Comprimento Útil (gage)

Figura 5.5. Corpo de Prova utilizado para o ensaio de tração (dimensões em mm).

Para a compilação de todos os dados dos ensaios de tração, utilizou-se um programa computacional criado para o ambiente MATLAB, obtendo-se dessa forma os valores dos limites de resistência das duas configurações estudadas, além dos gráficos tensão versus deformação.

5.5.E

C

U

O ensaio de compressão uniaxial foi realizado em uma máquina servo-hidráulica da Materials Test System (Figura 5.6), modelo MTS – 810, com capacidade máxima de 10 T (dez toneladas), na qual utilizou-se uma placa de aquisição de dados para a obtenção dos valores de deslocamento e carga aplicada no material. O objetivo desse ensaio foi semelhante ao de tração uniaxial, ou seja, o de se obter principalmente o limite de resistência do material. Todos os gráficos de tensão versus deformação do material foram obtidos. Para a realização

deste ensaio utilizou-se 08 (oito) corpos de prova de cada laminado e uma velocidade de deslocamento de 1,0 (um) mm/min. Estes foram realizados à temperatura ambiente (25 °C ou 298 K).

Figura 5.6. Equipamento utilizado para o ensaio de compressão uniaxial e fadiga.

Para a realização de um ensaio de compressão em um material compósito, cuidados especiais devem ser tomados, de forma a evitar que os corpos de prova não sofram flambagem, principalmente quando o mesmo possui pequena espessura. Para solucionar-se este problema pode-se recorrer a um tipo de garra especial que evite a flambagem ou então pode-se diminuir o comprimento útil do corpo de prova. Neste trabalho preferiu-se utilizar a segunda solução.

Segundo Adams (Adams et al., 1991 apud Mandell et al., 1997) pode-se garantir que um laminado compósito não rompa por ação de flambagem utilizando a Equação (5.7). Na qual, Ff é o fator de falha por flambagem, gage é o comprimento útil do laminado e espess é a

espessura do laminado. Garante-se por esta equação que, se o valor de Ff for inferior a 30 o

material não romperá por flambagem.

espess

gage

46

,

3

F

=

⋅

mm. Desse modo, escolheu-se o comprimento útil de 35 mm para os corpos de prova de compressão.

Para definir as demais dimensões do corpo de prova utilizou-se o trabalho de Mandell et al. (1997), que adotou corpos de prova com 25 mm de largura e 100 mm de comprimento, estas dimensões estão expostas na Figura 5.7.

espessura

Comprimento Útil (gage)

Figura 5.7. Corpo de prova utilizado para o ensaio de compressão (dimensões em mm). Para a compilação dos resultados dos ensaios de compressão, utilizou-se o mesmo programa computacional utilizado para os ensaios de tração fazendo-se somente algumas alterações na rotina do programa. Os mesmos parâmetros descritos na seção anterior foram determinados.

5.6.E

F

U

O equipamento utilizado para a realização dos ensaios de fadiga foi o mesmo utilizado para a realização dos ensaios de compressão, ou seja, uma MTS – 810 (Figura 5.6). O objetivo inicial deste ensaio centrou-se na obtenção da curva S-N dos dois laminados, para os seguintes valores de razão de fadiga: R= 0,7, 0,1, -1, -1,57, 10 e 1,43. Estes valores foram escolhidos no intuito de cobrir o maior intervalo de dados com relação ao comportamento à fadiga destes materiais. Além disso, o valor de R = -1,57 foi escolhido com o objetivo de verificar o comportamento destes compósitos na razão de fadiga crítica para N = 1. Este valor foi determinado utilizando a Equação (2.7) demonstrada no item 2.4.1.1.

De posse desses resultados obteve-se as curvas de prevenção de falha por fadiga dos laminados através do Diagrama de Goodman, na qual se verifica, inclusive, o comportamento da razão de fadiga crítica. Todos os ensaios foram realizados de modo que para um mesmo

corpo de prova não houve variação de nenhum parâmetro (amplitude de tensão (σa), tensão

máxima (σmax), razão de fadiga (R)) desde o início do ensaio até a ruptura do mesmo.

Também para todos os ensaios aplicou-se carregamento uniaxial de tração e ou de compressão.

Para os ensaios com R = -1, -1,57, 10 e 1,43, ou seja, envolvendo cargas compressivas, fez-se necessário o projeto e a confecção de um par de garras adaptáveis à máquina de ensaio mecânico. Um croqui da garra pode ser visto na Figura 5.8. Suas dimensões completas encontram-se no anexo A.

Figura 5.8. Garra utilizada nos ensaios de fadiga para R = -1, -1,57, 10 e 1,43.

A freqüência utilizada em todos os ensaios foi de 5,0 (cinco) Hz, pois nesta freqüência o aquecimento por histerese é desprezível. As dimensões dos corpos de prova foram definidas a partir da norma ASTM D 3479 (2002) e do trabalho de Mandell et al. (1997) na qual variou- se o comprimento útil do corpo de prova, dependendo do valor da razão de fadiga, conforme exposto na Figura 5.9.

Para o monitoramento da temperatura do corpo de prova durante o ensaio, que pode variar devido a histerese, utilizou-se um termopar da marca MINIPA THERMOMETER MT – 520, obtendo-se um aumento máximo de 2 °C durante os ensaios. Os ensaios foram realizados à temperatura ambiente (25 °C ou 298 K).

Conforme se pode ver na Figura 5.9, o comprimento útil dos corpos de prova utilizados para R = -1, -1,57, 10 e 1,43 é maior do que o comprimento útil dos corpos de prova para o ensaio estático de compressão uniaxial. Esta escolha foi devido à necessidade de análise da formação e propagação de dano nos corpos de prova durante os ensaios de fadiga. Ressalta-se que o valor do comprimento útil aqui utilizado, ainda é menor do que o valor máximo que poderia ser admitido para evitar a flambagem do laminado.

comprimento útil (gage)

200 120 200 40 25 espessura gage 25 espessura

(a)

(b)

Figura 5.9. Dimensões dos corpos de prova para o ensaio de fadiga, (a) R = 0,1 e 0,7 (b) R = 1,43, 10 -1,57 e -1.

Os ensaios foram feitos de modo que os valores do número de ciclos de falha ficassem entre 103 e 106, para tanto fez-se o primeiro ensaio com carregamento máximo entre 60 a 90 % do limite de resistência do material dependendo do tipo de razão de fadiga utilizada e a partir desse resultado escolheu-se os outros valores de carregamento. Os corpos de prova que não romperam até 106 ciclos foram retirados da máquina sem a análise da ruptura deste. Para cada valor de carga máxima escolhido, utilizou-se 03 (três) corpos de prova, totalizando 175 (cento e setenta e cinco) corpos de prova na conclusão dos ensaios. A partir dos resultados

obtidos construiu-se a curva S-N para os dois laminados e para cada razão de fadiga (R) analisada.

Para a compilação dos resultados obtidos para os ensaios de fadiga, utilizou-se uma rotina criada em ambiente MATLAB para a obtenção das constantes das equações analisadas. Estas constantes foram obtidas através da aplicação do método dos mínimos quadrados (ASTM E 739, 1998; Neto et al., 1995). A partir do conhecimento dos valores destas constantes obteve-se o Diagrama Modificado de Goodman na prevenção da falha por fadiga das duas configurações.

5.7.A

D

O

D

E

Durante os ensaios de fadiga analisaram-se, de modo qualitativo, os danos ocorridos nos corpos de prova. Este procedimento foi feito do seguinte modo; anotou-se o valor de número de ciclos onde não se percebia mais aumento de trincas transversais no laminado (estado de saturação) e o valor de número de ciclos onde se percebia o aparecimento da delaminação no laminado. Além desta forma de controle do dano, utilizou-se uma máquina fotográfica digital Kodak – Dc215 de resolução 1100 x 900 pontos para a análise da formação e propagação de dano na espessura do laminado, tirando-se fotos do laminado antes do ensaio e durante o mesmo, até o momento da ruptura do corpo de prova.

CAPÍTULO 6