2,54 × 0,55 + 1,1× 0, 45 1,89
=
= 1,89 g/cm³
1
1
Usando os mesmos dados apenas levando em consideração o volume de vazios
obtido pelo processo de análise de imagem que foi de 2, 54 %, temos:
γc =
2,54 × 0,55 + 1,1 × 0,4236 1,86
=
= 1,86 g/cm³
1
1
De acordo com os pesos específicos avaliados, 60% estão acima e 40% estão
abaixo da faixa indicada pelo fabricante (1,4 a 1,8 g/cm³), sendo que a média se
apresentou no limite mínimo da faixa. O peso específico nos dá uma base da densidade
do compósito que varia com a fração volumétrica de fibra existente e com a fração
volumétrica de vazios.
Comparando com o método das misturas (1,86 g/cm³) e
levando em consideração o volume de vazios (valor mais real), a diferença entre a
média dos experimentos (1,4 g/cm³) e o valor indicado pelo fabricante(1,6 g/cm³), é de
33%.
Comparação com a bibliografia não foi possível, pois propriedades para o
conjunto resina isoftálica/fibra de vidro não foram encontradas.
51
4.2 – Fração volumétrica de fibras
Comparando os dados obtidos pelos dois métodos (queima e análise de imagem)
para o vo lume de fibras, vemos que os resultados são bastante dispersos se comparados
com os 55 % indicados pelo fabricante: média de 61 % entre as quatro amostras
analisadas pelo processo de queima, que é bastante preciso, e 59% na amostra analisada
por tratamento de imagem, sendo este dado obtido através da equação 2.11:
Vf =
n3
465494
× 100 =
× 100 = 59,19
N
786432
Este processo apresenta uma avaliação mais completa, possibilitando também a
quantificação dos volumes de matriz e vazios.
O resultado obtido para fração
volumétrica de fibras através de análise de imagem comparado com a média obtida pelo
ensaio de queima, valida o procedimento apresentado no Anexo B.
Em relação à
fração volumétrica de fibras informada pelo fabricante, podemos afirmar que a média
obtida pela queima apresentou uma diferença de 10,9%.
Se considerarmos apenas a
amostra T2, que foi objeto da análise de imagem, podemos observar que a diferença
com o ensaio de queima foi de 4,5% e por tratamento de imagem de 7,2%, em relação
ao informado pelo fabricante. Como foi comprovado pela análise de imagem, a fração
volumétrica de vazios (2,64 %), não se encontra numa faixa aceitável segundo DANIEL
(1994), que é de no máximo 1%, então, não podemos obter um valor calculado para
fração volumétrica de fibra em função das densidades dos componentes do compósito
(equação 2.7).
Em relação aos valores obtidos em cada amostra, o desvio padrão obtido foi de
9,85%.
Se levarmos em conta que todas as amostras foram retiradas de um mesmo
perfil, podemos dizer que esta diferença é muito alta.
Conforme mostrado nas metalografias das figuras 3.18 e 3.19 podemos observar
que a distribuição das fibras se encontra completamente irregular, estas irregularidades
associadas ao volume de vazios na amostra, interferem em várias propriedades como
por exemplo, deformação lenta, densidade e flexão.
Quanto à avaliação pelo processo de análise de imagem para a amostra T2,
observou-se uma fração volumétrica de vazios de 2,64% e de matriz 38,17%.
valores foram obtidos pelas fórmulas 2.12 e 2.13:
52
Estes
Vm =
n2
300195
× 100 =
× 100 = 38,17
N
786432
Vv =
n1
20743
×100 =
×100 = 2,64
N
786432
De acordo com o valor considerado ideal por DANIEL (1994), máximo de 1%, a
fração volumétrica de vazios está acima.
Em conseqüência, a fração volumétrica de
matriz se encontra abaixo do mínimo que deveria ser 39,1% para uma fração
volumétrica de vazios máxima de 1%. Estas porcentagens influem não só na densidade
do material como também nas propriedades que dependem da fração volumétrica de
matriz, o qual é responsável pela transmissão das tensões ext ernas para as fibras.
4.3 – Comportamento na tração
Se o compósito em estudo apresentasse apenas reforço unidirecional, o cálculo do
módulo de elasticidade seguiria a regra das misturas (fórmula 2.15), a tensão máxima
de tração seria obtida através da fórmula 2.17 e a deformação última pela fórmula 2.18,
todas oriundas da regra das misturas.
