Estudo do comportamento à fadiga de ligações de alumínio coladas por adesivo

Universidade De Trás-os-Montes e Alto Douro

Estudo do comportamento à fadiga de ligações

de alumínio coladas por adesivo

Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica

António Alberto Machado de Amorim Campos

Orientador: Professor Doutor Abílio Manuel Pinho de Jesus

Coorientador: Professor Doutor José Joaquim Lopes Morais

Dissertação apresentada à Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica, realizada sob a orientação do Professor Doutor Abílio Manuel Pinho de Jesus da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto e coorientação do Professor Doutor José Joaquim Lopes Morais da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro.

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AGRADECIMENTOS

Antes de mais, começo por agradecer a todas as pessoas e instituições que, com o seu contributo, tornaram possível a realização deste trabalho, especialmente:

o Aos meus pais. Quero começar por lhes agradecer a inspiração, empenho e a oportunidade que me concederam de alcançar este grau de formação. À minha irmã, pela força e crer que sempre me transmitiu.

o Ao meu orientador, Professor Doutor Abílio Manuel Pinho de Jesus, pela sua disponibilidade, empenho e pelo acompanhamento, fundamental, prestado no desenvolvimento desta dissertação.

o Ao meu coorientador, Professor Doutor José Joaquim Lopes Morais, pela disponibilidade e apoio prestado.

o Ao Professor Cristóvão Lucas dos Santos, pelo apoio prestado na conceção dos provetes estudados nesta dissertação.

o Ao Ricardo João Camilo Carbas, Investigador de Pós-Doutoramento da FEUP, pela disponibilidade e apoio prestado no processo de colagens dos provetes estudados nesta dissertação.

o À Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, por proporcionar as condições necessárias à realização deste trabalho.

o À Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto e, em particular, ao Professor Lucas Filipe da Silva, pela disponibilização do laboratório de adesivos, onde foram realizadas as colagens dos provetes estudados.

o A todos os meus amigos, conhecidos e colegas que me acompanharam durante todo este período de formação e que, pela convivência, motivação e companheirismo, me deram mais ânimo para a elaboração deste trabalho.

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RESUMO

Num mundo onde a eficiência energética e a elevada performance mecânica dos equipamentos e produtos são cada vez mais ambicionadas, procuram-se materiais e ligações cada vez mais leves e resistentes. A utilização de adesivos na conceção de ligações estruturais tem atraído muita atenção dos investigadores nas últimas décadas, devido a várias vantagens importantes em relação às técnicas de ligação mais tradicionais, como a soldadura, rebitagem e aparafusamento. De entre as várias vantagens destaca-se a dispensa de adição de materiais às ligações (redução de peso) e uma melhor distribuição de tensões que deriva da ligação do adesivo a toda a área de contacto das diferentes peças (maior vida à fadiga). O comportamento das ligações coladas a longo prazo é um dos temas que ainda não está totalmente dominado e que suscita grandes preocupações nas aplicações mais exigentes.

Neste estudo pretendeu-se contribuir para o melhor conhecimento do comportamento à fadiga de ligações coladas envolvendo substratos metálicos em liga de alumínio (Al6061-T651) e adesivo epóxido (Araldite®2015), considerando-se carregamentos de amplitude constante. Este estudo visou a avaliação das taxas de propagação de fendas em modo I e em modo II, puros, recorrendo a ensaios de provetes DCB e ENF, respetivamente. Pretendeu-se ainda avaliar o comportamento à fadiga de uma junta de sobreposição dupla (DLJ) onde a fase de iniciação de uma fenda de fadiga se reveste de um grande importância. Para além dos ensaios de fadiga também se procurou realizar ensaios monotónicos quasi-estáticos que permitiram obter a resistência estática das ligações, em particular as taxas críticas de libertação de energia, em modo I e II.

O estudo proposto procurou combinar técnicas experimentais e numéricas na análise dos resultados. Com efeito, os ensaios de propagação de fendas de fadiga foram realizados sem observação direta da fenda, tendo sido necessários procedimentos baseados na calibração da flexibilidade e conceito de fenda equivalente para tratar os resultados. As taxas críticas de libertação de energia em modo I e modo II, obtidas para as ligações estudadas, enquadraram-se em valores de referência publicados. As taxas de crescimento das fendas de fadiga foram satisfatoriamente correlacionadas com base na lei de Paris modificada, de modo a ter em conta os regimes de propagação de fendas I e II.

