Para cada classificação de impacto apresentada anteriormente, há diferentes ensaios mecânicos que caracterizam o comportamento dos materiais compósitos quando submetidos às variadas formas de impactos. A seguir, serão apresentados alguns desses métodos.
2.5.1. Impacto de Alta Velocidade (Balística)
Normalmente, testes de impacto de alta velocidade são realizados usando uma pistola de gás de estágio único, bem como armas de fogo comerciais.
Rayane Dantas da Cunha
Mostra-se na Figura 2.6 um exemplo de uma pistola de gás de estágio único usada nos testes por Sultan et al. (2012). O equipamento consiste da unidade de reservatório de pressão, a unidade de mecanismo de disparo, a unidade de lançamento, a unidade de câmara de captura e a unidade de medição de velocidade. A arma é projetada para ter a capacidade de lançar um projétil com velocidade inicial de menos de 700 m/s a uma pressão de 150 bar no reservatório.
Figura 2.6: Dispositivo de teste de impacto de alta velocidade (pistola de gás)
Fonte: Adaptada de Sultan et al. (2012)
Esse ensaio pode levar à perfuração do alvo pelo projétil resultando em danos em grande escala, mas não destrói o corpo de prova completamente. A proteção contra cargas de impacto balísticos é uma questão crítica no projeto de armadura de choque e absorvedores de impacto que estão em desenvolvimento na indústria aeroespacial, marítima, automotiva e estruturas civis (SULTAN et al.,
2012).
2.5.2. Impacto de Média Velocidade
O equipamento utilizado para este ensaio geralmente é o mesmo utilizado no ensaio para teste balístico, ou seja, com armas de gás de alta pressão. Segundo Abrate (2005) esse impacto ocorre numa faixa de velocidade entre 10 e 100 m/s, ou seja, compreendido entre os regimes de alta e baixa
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velocidade. Dependendo da massa do projetil, um grande dano pode ocorrer na amostra testada nessa velocidade de ensaio, sem necessariamente danificar o impactado. A importância desse método não é somente a caracterização do dano, mas também investigar a dissipação da energia e o mecanismo de falha.
2.5.3. Impacto de Baixa Velocidade
Dentre os ensaios de baixa velocidade podemos citar o Charpy, Izod e Impacto por Queda de Peso (Drop Test).
No método de Charpy, a amostra é simplesmente, posicionada em um plano horizontal apoiada nas duas pontas, e atingida por um pêndulo no seu ponto médio, transferindo para o corpo de prova parte da sua energia cinética, sendo a restante dissipada. A única diferença relativamente ao método de Izod reflete-se no modo de fixação do corpo de prova, que é fixado no plano vertical com a face do entalhe voltada para o pêndulo (CANTWELL et al, 1991).
O equipamento para realização dos ensaios Charpy e Izod está ilustrado esquematicamente na Figura 2.7. Segundo Callister Jr. (2007) a carga é aplicada como um impacto instantâneo, por meio de um martelo pendular balanceado, que é liberado de uma posição elevada, a uma altura fixa h. O corpo de prova é posicionado na base, como está mostrado na figura. Ao ser liberado o martelo, a aresta em forma de cunha atinge e fratura o corpo prova. O pêndulo continua o seu balanço, elevando-se até uma altura máxima h’, que é inferior a h. A absorção de energia é calculada a partir da diferença entre h e h’, é uma medida de energia de impacto.
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Figura 2.7: Desenho esquemático de um equiamento para ensaios de impacto e posicionamentos dos corpos de prova para os ensaios Charpy e Izod
Fonte: Callister Jr. (2007)
O ensaio de impacto por queda de peso (drop test) consiste na queda de um peso a partir de uma altura pré-determinada atingindo o corpo de prova apoiado no plano horizontal. Quando o peso está suspenso ele possui uma energia potencial que será convertida em energia cinética quando o mesmo for liberado.
Em geral Cantwell e Morton (1991) afirmam que esse ensaio não causa destruição completa da amostra de teste, permitindo que uma energia residual seja determinada, se necessário.
Na indústria em geral é comum testes de impacto por queda de peso (drop test) para avaliar a resistência ao dano de uma estrutura ou produto, ou mesmo de um material específico. Esse permite obter informação sobre as propriedades dinâmicas na absorção da energia, resistência à fratura, mecanismos de falha e redução da resistência.
O ajuste da energia de impacto é conseguido pela variação da massa do impactador e/ou da altura da sua queda. Enquanto que a velocidade de impacto é controlada apenas pela altura da queda (FERREIRA, 2006).
O ensaio é normatizado pela ASTM D7136 (2015) que determina a resistência ao dano de materiais compósitos de matriz polimérica sujeitos a um evento de impacto de queda de peso. Segundo a norma, uma placa plana retangular de material compósito é sujeita a um impacto concentrado provocado
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por um peso ligado a um impactador semiesférico, conforme ilustrado na Figura 2.8. Nesse tipo de ensaio pode ocorrer o rebote do impactador atingindo o corpo de prova várias vezes. Para evitar o rebote do impactador, o equipamento para realização do ensaio de impacto por queda de peso é equipado com um dispositivo de anti-rebote.
Figura 2.8: Dispositivo de teste de impacto drop test
Fonte: Adaptada de ASTM D7136, 2015
A norma também específica que o tamanho da amostra deve ser de 100 x 150 mm, como mostra na Figura 2.9, este corpo de prova pode ser utilizado no ensaio de Compressão Após Impacto (CAI) onde esse ensaio é utilizado para avaliar a resistência residual dos materiais compósitos após serem submetidos ao impacto de baixa velocidade.
Rayane Dantas da Cunha
Figura 2.9: Esquema representativo do ensaio do impacto por drop test
Fonte: Azevedo, 2017
Após o contato do impactador é esperado que o primeiro tipo de dano se manifeste no laminado por fissuras na matriz. As extremidades dessas fissuras atuam como pontos de iniciação da delaminação e quebra das fibras que podem afetar seriamente a rigidez local e global do laminado (FERREIRA, 2006). Segundo Biase (2009) a natureza e a extensão, os mecanismos de dano são afetados, em diferentes níveis, por um grande número de parâmetros: massa do impactador, velocidade do impactador, tipo de fibra e de matriz, tratamento interfacial, volume percentual de fibra, geometria do laminado, condições de contorno e tensões residuais.