Como o nosso compósito apresenta reforço
contínuo associado à manta, com proporções não indicadas pelo fabricante, só podemos
comparar os resultados experimentais com o valor indicado pelo fabricante informado
na tabela 3.1.
Comparando o módulo de elasticidade médio dos quatro ensaios de tração
simples, cujo valor é 18,06 GPa, com a faixa de variação informada pelo fabricante, de
17,5 a 21 GPa para frações volumétricas de fibra de 45 a 55% e, ainda, um valor de
referência obtido no EUROCOMP (1997) para pultrudados com 36% de fibras, manta
mais reforço contínuo e resina poliéster (17,2 GPa), podemos constatar que os valores
experimentais se encontram dentro da faixa esperada. Com relação ao ensaio com os 6
ciclos de carga-descarga, as médias foram: 1° ciclo 18,64 GPa com tensão máxima
média de 22 MPa; 2° ciclo 19,86 GPa com tensão máxima média de 44 MPa; 3° ciclo
19,65 GPa com tensão máxima média de 65,6 MPa; 4° ciclo 17,68 GPa com tensão
máxima média de 87,3 MPa e 5° ciclo 18,06 GPa com tensão máxima média de 109
MPa, podemos observar que os módulos de elasticidade também se encontram dentro da
faixa indicada pelo fabricante. Se compararmos os valores médios dos ciclos entre si,
encontramos um desvio padrão de 5,11% e, se a comparação for em relação ao valor
53
médio encontrado para os ensaios de tração simples, obtemos um desvio padrão de
5,45%, o que nos indica que ensaios realizados a vários níveis de tensão produze m
resultados de módulo de elasticidade confiáveis.
O valor médio da tensão máxima de tração nas quatro primeiras amostras foi de
178 MPa e do ensaio cíclico foi de 169 MPa. Esses valores, ficaram cerca de 15 a 35%
inferiores se comparados com a faixa ind icada pelo fabricante que é de 210 a 260 MPa.
Individualmente apenas duas das amostras estudadas apresentaram-se dentro da faixa
indicada pelo fabricante.
O valor médio da tensão máxima de tração entre os ensaios
de tração simples e os ensaios cíclicos foi de 173,5 MPa o que resultou em um desvio
padrão de 27,21% em relação aos valores de tensão máxima obtidos em cada ensaio
realizado.
Os valores médios para o alongamento máximo na ruptura foram de: 4,0% para os
ensaios de tração simples, 5,8% para os ensaios cíclicos e 4,9% para média geral de
todos os ensaios.
Este alongamento se encontra bem acima do informado pelo
fabricante que é de 2%.
Se utilizarmos a regra das misturas como indicado no item
2.8.1 (fórmula 2.18), e as frações volumétricas obtidas no ensaio de queima para as
amostras 1A, T2, COG2 E COG4 (tabela 3.3), podemos estabelecer valores calculados
para essas amostras que podem ser comparados com os valores encontrados nos ensaios
de tração.
Esses resultados se encontram relacionados na tabela 4.1.
Analisando a
tabela 4.1, podemos observar que os valores obtidos para o alongamento máximo na
ruptura através dos ensaios de tração se comparados com os valores calculados, se
encontram bastante dispersos.
Podemos notar também que os valores obtidos nos
ensaios de tração se encontram bem superiores ao indicado pelo fabricante que é de 2%.
TABELA 4.1 – VALORES PARA ALONGAMENTO MÁXIMO NA
RUPTURA
ALONGAMENTO
ALONGAMENTO
CALCULADO (%)
ENCONTRADO (%)
1A
3,67
1,3
T2
3,52
3,65
COG2
3,45
4,8
COG4
3,41
8,79
MÉDIA
3,51
4,64
AMOSTRA
54
Se compararmos os valores obtidos para os módulos de elasticidade e para as
tensões máximas de tração das amostras 1A, T2, Cog2 e Cog 4 com a fração
volumétrica obtida pelo ensaio de queima, para as mesmas amostras, podemos observar
que a variação do módulo de elasticidade é compatível, de acordo com o EUROCOMP
(1997), com a variação da fração volumétrica de fibras conforme podemos observar na
tabela 4.2 e nas Figuras 4.1 e 4.2.
