Fatores que influenciam a vida de fadiga

matriz; iv) Formas de solicitação de carga; v) Frequência de solicitação e vi) condições ambientais.

i) Sistema fibra/matriz: um dos fatores mais importantes está relacionado com a escolha dos constituintes do compósito. Assim, a resistência à fadiga aumenta com o módulo de elasticidade das fibras que no caso de compósitos unidirecionais tem um papel relevante. As fibras de elevada rigidez como o carbono limitam a deformação no compósito e assim as deformações elásticas e viscoelásticas na matriz, tidas como iniciadoras de dano sob solicitações de cargas cíclicas. Por outro lado, as fibras de baixo módulo de elasticidade como as fibras de vidro permitem deformações suscetíveis de conduzir a dano na matriz. Entretanto, em relação à influência da matriz utilizada, pode-se dizer que esta não possui uma influência significativa na resistência à fadiga do laminado. Porém, a modificação da matriz com nanopartículas pode melhorar as propriedades mecânicas na interface fibra/matriz permitindo, neste caso, uma melhoria da resistência à fadiga do compósito. As resinas epoxídicas são apresentadas como tendo um bom desempenho em solicitações de fadiga. Este bom desempenho à fadiga é atribuído a fatores como a sua elevada tenacidade, boa resistência mecânica, baixa contração durante o processo de cura e boa adesão com as fibras, em particular com as fibras de vidro.

ii) Configuração do laminado: A configuração do laminado influencia a distribuição de tensões a que o mesmo fica submetido, de modo que, não só a resistência à fadiga será afetada, mas também as constantes elásticas do mesmo. É importante salientar que se a configuração do laminado for modificada, de modo que a sua resistência máxima, o módulo de elasticidade ou a deformação de rotura do laminado diminuam, isso não significa que a sua resistência à fadiga também vá diminuir. De acordo com Ferreira et al., (1999) a variação da resistência à fadiga com a modificação da configuração do laminado não está diretamente relacionada (pelo menos de modo evidente) com as mudanças dos valores das constantes elásticas. No projeto de componentes de materiais compósitos para resistirem a solicitações de carga cíclicas, a sequência de empilhamento das camadas do laminado deve ser escolhida de modo a minimizar as tensões interlaminares. As tensões normais interlaminares de tração são determinantes para a diminuição da resistência à fadiga dos compósitos laminados.

iii) Fração volúmica de fibra: De uma forma geral a resistência à fadiga do compósito laminado aumenta com a fração volúmica da fibra em consequência do aumento da sua resistência estática.

Uma fórmula generalizada da curva S-N é expressa pela equação 2.12, na qual a, b e p são os coeficientes de fadiga do material,

σ

u é o limite de resistência do material, σmáx é a

tensão máxima aplicada ao material durante o ensaio de fadiga e N0 é o número de ciclos

suportado pelo material até à sua rotura, Lavoir et al., (2000). Fatores como razão de tensões, frequência de solicitação da carga, configuração do laminado, tipo de constituintes do compósito e a sua fração volúmica, influenciam diretamente os valores dos coeficientes de fadiga, a, be p.

[

p

]

u máx _{a blog(N )} 0 . − = σ σ (2.12)

No entanto, Sutherland (1999) simplificou a equação (2.12), considerando que a=p=1, obtendo-se, deste modo, a equação (2.13).

)

log(

1

₀ .

