Características da Fratura Mecânica

A necessidade de experimentar diferentes fontes naturais e sintéticas para o desenvolvimento de novos materiais é uma preocupação emergente da queda nas reservas de petróleo e seus derivados, da busca por substitutos mais leves e econômicos, assim como de ofertar ao mercado opções com características capazes de se adaptar as novas demandas da indústria. Torna-se assim importante compreender a mecânica das potenciais falhas de serviço, sobretudo a fratura ou dano, principais questionamentos para o caso dos compósitos e biocompósitos.

A fratura simples dar-se de uma separação de uma amostra de material (corpo de prova) em duas ou mais partes, em decorrência da imposição de uma tensão de natureza constante, em temperaturas mais baixas que a de fusão do conjunto de materiais e que se modifica lentamente na passagem de tempo (estática). Diversos ensaios mecânicos permitem ao investigador detectar parâmetros e limites para a avaliação das amostras, notadamente, dentro dos objetivos pré-determinados. Alguns destes ensaios requerem monitoramento contínuo como forma de identificar a formação e propagação do dano.

A formação e propagação do dano nos materiais compósitos dependem de diversos fatores:

a) das propriedades físicas, químicas e mecânicas das fases constituintes do sistema fibra/matriz;

b) das Características da interface fibra/matriz ou das camadas da impregnação do laminado, a influência das tensões ocorridas durante a cura e do sistema catalítico, dentre outros fatores decorrentes do processo de fabricação;

c) da orientação, distribuição e comprimento das fibras, se curtas ou contínuas, tal como a espessura e o número de camadas do laminado na configuração do compósito;

d) do tipo de carga aplicada, se estáticas de tração, flexão, compressão, ou se dinâmicas de impacto ou fadiga, sendo neste último caso, observando a velocidade, a frequência, amplitude da carga e razão de fadiga (R) do ensaio;

e) das condições ambientais ou de serviço, tais como o teor de umidade, que poderá alterar o módulo do material, da temperatura e de suas variações, assim como da corrosão e da incidência de raios UV que precocemente deterioram da resina;

f) da presença de descontinuidade geométrica no material como ranhuras, furos e entalhes.

De um modo geral o mecanismo do dano nos materiais compósitos, por exemplo, no caso de um carregamento simples de tração uniaxial, inicia-se por meio do surgimento de fissuras transversais (com relação à direção de aplicação da carga) na matriz, as quais podem se apresentar como um dano intenso ou de forma isolada e sempre dependendo do sistema fibra/matriz e sua configuração, ou seja, na forma de lâmina ou em compósitos laminados. Outras formas comuns de dano, também denominada de características da fratura, dos materiais compósitos são: fendas longitudinais, ruptura de fibras e delaminação, sendo esta última originada apenas nas configurações do tipo laminados. Detalhes de cada característica comum do dano são descritas na próxima seção para o caso específico dos compósitos a base resinas poliméricas.

2.7.1. Microfissuração na Matriz

Este é o primeiro tipo de dano que se manifesta em cargas muito baixas na maioria dos casos da aplicação de cargas estáticas, assim como também nos casos da aplicação de cargas dinâmicas, como em testes de fadiga e impacto. Em geral a sua distribuição tem “espaçamento” uniforme ao longo de todo o comprimento da amostra (corpo de prova) podendo chegar ao denominado estado de saturação da fissuração na matriz (fig. 2.19). Para o caso de carregamento por fadiga, a fissuração pode iniciar no primeiro ciclo. A

identificação desse tipo de dano pode ser feita com base nas análises macroscópica e microscópica, dependendo do tipo de sistema fibra/matriz utilizado.

Figura 2.19. Microfissuração na matriz (Tinô, 2010).

Na análise microscópica da microfissuração da matriz outras formas de dano podem ser observadas gerando três tipos de fraturas diferentes (figura 2.20):

a) coesiva na matriz - tipo de fissura que se propaga próximo à interface;

b) coesiva na fibra – tipo de fissura caracterizada por exibir rupturas de fibras ao longo do seu eixo e não na secção transversal e;

c) adesiva – esta fratura ocorre devido a uma desaderência na interface fibra/matriz.

Os defeitos de fabricação como a presença de bolhas ou de fibras danificadas antes da impregnação, nem sempre serão responsáveis pela origem das microfissuras na matriz. Já a desaderência fibra/matriz ocorrerá, praticamente, na presença de todos os tipos de cargas e de sistema interfaciais existentes. Convém notar que com o aumento da intensidade da carga aplicada a microfissuração inicial da matriz pode se transformar em fendas longitudinais e transversais.

2.7.2. Delaminação

Este é um tipo de dano característico dos laminados que ocorre devido à desaderência entre as camadas dos mesmos devido às tensões interlaminares que resultam num desequilíbrio das propriedades elásticas do material. A delaminação pode ser, em alguns casos, visualizada pelas análises macroscópicas, porém em geral sua melhor identificação dar-se-á por imagens de microscopia óptica (fig. 2.21), no entanto dificilmente pela microscopia eletrônica de varredura (MEV).

Figura 2.21. Delaminação entre as camadas de fibras em um compósito híbrido (Adaptado do Banco de dados da BPMCC – DEM/UFRN, 2008).

2.7.3. Ruptura de Fibras

As rupturas de fibras estão localizadas na região de fratura final, principalmente para o caso de aplicação de cargas estáticas, neste caso é sempre o último elemento constituinte a se romper um pouco antes da fratura final. No caso da aplicação de cargas dinâmicas, notadamente no caso da fadiga, a ruptura de fibras poderá surgir ainda nos primeiros ciclos de carga, dependendo da intensidade da amplitude de tensão. Nesse tipo de carregamento a ruptura precoce da fibra não implicará numa ruptura imediata do

rasgamento, (figura 2.22 a). Geralmente a ruptura total das fibras caracteriza a fratura final do compósito e sua presença é mais forte nessa região, (figura 2.22 b). A ruptura de fibras muitas vezes vem precedida de uma fratura adesiva.

Figura 2.22. a) Presença de rasgamento na fratura (Tinô, 2010); (b) Análise microscópica (MEV) de uma ruptura da fibra de Juta (Aquino, 2009).