TABELA 4.2 – VALORES PARA MÓDULO DE ELASTICIDADE E TENSÃO
MÁXIMA NA TRAÇÃO
FRAÇÃO
MÓDULO DE
TENSÃO
VOLUMÉTRICA DE
ELASTICIDADE
MÁXIMA DE
FIBRAS (%)
(GPa)
TRAÇÃO (MPa)
1A
65,7
20,482
222,7
T2
62,7
21,429
228,42
COG2
59,2
19,135
183,91
COG4
57,9
13,378
119,87
AMOSTRA
Figura 4.1 – Relação entre fração volumétrica de fibras e módulo de elasticidade
na tração.
55
Figura 4.2 – Relação entre fração volumétrica de fibras e tensão máxima de
tração.
A ruptura desses corpos de prova depende das propriedades dos componentes.
Os corpos de prova ensaiados apresentaram ruptura por delaminação entre as fases do
compósito, o que caracteriza, segundo DANIEL (1994), uma interface relativamente
fraca e uma tensão última de fibra relativamente alta.
As figuras de 4.3 a 4.9
representam as fraturas nos corpos de prova ensaiados à tração.
Os corpos de prova COG2 e COG3, apresentam um comportamento diferenciado
dos demais. Se observarmos as figuras 3.13 e 3.14, podemos notar um patamar atípico
para essa classe de material, comportamento este que deverá ser melhor estudado em
trabalhos futuros.
56
Figura 4.3 – Aspecto da fratura do corpo de prova 1A.
Figura 4.4 – Aspecto da fratura do corpo de prova T1.
57
Figura 4.5 – Aspecto da fratura do corpo de prova T2.
Figura 4.6 – Aspecto da fratura do corpo de prova T3.
58
Figura 4.7 – Aspecto da fratura do corpo de prova Cog 2.
Figura 4.8 – Aspecto da fratura do corpo de prova Cog 3.
59
Figura 4.9 – Aspecto da fratura do corpo de prova Cog 4.
Em todos os corpos de prova foram realizadas metalografia em região próxima da
região de ruptura e em região mais afastada da ruptura, constatando-se em todas elas as
mesmas características.
Conforme já foi comentado anteriormente, amostra
representativa do corpo de prova T2 se encontra registrada nas figuras 3.17 e 3.18, onde
se observa várias irregularidades.
Conforme já discutido no item 4.2, estes tipos de
irregularidades interferem diretamente nas propriedades mecânicas do material e,
conseqüentemente, no desempenho do compósito.
4.4 – Comportamento na flexão
Nosso objetivo neste item, utilizando método de ensaio e protótipo projetado
conforme o ANEXO A, é produzir avaliação do módulo de elasticidade à flexão, nas
60
dependências da indústria, sem necessidade de equipamento para tração direta (prensa
de ensaio).
Conforme descrito no item 2.8.2, para obtenção apenas do módulo de elasticidade
não é necessário preocupação com a relação comprimento/espessura.
O cálculo da carga total a ser aplicada é realizado para uma flecha máxima de 2
mm, utilizando as fórmulas 3.2 e 3.3.
P=
48 f max E ct I
I=
bh 3
12
I=
15 × 7,53
= 527,34375 mm4
12
P=
L3
48 × 2 × 17500 × 527,34375
= 110,7 N ≅ 11 kgf
2003
Os resultados encontrados nas nove amostras testadas apresentaram valores muito
próximos para o módulo de ela sticidade à flexão, variando entre 15,9 e 16,6 GPa, e o
valor médio igual a 16,3 GPa.
Comparando os valores encontrados no ensaio com o material de mesmas
características, mas com 36% de volume de fibras apresentado pelo EUROCOMP
(1997), cujo valor é 13,8 GPa, podemos verificar que é bastante razoável.
A faixa
indicada pelo fabricante que é de 11,2 a 14 GPa, também se encontra próxima dos
valores medidos.
4.5 – Comportamento na deformação lenta à temperatura ambiente
Conforme descrito no item 2.8.3, os resultados obtidos do ensaio de deformação
lenta freqüentemente são usados para indicar apenas tendências.
A análise dos dados obtidos nos dois ensaios mostrou que não houve deformação
lenta do material, após cerca de duas horas de ensaio.
Conforme indicado pelo
EUROCOMP (1997), propriedades de compósitos dominadas pelas fibras exibem
freqüentemente pequena ou nenhuma deformação lenta.
confirmam esta previsão.
61
Resultados experimentais
Ainda segundo o EUROCOMP (1997), para que a deformação lenta seja mínima
ou nula, o projeto do compósito deve ser baseado em: alta porcentagem de fibras (>
50%); fibras contínuas na mesma direção do carregamento; matriz de alto desempenho;
matriz resistente a altas temperaturas e fibras de alta resistência, condições essas que
correspondem ao material avaliado experimentalmente.