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ABSTRACT

In a world where energy efficiency and high mechanical performance of equipment and products are increasingly desired, lighter and stronger materials and connections are of primordial importance. The use of adhesives in the design of structural joints has attracted much attention from researchers in recent decades, due to several important advantages over more traditional joining techniques such as welding, riveting and bolting. Among the many advantages, the exemption from heavy joining materials (weight reduction) and the better distribution of stresses promoted by the adhesive bond applied across the entire contact area of different parts (greater fatigue life), are the most important. The long-term mechanical behaviour of adhesive joints is one of the issues that is not yet fully understood raising major concerns as regards the most demanding applications.

This study was intended to contribute to a better knowledge of the fatigue behavior of bonded connections involving metal substrates made of aluminum alloy (AL6061-T651) and epoxy adhesive (Araldite®2015), considering constant amplitude loading. This study aimed to evaluate fatigue crack propagation rates under pure mode I and mode II, using DCB and ENF specimens, respectively. It was also intended to evaluate the fatigue behavior of a double lap joint (DLJ) where the initiation stage of a fatigue crack is of great importance. In addition to the fatigue tests, monotonic quasi static tests were also envisaged aiming at evaluating the static resistance of the joints, in particular the critical strain energy release rate, for pure mode I and II.

The proposed study combined experimental and numerical techniques in order to analyze the results. Indeed, the fatigue crack propagation were performed without direct observation of crack growth, calibration procedures based on compliance curves and equivalent crack were used to data reduction analysis. The critical energy release rates for pure mode I and II where consistent with data published in the literature. The fatigue crack growth rates were satisfactorily correlated based on the modified Paris law, that accounts for fatigue crack propagation in near threshold and stable fatigue crack propagation regimes.

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ÍNDICE GERAL

Capítulo 1 - Introdução

1.1 Introdução ... 3 1.2 Objetivos... 5 1.3 Estrutura da dissertação ... 6

Capítulo 2 - Revisão bibliográfica

2.1 Introdução ... 11 2.2 Comportamento à fadiga de juntas coladas ... 11

2.2.1 Influência de fatores geométricos no comportamento à fadiga de juntas

coladas ... 14 2.2.2 Influência dos materiais no comportamento à fadiga de juntas adesivas ... 17 2.2.3 Influência das condições de carga no comportamento à fadiga de juntas

adesivas ... 18 2.2.4 Efeito do tratamento de superfície e condições de cura no comportamento à

fadiga de juntas adesivas ... 19 2.2.5 Iniciação de fendas por fadiga em ligações coladas ... 20 2.2.6 Propagação de fendas por fadiga em ligações coladas ... 22 2.2.7 Fadiga em ligações coladas sob ação de carregamentos de amplitude variável .... 26

- XII -

2.2.8 Juntas adesivas híbridas ... 27

2.2.9 Outros campos de estudo da fadiga na literatura ... 28

Capítulo 3 - Procedimentos experimentais gerais 3.1 Introdução ... 31

3.2 Materiais utilizados ... 31

3.2.1 Substratos ... 31

3.2.2 Araldite®2015 ... 34

3.3 Geometria dos provetes ... 36

3.3.1 Provetes DCB ... 36

3.3.2 Provetes ENF ... 37

3.3.3 Juntas DLJ ... 39

3.4 Maquinagem dos substratos e preparação das superfícies ... 40

3.4.1 Tratamento das superfícies de contacto ... 41

3.4.2 Realização das colagens ... 41

3.4.3 Espaçadores para os provetes DCB e ENF ... 42

3.4.4 Espaçadores para os provetes DLJ ... 43

3.4.5 Aplicação de desmoldante ... 43

3.4.6 Acabamento dos provetes pós-colagem ... 45

3.4.7 Furação dos provetes DCB ... 45

3.5 Ensaios Experimentais... 46

Capítulo 4 - Comportamento quasi-estático e à fadiga de ligações coladas DCB 4.1 Introdução ... 51

- XIII -

4.3 Análise por elementos finitos dos ensaios quasi-estáticos ... 56

4.3.1 Cálculo do GIc dos ensaios monotónicos ... 60

4.4 Ensaios de propagação de fendas de fadiga em provetes DCB ... 63

4.4.1 Relações ‘carga-deslocamento’ e ‘flexibilidade-número de ciclos de carga’ ... 65

4.4.2 Determinação da relação da/dN vs. GI ... 67

4.4.3 Ajuste da relação de Paris ... 71

4.4.4 Análise das superfícies de fratura dos ensaios de fadiga ... 74

4.5 Conclusões ... 75

Capítulo 5 - Comportamento quasi-estático e à fadiga de ligações coladas ENF 5.1 Introdução ... 81

5.2 Ensaios monotónicos quasi-estáticos ... 83

5.3 Análise por elementos finitos dos ensaios quasi-estáticos ... 84

5.3.1 Análise de resultados das simulações por elementos finitos dos ensaios monotónicos de provetes ENF ... 89

5.4 Ensaios de propagação de fendas de fadiga em provetes ENF ... 93

5.4.1 Estudo das relações carga-deslocamento e flexibilidade-número de ciclos de carga ... 94

5.4.2 Determinação da relação da/dN vs. GII ... 96

5.4.3 Identificação da Lei de Paris ... 99

5.4.4 Análise das superfícies de fratura dos ensaios de fadiga ... 100

5.5 Conclusões ... 101

Capítulo 6 - Comportamento quasi-estático e à fadiga de ligações coladas DLJ 6.1 Introdução ... 107

6.2 Ensaios monotónicos quasi-estáticos ... 108

- XIV -

6.3.1 Análise de resultados ... 113

6.4 Ensaios de propagação de fendas de fadiga em ligações DLJ ... 117

6.4.1 Determinação da curva S-N ... 118

6.4.2 Estimativa da vida de iniciação de fendas (Ni) nas ligações DLJ ... 121

6.4.3 Análise das superfícies de fratura dos ensaios de fadiga ... 123

6.5 Conclusões ... 124

Capítulo 7 - Conclusões gerais 7.1 Introdução ... 129

7.2 Ensaios DCB monotónicos (quasi-estáticos)... 129

7.3 Ensaios DCB de fadiga ... 129

7.4 Ensaios ENF monotónicos (quasi-estáticos) ... 131

7.5 Ensaios ENF de fadiga ... 131

7.6 Ensaios DLJ monotónicos (quasi-estáticos) ... 132

7.7 Ensaios DLJ de fadiga ... 133

7.8 Proposta de trabalhos futuros ... 133

- XV -

NOMENCLATURA

Abreviaturas

ADCB – Assimetric Double Cantilever Beam

ASTM – American Society for Testing and Materials CDI – Correlação Digital de Imagem

DCB – Double Cantilever Beam DLJ – Double Lap Joint

ELS – End Loaded Split ENF – End Notched Flexure MMB – Mixed-Mode Bending MMF – Mixed-Mode Flexure SLJ – Single Lap Joint

Simbologia Latina

A – Área

a – comprimento de fenda

ai – Comprimento de fenda inicial

a0=ai – comprimento de fenda inicial dos provetes

a1 – Segundo comprimento de fenda inicial para os provetes DCB (estudo flexibilidade)

a2 – Terceiro comprimento de fenda inicial para os provetes DCB (estudo flexibilidade)

B – Espessura dos provetes C – Flexibilidade

c – Calor específico

Cs – Comprimento de sobreposição/linha de adesivo

ℂ - Constante do material, utilizado na Lei de Paris da – Variação do comprimento de fenda

da/dN – Taxa de propagação da fenda de fadiga (mm/ciclo) dN – Variação do número de ciclos de carga

E – Módulo de elasticidade ou Módulo de Young ea – Espessura do adesivo

- XVI -

Fmáx – Força máxima de ensaio

Fmín – Força mínima de ensaio

f – Frequência de ensaio

G – Taxa de libertação de energia

G – Módulo de elasticidade transversal

GI – Taxa de libertação de energia em modo I

GIc – Taxa crítica de libertação de energia em modo I

GII – Taxa de libertação de energia em modo II

GIIc – Taxa crítica de libertação de energia em modo II

Gth – Taxa de libertação de energia limiar de propagação

h – Altura dos provetes HB – Dureza Brinell I – Momento de inércia

K – Condutividade térmica

L – Comprimento dos provetes

La – Comprimento de adesivo (sobreposição) nos provetes DLJ

Ls – Comprimento dos substratos dos provetes DLJ

m - Constante do material, utilizado na Lei de Paris N – Número de ciclos de carga

Nf – Número de ciclos de rotura

Ni – Número de ciclos de carga necessários para o início de fenda

P – Carga aplicada

Pmáx – Carga máxima aplicada

R – Razão entre o valor da carga máxima e carga mínima do ensaio Ux/y/z – Deslocamentos na direção x, y ou z

VM - Provetes ENF com maior comprimento de linha de adesivo e maior vão

Vm – Provetes ENF com menor comprimento de linha de adesivo e menor vão

2L – Vão dos provetes ENF ou apoiados em 2 pontos

Simbologia Grega

- XVII -

 - Constante determinada na relação logarítmica ‘flexibilidade – comprimento de fenda’

 - Distorção no plano yx ou yz

rot – Distorção de rotura

𝚫F – Gama de carga de ensaio

𝚫G – Gama da taxa de libertação de energia

δ – Deslocamento do atuador da máquina de ensaios

f – Extensão de rotura à tração x/y – Extensões segundo x ou y  - Viscosidade

Coeficiente de Poisson

ced – Tensão de cedência à tração rot – Tensão de rotura à tração

σy/x – Tensão normal à tração, em y ou x ced – Tensão de cedência ao corte rot – Tensão de rotura ao corte

yx/yz – Tensão de corte, segundo o plano yx ou yz  - Ângulo de fase

- XIX -

ÍNDICE DE FIGURAS

Capítulo 1 - Introdução

Figura 1.1 - Alguns exemplos da utilização de ligações coladas em diversas indústrias. ... 4

Capítulo 2 – Revisão bibliográfica

Figura 2.1 - Provetes para caracterização da resistência à propagação de fendas em juntas coladas a) modo de carregamento I (tração); b) modo de carregamento II (corte); c) modo de carregamento III (rasgamento) e d) modo de carregamento misto I/II. ... 12 Figura 2.2 - Ensaios comuns para determinação da resistência à propagação de fendas em

juntas coladas: a) ensaio de um provete DCB; b) ensaio de um provete ENF; c) ensaio de um provete ADCB. ... 12 Figura 2.3 - Vários tipos de juntas coladas importantes na literatura. ... 13 Figura 2.4 - Relação entre a tensão de corte média máxima e a vida à fadiga para provetes

SLJ com diferentes dimensões da junta [7]. ... 15 Figura 2.5 - Efeito da imersão em água no comportamento à fadiga para juntas SLJ com

substratos em material compósito [8]. ... 16 Figura 2.6 - Relação entre taxa de libertação de energia com a espessura do adesivo para

o modo misto (ADCB) [9]. ... 17 Figura 2.7 - Representação logarítmica da relação do crescimento de fenda com a taxa de

libertação de energia do provete DCB (a) e ADCB (b) em função da espessura do adesivo [9]. ... 17 Figura 2.8 - Comparação entre valores experimentais e previsões com modelo de dano,

- XX -

Figura 2.9 - Comparação dos resultados da previsão do crescimento de fenda em junta colada obtidos com método analítico e o modelo numérico [35]. ... 22 Figura 2.10 - Variação da energia de deformação libertada com a variação do ângulo de

fase [38]. ... 23 Figura 2.11 - Comparação dos resultados experimentais com os resultados da previsão de

vida à fadiga [39]. ... 24 Figura 2.12 - Comparação entre os resultados analíticos da lei modificada de Paris e os

resultados do modelo de dano coesivo proposto por Moura e Gonçalves [42]. ... 25 Figura 2.13 - Relação entre o módulo Young e a área de contacto entre adesivo e

aderentes e a redução das frequências naturais de vibração da ligação [43]. ... 25 Figura 2.14 - Comparação da taxa de libertação de energia com o aumento de fenda para:

a) energia total libertada, b) componente de modo I e c) componente de modo II [48]. ... 26

Capítulo 3 – Procedimentos experimentais gerais

Figura 3.1 - Configuração do ensaio de flexão em 3 pontos para verificação do módulo de elasticidade da liga de alumínio utilizada na conceção dos provetes DCB, ENF e DLJ. ... 33 Figura 3.2 - Relação ‘carga aplicada-deslocamento’ do ensaio do substrato de alumínio

6061-T651. ... 33 Figura 3.3 - Avaliação do módulo de elasticidade da liga de alumínio 6061-T651

utilizada neste estudo. ... 34 Figura 3.4 - Desenho técnico do provete DCB. ... 37 Figura 3.5 - Provetes ENF com mesmas dimensões globais dos provetes DCB: a) Vm -

- XXI - Figura 3.6 - Esquema de montagem dos provetes ENF nos ensaios de flexão em 3 pontos:

a) série Vm; b) série VM. ... 39

Figura 3.7 - Desenho técnico da junta DLJ. ... 40

Figura 3.8 - Operações de maquinagem dos substratos dos provetes: a) serra de disco; b) serra de fita; c) fresagem. ... 40

Figura 3.9 - Preparação da superfície dos substratos: a) máquina granalhadora; b) substrato granalhado. ... 41

Figura 3.10 - Demonstração da fixação dos provetes prontos para a cura do adesivo. ... 42

Figura 3.11 - Três peças que formam o espaçador de 0,2 mm (2 fitas de aço calibrado e 1 lâmina de barbear). ... 42

Figura 3.12 - Esquema do espaçamento na colagem dos provetes DCB e ENF. ... 43

Figura 3.13 - Esquema do espaçamento na colagem das juntas DLJ. ... 43

Figura 3.14 - a) Embalagem do desmoldante LOCTITE 770-NC, da Frekote®; b) aplicação do desmoldante nos espaçadores. ... 44

Figura 3.15 - Condições de cura do adesivo durante 16 horas (mínimo), sob uma carga de 40 Kg. ... 44

Figura 3.16 - Remoção do adesivo em excesso no provete. ... 45

Figura 3.17 - Juntas DLJ após remoção do excesso de adesivo. ... 45

Figura 3.18 - Furação dos provetes DCB numa furadora vertical. ... 46

Figura 3.19 - Máquina servo-hidráulica INSTRON 8801 com capacidade de carga de 100 kN. ... 46

Capítulo 4 - Comportamento quasi-estático e à fadiga de ligações coladas DCB Figura 4.1 - Configuração dos ensaios mecânicos dos provetes DCB – pormenor do provete montado através de duas cavilhas e forquilhas. ... 52

- XXII -

Figura 4.2 - Configuração (setup) experimental dos ensaios dos provetes DCB obtidos por colagem de substratos da liga de alumínio 6061-T651. ... 52 Figura 4.3 - Curvas carga-deslocamento dos ensaios monotónicos dos provetes DCB. ... 54 Figura 4.4 - Ensaio quasi-estático com cargas-descargas sucessivas para verificação da

validade da Mecânica da Fratura Linear Elástica. ... 54 Figura 4.5 - Aspeto das superfícies de fratura dos ensaios monotónicos dos provetes

DCB. ... 55 Figura 4.6 - Malha de elementos finitos dos provetes DCB (exemplo do provete DCB15). ... 57 Figura 4.7 - Condição de fronteira: constrangimento do movimento na direção z (exemplo

do provete DCB15). ... 57 Figura 4.8 - Condições de fronteira: constrangimento nas direções x, y e z nos nós pilotos

inferior e superior das cavilhas rígidas (exemplo do provete DCB15). ... 57 Figura 4.9 - Campo de deslocamentos em mm: a) segundo direção y; b) segundo direção

z. ... 58 Figura 4.10 - Distribuição das tensões normais segundo y (y) no provete DCB, em MPa:

a) vista de lado do provete; b) vista da frente do provete e da frente da fenda. ... 59 Figura 4.11 - Distribuição das deformações segundo y (y) no provete DCB, em MPa: a)

vista de lado do provete; b) vista da frente do provete e da frente da fenda. ... 59 Figura 4.12 - Comparação da rigidez dos ensaios experimentais com a rigidez da

simulação numérica obtida para o provete DCB15. ... 60 Figura 4.13 - Relação flexibilidade-comprimento de fenda resultante das simulações

numéricas do provete DCB15. ... 61 Figura 4.14 - Relação flexibilidade-comprimento de fenda resultante do ajuste das

- XXIII - Figura 4.15 - Relação comprimento de fenda-flexibilidade resultante do ajuste das

simulações numéricas corrigidas, tendo em conta a flexibilidade inicial real do provete no ensaio experimental (exemplo para provete DCB15). ... 62 Figura 4.16 - Curva de resistência em modo I para os provetes DCB15 e DCB16. ... 63 Figura 4.17 - Determinação da flexibilidade para o primeiro ciclo do ensaio de fadiga do

provete DCB1. ... 66 Figura 4.18 - Curvas flexibilidade versus número de ciclos de carga correspondentes aos

ensaios de fadiga realizados com carga máxima igual a 65% da resistência estática. ... 66 Figura 4.19 - Curvas flexibilidade versus número de ciclos de carga correspondentes aos

ensaios de fadiga realizados com carga máxima igual a 60% da resistência estática. ... 66 Figura 4.20 - Curva de calibração de flexibilidade obtida experimentalmente para o

provete DCB1. ... 68 Figura 4.21 - Comparação do cálculo da taxa de propagação de uma fenda de fadiga

recorrendo a dois métodos propostos pela norma ASTM E647: secante e método polinomial incremental de 7 pontos. ... 69 Figura 4.22 - Taxas de propagação de fendas de fadiga versus gama da taxa de libertação

de energia para provetes DCB testados a 65% de resistência estática média. .... 69 Figura 4.23 - Taxas de propagação de fendas de fadiga versus gama da taxa de libertação

de energia para provetes DCB testados a 60% de resistência estática média. .... 70 Figura 4.24 - Taxas de propagação de fendas de fadiga versus gama da taxa de libertação

de energia para provetes DCB testados a 60 e 65% de resistência estática média. ... 71 Figura 4.25 - Ilustração das três zonas distintas de propagação de uma fenda por fadiga:

Zona I – zona próxima ao limiar de propagação; Zona II – zona de propagação estável de fenda; Zona III – zona de propagação instável de fenda. ... 72

- XXIV -

Figura 4.26 - Ajuste da relação de Paris aos resultados experimentais relativos às taxas de propagação de fendas de fadiga em modo I (ensaios realizados a 65% da resistência estática). ... 73 Figura 4.27 - Ajuste da relação de Paris aos resultados experimentais relativos às taxas de

propagação de fendas de fadiga em modo I (ensaios realizados a 60% da resistência estática). ... 73 Figura 4.28 - Aspeto das superfícies de fratura dos provetes ensaiados a 65% da

resistência estática. ... 74

Capítulo 5 - Comportamento quasi-estático e à fadiga de ligações coladas ENF

Figura 5.1 - Configuração dos ensaios mecânicos dos provetes ENF – destaque dos apoios. ... 81 Figura 5.2 – Configuração geral experimental dos ensaios realizados nos provetes ENF. ... 81 Figura 5.3 - Curvas carga-deslocamento dos ensaios monotónicos realizados com os

provetes ENF. ... 83 Figura 5.4 - Aspeto das superfícies de fratura dos provetes ENF testados segundo uma

solicitação monotónica, quasi-estática. ... 84 Figura 5.5 - Malha de elementos finitos do provete ENF (exemplo para o provete ENF9). ... 86 Figura 5.6 - Condições de fronteira aplicadas ao modelo de elementos finitos do provete

ENF: constrangimentos na direção z (exemplo para o provete ENF9)... 86 Figura 5.7 - Condições de fronteira aplicadas ao modelo de elementos finitos do provete

ENF, representando a ação dos apoios (exemplo para o provete ENF9). ... 86 Figura 5.8 - Campo de deslocamentos em mm (exemplo para o provete ENF9): a) direção

y; b) direção z (provete ENF9). ... 87 Figura 5.9 - