Propriedades mecânicas dos metais celulares

Dada a sua constituição, com elevada quantidade de vazios e paredes metálicas em geral de pequenas espessuras, materiais celulares apresentam pobre comportamento mecânico em solicitações de tração; por outro lado, devido às estas mesmas características estruturais, apresentam particular comportamento em compressão. A presença de elevada fração de vazios em sua constituição, faz dos metais celulares excelentes absorvedores de energia na deformação por compressão, ao possibilitar elevada deformação plástica. A avaliação das propriedades de compressão de metais celulares pode ser feita por meio de ensaios semi- estáticos ou dinâmicos.

► Comportamento de metais celulares em compressão semi-estática

Os materiais celulares apresentam um importante comportamento mecânico sob tensão compressiva. As curvas características dos ensaios tensão versus deformação desses materiais indicam que eles suportam grandes deformações sem aumento dos valores de tensão aplicada, e mesmo à pressão praticamente constante. Essa característica torna o metal celular um excelente candidato em aplicações onde a capacidade de absorver grandes quantidades de energia mecânica com valores baixos de solicitação seja necessária (REGLERO et al., 2010).

A Figura 2.11 apresenta uma curva característica de tensão versus deformação de um metal celular. A curva é caracterizada por 3 regiões tipica: na primeira região a tensão cresce de forma linear em razão da deformação elástica da parede celular e a inclinação obtida na curva caracteriza o valor de o módulo de elasticidade do metal celular. A segunda região é a região de absorção de energia caracterizada pela elevada deformação plástica, com valor de tensão praticamente constante, que ocorre durante o colapso dos vazios; a terceira região é

caracterizada por um aumento rápido da tensão devido à solicitação mecânica diretamente sobre paredes metálicas agora densificada. O cálculo da área sob o platô de deformação plástica fornece a maior parte da energia absorvida na deformação.

Figura 2.11: Típica curva de tensão versus deformação para metais celulares em teste de compressão (adaptado de KAMMER, 1999).

A tensão de compressão (σc) é definida como o máximo valor de tensão na região

elástica; seu valor pode ser superior ou inferior ao valor da tensão do platô (σpl), que é a média

dos valores de tensões na região de deformação plástica. A região de deformação plástica pode apresentar oscilações de tensão que são relacionadas com colapsos locais da estrutura (ZHANG, 2009). Por essa razão a tensão de platô (σpl) é determinada pela média das

tangentes dos picos e depressões do platô (PAUL, 2000). A porcentagem de deformação (εD)

é definida como deformação de densificação e seu valor é tomado no final do platô de deformação plástica.

Vários são os fatores que podem interferir na resposta à solicitação mecânica de um metal celular; estes fatores são relacionados com as propriedades intrínsecas do metal e com as características do produto celular, como sua densidade e aspectos da sua arquitetura. Estes fatores determinam mecanismos de ruptura nas paredes celulares do material; por exemplo, materiais celulares com matriz de materiais frágeis geralmente apresentam um platô instável, com muitas oscilações, decorrentes da fratura frágil e catastrófica da estrutura celular (MU et al., 2010); o tamanho dos vazios pode determinar a espessuras de paredes celulares e, portanto, a capacidade de deformação do metal (TEKOGLU et al., 2011).

Aumento da tensão devido ao contato entre paredes metálicas Área de absorção de energia Patô de deformação plástica Aumento linear da

tensão causado pela deformação elástica devido ao contato entre paredes metálicas

Características como o valor do módulo de elasticidade dos metais celulares podem variar em função de sua arquitetura de poros. Nas esponjas metálicas a deformação tende a ocorrer pelo dobramento dos vértices das arestas das células presentes no material. Nas espumas as células fechadas conferem maior resistência à solicitação mecânica pelo empilhamento de suas paredes, elevando o valor do módulo. Algumas aplicações estruturais utilizam espumas em detrimento de esponjas por essa razão (MOTZ, PIPPAN, KRISZT, 2002). Apesar da importância da arquitetura celular nas propriedades mecânicas do produto poroso, a maioria das informações disponíveis na literatura específica relaciona estas propriedades com a densidade do material. Ashby et al., apresentou no ano 2000, modelamento para a avaliação do comportamento em compressão de materiais celulares em função da sua densidade realtiva, o qual, na ausência de outro, é ainda hoje utilizado.

Segundo o autor, a tensão de compressão pode ser estimada em função da densidade do material, conforme a equação (2.4), enquanto a tensão de platô é dada pela equação (2.5):

𝜎_𝑐 ≈ 𝑛₁𝜎_𝑐,𝑠 [0,5 𝜌_𝑟𝑒𝑙 2 3 _{+ 0,3 𝜌} 𝑟𝑒𝑙] = 𝑛1𝜎𝑐,𝑠 [0,5 ( 𝜌𝑟𝑒𝑎𝑙 𝜌𝑠 ) ⅔ + 0,3 ( 𝜌𝑟𝑒𝑎𝑙 𝜌𝑠 )] (2.4) Onde:

σc = Tensão de compressão do metal celular (MPa);

n1 = Fator de correção (pode variar entre 0,1 e 1);

σc,s = Resistência à compressão do metal maciço (MPa);

ρrel = Densidade relativa do metal celular;

ρreal = Densidade do metal celular (g/cm3); ρs = Densidade do metal maciço (g/cm3).

𝜎_𝑝𝑙≈ 𝜎_𝑒[0,3 (∅𝜌_𝑟𝑒𝑙32) + 0,4 (1 − ∅)𝜌_𝑟𝑒𝑙 = 𝜎_𝑒[0,3 (𝜙 𝜌𝑟𝑒𝑎𝑙

𝜌𝑠 ) ⅔ + 0,4(1 − ∅) ( 𝜌𝑟𝑒𝑎𝑙

𝜌𝑠 )] (2.5)

Onde:

σpl = Tensão no platô do metal celular (MPa);

σe = Limite de escoamento do metal maciço (MPa);

ϕ = Fração de sólido; ρrel = Densidade relativa;

ρreal = Densidade do metal celular (g/cm3); ρs = Densidade do metal maciço (g/cm3).

► Mecanismos de deformação de metais celulares

O estudo sobre o comportamento dos mecanismos de deformação tem encontrado um grande número de interessados na busca da previsão mais adequada do comportamento mecânico dos metais celulares. A teoria mais clássica, devida a Gibson e Ashby (1997), indica que o comportamento varia em diferentes etapas da compressão: a região elástica ocorre pela flexão da parede celular (e estiramento das faces entre as células no caso de células fechadas), a região de elevada deformação plástica a tensões praticamente constantes ocorre pelo colapso dos vazios e, portanto, promove o adensamento do material. Nesta etapa quase não há resistência do metal à deformação, pois as paredes estão relativamente livres para a deformação em direção ao espaço vazio dos poros. No final desta etapa, paredes metálicas são impostas uma às outras, e o material passa a oferecer maior resistência, requerendo maiores tensões para a deformação.

Nos metais de células abertas podem ocorrer mecanismos de deformação que estão ligados às propriedades da matriz metálica ou às características da parede celular. Em um material com alta ductilidade o colapso da parede celular ocorre por dobra (plastic hinges), e nos materiais frágeis ocorre por fratura frágil (brittle crushing). Com o colapso das células, as paredes interagem mecanicamente entre si imediatamente sofrendo uma deformação que leva à compressão da parede sólida com um aumento acentuado da tensão.

O fenômeno de deformação em materiais celulares de células fechadas sofre também a influência do fluído aprisionado no interior da célula, cuja pressão interior é aumentada com a compressão, podendo ocasionar mecanismos mais complexos de deformação. Do ponto de vista macroscópico, o mecanismo mais aceito nestes casos é o de formação de bandas de deformação: a deformação ocorre em bandas perpendiculares à direção de solicitação sofrida durante a fase plástica. O fenômeno foi observado em experimentos de caracterização de materiais celulares de poros fechados (MUKHERJEE et al., 2008). O autor ainda observa que neste tipo de material celular a ocorrência de deformação plástica é mais acentuada no caso da presença de células de maiores dimensões.

Segundo Gradinger e Rammerstorfer (1999), em metais celulares de células fechadas a ocorrência da deformação está associada às regiões de reduzida resistência mecânica na direção normal ao plano de carga. As células adjacentes a elas passam a ter que suportar maiores tensões e apresentam o colapso de sua estrutura, que passa a ocorrer de forma sequencial. O processo de deformação em bandas também se apresenta de forma sequencial,

em função do volume de material que sofre essa ocorrência indicando que uma vez que ocorra o colapso de uma região a deformação prioriza necessariamente essa camada antes do início de uma camada de outra região. Desse modo, materiais menos homogêneos tendem a apresentar menor resistência mecânica em relação a materiais equivalentes, de mesma densidade, mas com maior homogeneidade.

Bandas de deformação plástica também foram observadas em metais celulares de poros fechados, por Benouali, 2002, ao analisar espumas de diferentes densidades.

► Comportamento sob impacto de metais celulares

Para estudar o comportamento de materiais celulares quanto ao impacto são realizados testes com altas velocidades de deformação que contribuem para o aumento da tensão no sistema, já que as deformações não ocorrem imediatamente (PAUL, 2002).

Quando um material é submetido a impacto, deve ser observada sua capacidade de absorção de energia, além dos valores de tensões na qual sua energia cinética é absorvida. Para a determinação dessa energia absorvida por unidade de volume (Ev), é calculada a área

sob a curva de tensão por deformação (σ x ε) na região plástica. A equação (2.6) descreve a energia absorvida durante o impacto em um material (MOTZ, PIPPAN e KRISZT, 2002):

Ev= ∬ 𝜎 (𝜀) 𝑑𝜀

𝜀1

𝜀2 (2.6)

Dois distintos materiais absorvedores de impacto podem apresentar um mesmo valor de energia absorvida ou capacidade de absorção de impacto, mas distintos valores de picos de tensão no impacto. Para emprego do material como proteção de passageiros em um automóvel, por exemplo (para-choques ou estruturas laterais, frontais ou traseiras), não só a energia total absorvida no impacto, mas também este valor de tensão máxima deve ser considerado. O valor do pico de tensão mais elevado indica maior força de impacto e, portanto maior possibilidade de risco. Portanto não somente a capacidade de absorção de impacto é importante, como também a resposta tensão-deformação do material; além disso, a presença do patamar indica maior tempo em deformação, significando maior segurança ao passageiro (MOTZ, PIPPAN e KRISZT, 2002).

À semelhança do comportamento sob compressão semi-estática, o comportamento de metais celulares em impactos é dependente das propriedades intrínsecas do metal e da configuração de poros que apresenta. No entanto, também para este tipo de ensaio, a maioria dos estudos relaciona o comportamento do material celular com a sua densidade.

► Influência da velocidade de deformação no comportamento mecânico de metais celulares

A velocidade de deformação tem forte influência na absorção de energia de um metal celular; a principal influência ocorre nos valores de tensão de platô, que podem ser maiores nos ensaios dinâmicos devido à inércia das paredes metálicas. O efeito da velocidade de ensaio pode ter intensidades variáveis em função do tipo de vazios presentes no metal celular. Nos materiais de células fechadas a alta velocidade de deformação, ao promover aumento da pressão, pode propagar ondas de choque a partir do fluído do interior das células, elevando os valores de tensão. A influência da velocidade de deformação mais acentuada no caso de espumas metálicas com células fechadas foi observada também por Ashby et al. (2000), e atribuído ao efeito dos gases aprisionados nos poros.

No caso de materiais de células abertas essa influência é menos sensível, uma vez que os fluídos não têm sua pressão elevada, pois podem escoar mais livremente. No entanto, pode haver alguma influência da velocidade de deformação no comportamento mecânico desse tipo de material celular, refletindo principalmente a sensibilidade da liga metálica à taxa de deformação, e a inércia das paredes da estrutura (DANNEMANN, 2002; MOTZ, PIPPAN e KRISZT, 2002; ZHANG, 2017).

Alguns resultados de ensaios de compressão dinâmicos de espumas comerciais verificaram que a influência da densidade relativa é mais pertinente do que a influência de diferentes taxas de deformação empregadas, nos valores de tensão de compressão (σc).

3 Materiais e Métodos

Metais celulares com poros abertos, metais celulares com poros fechados e metais celulares com dupla configuração de poros, abertos e fechados, foram fabricados pela técnica da metalurgia do pó, empregando diferentes tipos de agentes formadores de vazios, aqui chamados espaçadores. No primeiro caso, para a obtenção de material poroso com poros abertos ou interconectados, foi empregada matriz metálica associada a espaçador orgânico pré-removível por volatilização; no segundo caso, para a obtenção de material celular com poros fechados, foi empregada matriz metálica associada a partículas cerâmicas ôcas não removíveis; e no terceiro tipo de material celular produzido, contendo simultaneamente poros abertos e fechados, à matriz metálica foi associada uma combinação dos dois tipos de agentes espaçadores, ou seja, partículas orgânicas pré-removíveis e partículas cerâmicas ôcas não removíveis.

O trabalho envolveu inicialmente a otimização dos parâmetros utilizados no processo proposto; a obtenção de produtos celulares com diferentes configurações de poros a partir de distintas combinações dos agentes espaçadores, empregando os parâmetros de processo otimizados; e a caracterizações metalúrgica, física e mecânica dos produtos fabricados.

Materiais - Caracterização dos materiais empregados

O trabalho foi iniciado com a seleção e caracterização dos componentes utilizados para a produção dos metais celulares. Foram selecionados os seguintes materiais:

► como matriz metálica - pó de Al de pureza comercial;

► como espaçadores removíveis, para a produção de poros abertos - partículas de açúcar (PA) com duas diferentes faixas de dimensões de partículas;

► como agente espaçador não removível, para a produção de poros fechados - micro esferas de vidro ôcas (MEOV);

► materiais auxiliares - estearato de zinco e ácido esteárico, empregados como lubrificantes e aditivos nas etapas de mistura e compactação de misturas.

A Figura 3.1 apresenta o fluxograma geral das etapas de caracterização dos materiais.

Figura 3.1: Fluxograma geral das etapas desenvolvidas na caracterização da matéria prima empregada no trabalho. Comportamento mecânico Microesferas de vidro Compos. química Caracterização química Caracterização física Densidade Morfologia Dimensões Estabilidade a alta T Simulação de compressão Comportamento térmico Pó de alumínio Morfologia Caracterização física

Caracterização química Comp.química

Dimensões Densidade

Caracterização metalúrgica

Transf. fase com T Micrografia Partículas de Açúcar cristal/Demerara Comportamento térmico Tvolatil / perda de massa Caracterização física Densidade Morfologia / Dimensões Dimensõe/dimensões Aditivos/lubrificantes Morfologia / Dimensões Caracterização física