62
Capítulo 5
CONCLUSÕES
5.1 – Conclusão
Com o aumento expressivo da utilização de compósitos pultrudados reforçados
com fibra de vidro no Brasil, principalmente na indústria do petróleo, se torna cada vez
mais imperativo que os produtos utilizados no país sejam completamente conhecidos e
caracterizados, de modo a aprimorar o controle de qualidade.
Foi pensando nessas
necessidades que essa pesquisa foi desenvolvida, focando seus objetivos no
desenvolvimento de procedimentos simplificados para aprimorar o controle de
qualidade na indústria.
Esses objetivos foram plenamente alcançados com a elaboração de duas
metodologias de ensaio :
1 - ensaio de flexão utilizando estrutura de pequeno porte apresentada no ANEXO
A;
2 - avaliação da fração volumétrica de fibra, matriz e vazios através de análise de
imagem apresentada no ANEXO B.
Na comprovação de algumas propriedades indicadas pelo fabricante, observamos
que as variações dos resultados entre esses valores e as amostras estudadas foram
bastante significativas.
Esta constatação aponta para a necessidade de se qualificar
melhor o produto oferecido ao consumidor.
O valor encontrado para fração volumétrica obtida pela técnica de análise de
imagem, foi comparado com o resultado encontrado no ensaio de queima, que é
bastante preciso.
Esta comparação mostrou que esta técnica possibilita não só a
avaliação da fração volumétrica de fibras com grande precisão, como também a
avaliação das frações volumétricas de matriz e vazios de maneira bastante simples e
rápida.
A caracterização metalográfica da seção transversal do perfil estudado mostrou
que, nas duas extremidades, temos um véu de superfície irregular e muitos espaços
livres.
As fibras contínuas apresentam dimensões distintas e distribuição irregular, a
63
manta não se encontra simétrica na figura 3.17, em comparação com a figura 3.18,
apesar de ambas serem paralelas. Nessas amostras, podemos observar muitos vazios,
acima do nível aceitável de 1%.
Estes tipos de irregularidades interferem diretamente
nas propriedades mecânicas e físicas do material e, conseqüentemente, no desempenho
do compósito. Por exemplo, na avaliação do peso específico encontramos 4 amostras
com resultados abaixo do valor mínimo indicado pelo fabricante.
De acordo com os valores encontrados para os módulos de elasticidade médios
nos vários ciclos introduzidos no ensaio de tração, concluiu-se que podemos avaliar
com precisão o módulo de elasticidade à tração utilizando diferentes níveis de tensão.
Concluiu-se também que nas amostras em que se realizou ensaio de queima para
obtenção da fração volumétrica de fibras, o módulo de elasticidade médio e a tensão
máxima de tração, apresentam comportamento esperado, ou seja, aumenta
proporcionalmente com o aumento da fração volumétrica de fibras conforme registrado
nas figuras 4.1 e 4.2.
O desvio padrão alto para as frações volumétricas de fibras, a grande incidência de
defeitos e a redução da tensão máxima de resistência, influencia diretamente o módulo
de elasticidade à tração.
Os patamares encontrados em dois ensaios de tração, figuras 3.13 e 3.14,
denotam um comportamento atípico que deve ser investigado para podermos saber a
influência deste comportamento nas propriedades.
Todas estas observações apontam como causa o controle do processo de
fabricação, produzindo um aumento do volume de fibra e desalinhamento da manta,
conseqüentemente conduzindo a uma redução de matriz, que se agrava com a
quantidade de vazios existentes, provocando interferência no mecanismo de
transferência de cargas pela matriz.
O ensaio de deformação lenta a temperatura ambiente apresentou deformação
praticamente nula, como se esperava. Fica portanto comprovada a hipótese segundo a
qual compósitos fabricados: (i) com alta porcentagem de fibras (> 50%); (ii) fibras
contínuas na mesma direção do carregamento; (iii) matriz de alto desempenho; (iv)
matriz resistente a altas temperaturas; e (v) fibras de alta resistência a deformação lenta,
apresentam deformação lenta desprezível.
O módulo de elasticidade à flexão, avaliado utilizando o protótipo projetado
segundo as características da figura 5.1 em corpo de prova com dimensões e
características de aplicação de carga indicadas na figura 5.2, apresentou valores
64
razoáveis e bastante constantes apesar de todos os defeitos encontrados e das grandes
diferenças na tensão limite de resistência.