N

b

u máx

₌

₋

σ

σ

(2.13)

Na equação 2.13, bé um fator de fadiga do compósito, ou seja, quanto maior for o valor de b menor será a sua resistência à fadiga.

iv) Formas de solicitação de carga: A forma da solicitação também intervém no comportamento à fadiga dos compósitos. Considerando uma determinada amplitude de tensão, a vida de fadiga, varia de acordo com a razão de tensões (R=

σ

min./

σ

máx). Para ensaios

de compósitos de elevado número de ciclos (maior que 1000) e amplitude de tensão constante em cada condição de ensaio, podemos distinguir quatro casos diferentes de acordo com os intervalos de valores da razão de tensões. Assim, para uma faixa de valores de, 1<R<∞, o

compósito está solicitado apenas por tensões de compressão e o aumento do seu valor diminui a resistência à fadiga do laminado. De referir que, R= representa uma solicitação de carga

Para a faixa de valores de, -∞<R<-1, o compósito está solicitado por tensões variáveis de

compressão-tração com compressão dominante. Neste caso o aumento do valor da razão de tensões nesta faixa diminui a resistência à fadiga do compósito. Para R= -1 (tensão alternada) verifica-se uma condição extrema onde se encontra o menor valor de resistência à fadiga do compósito laminado, (Jen et al., 1998).

Na faixa de valores compreendida entre, -1≤R<0, o compósito fica solicitado por

tensões variáveis de tração-compressão com tração dominante e quanto menor for o valor de Rmenor será a resistência à fadiga do laminado. É importante salientar que R=0 representa a carga pulsante de tração.

Finalmente entre 0≤R<1, o compósito está solicitado por tensões de tração e quanto

menor for o valor de R menor será à resistência à fadiga do laminado, (Ferreira et al., 1997). Considerando-se, por exemplo, R=10 (1º caso) e R=0,1 (4º caso) a amplitude de tensão tem o mesmo valor, para a mesma tensão máxima aplicada. Porém, as solicitações são de tração para R=0,1 e de compressão para R=10. Deste modo, poder-se-ia pensar que os resultados obtidos na curva S-N seriam iguais para estes dois modos de solicitação. No entanto, isto nem sempre acontece pois a iniciação e propagação de dano para solicitações de tração é diferente da verificada para solicitações de compressão. Assim, a resistência à fadiga em flexão é inferior à de tração-tração devido à fraca resistência que os compósitos apresentam perante solicitações de compressão.

De um modo geral, considerando um determinado período de vida, a amplitude de tensão admissível diminui com o aumento da tensão média aplicada. Por outro lado, para uma dada tensão média, a vida à fadiga diminui com o aumento da amplitude de tensão.

v) Frequência de solicitação: A influência da frequência de solicitação do compósito está relacionada com o seu aumento de temperatura. A temperatura do compósito aumenta normalmente com o aumento da frequência de solicitação e com o aumento da amplitude de tensão sendo este fenómeno conhecido como, “aquecimento por histerese”. A natureza viscoelástica dos polímeros origina uma diferença de fase entre as tensões e as deformações cíclicas na matriz, que resulta em acumulação de energia no material sobre a forma de calor. Devido às baixas condutividades térmicas do material o calor não é facilmente dissipado, o que gera gradientes de temperatura. No entanto, de um modo geral a resistência à fadiga é apenas ligeiramente afetada pelo aumento de frequência da solicitação, o que se explica pelo

bom comportamento térmico dos compósitos. É consensual, que para frequências de solicitação iguais ou inferiores a 5 Hz a influência deste parâmetro no aumento de temperatura é desprezável em laminados de matrizes poliméricas. Porém, a utilização de valores de frequência muito baixos, (inferiores a 1 Hz) para um número de ciclos elevado pode contribuir para a fluência do laminado.

vi) Efeitos ambientais: os compósitos de alto módulo de elasticidade, como o carbono/epóxido, são pouco sensíveis às condições ambientais (humidade e temperatura). Assim, experiências com exposições à humidade relativa de 98% e temperaturas de 175 ºC não mostraram grandes alterações no comportamento à fadiga de compósitos carbono/epóxido, (Tanimoto et al., 1976). Os compósitos com fibra de vidro são mais sensíveis à humidade devido às inferiores características de adesão fibra de vidro/matriz relativamente às fibras de carbono.

No documento Comportamento mecânico de compósitos de fibra de vidro/epoxy nano-reforçados (páginas 89-93)