Esses resultados mostram que é possível
avaliar o módulo de elasticidade por flexão de compósitos reforçados com fibra de
vidro, utilizando ensaios simples, com bastante precisão.
Conforme apresentado no capítulo 3 e discutido no capítulo 4, podemos
considerar que o protótipo e o método de ensaio de flexão por quatro pontos e o método
de avaliação da fração volumétrica de fibra, matriz e vazios através de análise de
imagem, são bastante simples e satisfatórios, podendo ser adotados como ferramenta de
avaliação de grande poder e simplicidade, para utilização na indústria.
Essa
providência reforçaria o controle de qualidade do produto acabado, permitindo gerar
informações de grande valia para projetistas de estruturas e oferecer, aos clientes finais,
uma situação confortável devido ao aumento da confiança no produto adquirido para
fins estruturais.
65
Figura 5.1 – Projeto para construção do protótipo a ser utilizado no ensaio de
flexão por quatro pontos.
66
Figura 5.2 - Dimensões do corpo de prova e características de aplicação de carga
do ensaio de flexão.
5.2 – Proposta para trabalhos futuros
Como proposta para trabalhos futuros, tendo como ótica as necessidades relatadas
no início do item 5.1 e a utilização crescente desses materiais na indústria do petróleo
(sujeitos a condições adversas como altas temperaturas, umidade excessiva, agressões
químicas, etc.), podemos sugerir, em relação à caracterização e controle de qualidade
dos perfis disponíveis no mercado, que sejam programados os seguintes estudos:
1 – Caracterização individual de todos os perfis oferecidos pelo fabricante quanto
às propriedades mecânicas e físicas para possibilitar segurança em sua utilização como
material estrutural;
2 – Estudo do efeito da temperatura na flexão, com criação de sistema de
aquecimento e estrutura de carregamento resistente à temperatura que gere uma
metodologia para ser usada na indústria, semelhante ao que foi elaborado no ANEXO
A;
67
3 – Estudo para avaliação da deformação lenta a altas temperaturas com descrição
detalhada do procedimento utilizado e do material ensaiado para que junto com a
avaliação da influência da alta temperatura na flexão seja possível qualificar o
comportamento do compósito a altas temperaturas.
4 – Produzir metodologia através de análise de imagem, para medição do diâmetro
das fibras e controle da disposição das diversas camadas de reforço, que auxiliem no
controle de qualidade do processo de fabricação. Esta metodologia pode servir de base
não só para o controle de qualidade do processo em si (por exemplo, ajuste no
posicionamento das guias de reforço, controle do nivelamento na pré-forma e na forma
para evitar desvios das camadas de reforço no interior do compósito e controle no banho
de resina para evitar uma porcentagem grande de vazios) como também para controle de
qualidade do material de reforço adquirido no mercado.
68
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ADAMS, D. F.; DONER, D. R., “Tansverse Normal Loading of a unidirectional
Composite”, J. Composite Materials, Vol. 1, pp. 152-164 (1967).
ASHBY, M. F., “Technology of the 1990s: Advanced Materials and Predictive
Design”, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, A322, 393407 (1987).
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American Society for Testing and Materials, Philagelphia, PA, (1975).
ASTM D 790-70, “Standards Methods of Test for Flexural Properties of Plastics”,
American Society for Testing and Materials, Philagelphia, PA, (1970).
ASTM D 2584-68, “Standards and Literature References for Composite Materials”,
2nd Ed., American Society for Testing and Materials, Philagelphia, PA, (1990).
ASTM D 2734-70, “Standard Test Methods for Void Content of Reinforced Plastics”,
American Society for Testing and Materials, Philagelphia, PA, (1970).
ASTM D 3039 / D 3039 M-95, “Test Methods for Tensile Properties of Polymer
Matrix Composite Materials”, American Society for Testing and Materials,
Philagelphia, PA, (1995).
BAUER, L. A. F., “Materiais de Construção”, Livros Técnicos e Científicos Editora
S.A., Rio de Janeiro (1982).
CALLISTER JR., W.D., “Materials Science and Engineering and Introduction”, 3rd
edition, John Wiley & Sons (1994).
CHAWLA, K. K., “Composite Materials Science and Engineering”, Springer-Verlag
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Cogumelo Pultrudados, “Pultrudados Perfis Estruturais em Fibras de Vidro – Guia
de Engenharia”
DANIEL, I. M.; ISHA, O., “Engineering Mechanics of Composite Materials”, Oxford
University Press (1994)
DONALD, F. A., “Test Methods for Composite Materials”. Technomic Publishing
Company, Lancaster, Pennsylvania
69
EUROCOMP DESIGN CODE AND HANDBOOK, “Structural Design of Polymer
Composites”, Edited by John L. Clarke (1997).
GIBSON, R. F., “Principles of Composite Material Mechanics”, Ed. McGraw-Hill,
New York (1994)
HALPIN, J. C.; TSAI, S. W., “Effects of Environmental Factors on Composite
Materials”, Air Force Technical Report AFML-TR-67-423, Wright Aeronautical
Labs., Dayton, OH (1967).
LACOVARA, B., “What Every Engineer Should Know About Composites”, CFA
Technical Co.
LI, Q. F.; SMITH, R. and McCARTNEY, D. G., “Quantitative Evaluation of Fiber
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Analysis”, Materials Characterization 28, 189-203 (1992).
PROPERTIES OF A GRP PULTRUDED SECTION, Sims, G. D., Johnson, A. F.,
and Hill, R. D. “Composite Structures 8”.
REINHART, T. J. et al., “Engineered Materials Handbook – Volume 1 Composites,
ASM Intenational, Materials Park, OH (1987).
RUDNAYOVÁ, E.; GLOGAR, P. and KOHÚTEK, I., “Qualitative Microstructure
Study of the Unidirectional Carbon Fiber Reinforced Carbon Composites”, Prakt.
Metallogr. 37, 452-467 (2000).
VOIGT, W., “Lehrbuch der Kristallphysik”, Teubner, Leipzig (1910).
70
ANEXO A
METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DO
MÓDULO DE ELASTICIDADE DE MATERIAL
PULTRUDADO EM RESINA REFORÇADA COM
FIBRA DE VIDRO ATRAVÉS DE ENSAIO DE
FLEXÃO UTILIZANDO PROTÓTIPO DE
PEQUENO PORTE
CONTEÚDO
1 - Objetivo
2 - Aplicação
3 - Limitações
4 - Documentos Relacionados
5 – Formato e Dimensões dos Corpos de Prova
6 – Equipamentos Utilizados
7 – Cálculo da Carga Necessária ao Ensaio
8 – Execução do Ensaio
9 – Folha de Dados
10 – Cálculo da Tensão Aplicada
11 – Cálculo do Módulo de Elasticidade à Flexão
1 - OBJETIVO
Este procedimento destina-se a servir como guia na execução de ensaio de flexão
simples por quatro pontos através de protótipo de pequeno porte para avaliação do
módulo de elasticidade na flexão, nas dependências da indústria.
71
2 - APLICAÇÃO
Este procedimento é aplicável a materiais pultrudados de resina reforçados com
fibra de vidro.
3 – LIMITAÇÕES
Este procedimento está limitado a peças onde sejam possíveis a retirada de corpos
de prova planos e de dimensões padronizadas conforme item 5.
4 - DOCUMENTOS RELACIONADOS
4.1 – ASTM D 3039 / D 3039M – 95 – Test Method for Tensile Properties of
Polymer Matrix Composite Materials;
4.2 – ASTM D 790 – 70 – Methods of Test for Flexural Properties of Plastics.
5 – FORMATO E DIMENSÕES DOS CORPOS DE PROVA
As dimensões são descritas na tabela abaixo baseadas na norma ASTM D 3039, e
o formato é apresentado na Figura 1.
RECOMENDAÇÕES DAS DIMENSÕES DOS CORPOS DE PROVA
COMPRIMENTO
ORIENTAÇÃO DAS
LARGURA
FIBRAS
mm (polegadas)
0° unidirecional
15 (0,5)
250 (10,0)
90° unidirecional
25 (1,0)
175 (7,0)
Balanceada e simétrica
25 (1,0)
250 (10,0)
Randômica-descontínua
25 (1,0)
250 (10,0)
72
TOTAL
mm (polegadas)
Figura 1 – Formato e dimensões do corpo de prova de flexão.
6 – EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
Neste ensaio são necessários os seguintes equipamentos:
- Balança com sensibilidade de no mínimo 5g.
- Massas calibradas em quantidade suficiente para realização do ensaio.
- Protótipo de alumínio e complementos apresentados nas Figuras 2, 3 e 4.
- Relógio comparador com sensibilidade de 0,002 mm/div.
73
Figura 2 – Dimensões do protótipo de alumínio
74
Figura 3 – Foto do protótipo já construído
Figura 4 – Dimensões e esquema dos suportes.
75
7 – CÁLCULO APROXIMADO DA CARGA NECESSÁRIA AO ENSAIO
P=
48 f max E ct I
I=
bh 3
12
L3
onde:
P = carga total a ser colocada no ensaio, em kgf.
fmax = flecha máxima que se deseja no ensaio, em mm.
Ect = módulo de elasticidade médio do material = 17,5 GPa (informado pelo
fabricante).
I = momento de inércia do corpo de prova.
L = distância entre os apoios = 200 mm.
b = largura do corpo de prova em mm.
h = espessura do corpo de prova em mm.
OBS 1 – Deve-se usar o inteiro múltiplo de dois mais próximo.
OBS 2 – A carga encontrada deve ser colocada metade em cada haste do
protótipo.
OBS 3 – Devem ser usadas massas de 1 kg para aplicação da carga.
OBS 4 – As massas devem ser calibradas em balança com boa sensibilidade.
8 – EXECUÇÃO DO ENSAIO
- Colocar os suportes posicionados sobre os apoios e verificar a distância entre
eles que deve ser de 200 mm entre os centros dos roletes.
- Pesar o protótipo e anotar na folha de dados
- Colocar o corpo de prova junto com o protótipo centralizando o conjunto,
Figura 5.
- Colocar o relógio comparador no centro co corpo de prova, Figura 6.
- Levantar o protótipo e zerar o relógio.
- Recolocar o protótipo, fazer a primeira leitura e anotar na folha de dados.
76
- Colocar as massas uma de cada vez e fazer as leituras referentes a cada
carregamento, anotando na folha de dados, Figura 7.
OBS 1 – As massas devem ser colocadas uma a uma em lados alternados do
protótipo para que a cada leitura seja colocado carga igual nos dois ramos do protótipo.
OBS 2 – Para confirmação das leituras efetuadas podemos usar o processo inverso
(retirada de carga) e anotar as leituras na folha de dados.
Figura 5 – Colocação e posicionamento de todo o conjunto para realização do
ensaio.
77
Figura 6 – Centralização do relógio comparador para obtenção da flecha.
Figura 7 – Colocação das massas calibradas sobre o suporte e realização das
medições.
78
9 – FOLHA DE DADOS
FOLHA DE DADOS
ENSAIO
ENSAIO
ENSAIO
s
E
(kg)
1
2
3
(kgf/mm²)
(kgf/mm²)
DESCARGA
CARGA
CARREGAMENTO
VALOR MÉDIO
Seção Retangular: _____ x _____ mm
E=
0, 25PL3
fbh 2
σ =
3 PL
2bh 2
79
10 – CÁLCULO DA TENSÃO APLICADA
A tensão aplicada a cada leitura deve ser calculada através da seguinte fórmula:
σ =
3 PL
2bh 2
onde:
σ = tensão aplicada a cada leitura.
P = carga aplicada a cada ponto.
L = vão entre apoios (200 mm).
b = largura do corpo de prova.
h = espessura do corpo de prova
OBS – Tirar a média de todos os pontos.
11 – CÁLCULO DO MÓDULO DE ELASTICIDADE À FLEXÃO
O módulo de elasticidade à flexão a cada leitura deve ser calculada através da
seguinte fórmula:
E=
0, 25PL3
f b h2
onde:
E = módulo de elasticidade à flexão.
P = carga aplicada a cada ponto.
L = vão entre apoios (200 mm).
f = flecha a cada leitura em mm.
b = largura do corpo de prova.
h = espessura do corpo de prova
OBS – Tirar a média de todos os pontos.
80
ANEXO B
METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DA FRAÇÃO
VOLUMÉTRICA DE FIBRAS, MATRIZ E VAZIOS
DE COMPÓSITOS PULTRUDADOS DE RESINA
REFORÇADA COM FIBRA DE VIDRO ATRAVÉS
DE ANÁLISE DE IMAGEM
CONTEÚDO
1 - Objetivo
2 - Aplicação
3 - Documentos Relacionados
4 – Retirada e Embutimento da Amostra
5 – Preparação da Amostra
5.1 – Lixamento
5.2 – Polimento Fino
5.3 – Registro da Imagem
6 – Equipamentos Utilizados
7 – Execução do Procedimento
1 - OBJETIVO
Este procedimento destina-se a servir como guia na avaliação da porcentagem de
matriz e fibra em compósitos através de análise de imagens, nas dependências da
indústria.
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2 - APLICAÇÃO
Este procedimento é aplicável a materiais pultrudados de resina reforçados com
fibra de vidro.
3 - DOCUMENTOS RELACIONADOS
3.1 – SAMUELS, L. A. – Metallographic Polishing by Mechanical Methods, 3ª
ed., ASM; Metals Park; 1982.
3.2 - LI, Q. F.; SMITH, R.; McCARTNEY, D. G. – Quantitative Evaluation of Fiber
Distributions in a Continous ly Reinforced Aluminium Alloy Using Automatic Image Analysis.
Materials Characterizations, vol 28 nº 3, April 1992.
4 – RETIRADA E EMBUTIMENTO DA AMOSTRA
A amostra deve ser retirada em seção transversal às fibras centrais, responsáveis
pela resistência do perfil pultrudado.
O embutimento deve ser feito a frio, ou seja, utilizando-se resina do tipo Resipox
LF/531 Gr11 (resina R 331 e endurecedor RE 201), conforme Figura 1.
Figura 1 – Embutimento feito com resina.
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5 – PREPARAÇÃO DA AMOSTRA
A preparação de amostras envolve três operações básicas:
- Lixamento.
- Polimento fino.
- Registro da imagem.
5.1 - LIXAMENTO
Neste estágio a superfície da amostra é lixada em seis classes de abrasivos
diferentes:
Lixa 100, 220, 320, 400, 500 e 600. Em cada um desses estágios de lixamento, o
corpo de prova é movimentado sobre a superfície de tal maneira que os riscos sejam
formados apenas em uma direção. Na passagem de um abrasivo para o outro, o corpo
de prova é girado de um ângulo de 90°, de forma que os riscos se disponham agora
segundo esta direção. O lixamento é efetuado numa mesma lixa enquanto os riscos do
estágio anterior permanecerem.
5.2 – POLIMENTO FINO
Neste estágio são removidos os riscos e a fina camada deformada proveniente do
estágio de lixamento.
O composto de polimento usado é a Alumina, (óxido de
alumínio Al2 O3 – forma gama) diluído em água destilada, com tamanho de partícula de
1µ. Este composto é colocado sobre um disco coberto com pano felpudo e o corpo de
prova é pressionado contra o pano com uma pressão leve e realizando movimento
rotativo no sentido contrário ao do giro do prato.
5.3 – REGISTRO DA IMAGEM
A amostra deve ser colocada num microscópio com máquina fotográfica acoplada.
Utilizando a lente de aumento de 50x deve-se posicionar a imagem para registro na
região mais característica da amostra acertando o foco e então registrar a imagem.
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6 – EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
Nesta análise são necessários os seguintes equipamentos:
- Lixadeira.
- Politriz.
- Microscópio com máquina fotográfica acoplada.
- Computador com programa de tratamento de imagem que tenha opção de ajuste
de brilho e contraste e análise de histograma.
7 – EXECUÇÃO DO PROCEDIMENTO
- Abrir a imagem obtida e convertê- la para o modo escala de cinza.
- Ajustar brilho e contraste se necessário Figura 2.
- Regravar a imagem com outro nome (para que a imagem original seja
preservada).
- Acionar a análise por histograma Figura 3.
- Analisar o histograma marcando as regiões correspondentes aos três picos
distintos que correspondem as frações volumétricas de fibra, matriz e vazios, Figuras 4
a 6.
OBS – A marcação das regiões deve levar em conta picos e planos no gráfico do
histograma em relação aos tons de cinza da imagem.
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Figura 2 - Micrografia 50x (escala de cinza).
Figura 3 - Histograma da figura 2 (50x) mostrando o número de pixels totais da
imagem.
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Figura 4 - Histograma da figura 2 mostrando o número de pixels relativos à área de
maior pico, que corresponde às fibras cuja fração volumétrica é de 59,19%.
Figura 5 - Histograma da figura 2 mostrando o número de pixels relativos à área de
médio pico, que corresponde à matriz mais os vazios cuja fração volumétrica é de 38,17%.
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Figura 6 - Histograma da figura 2 mostrando o número de pixels relativos à área de
menor pico, que corresponde à matriz mais os vazios cuja fração volumétrica é de 2,64%.
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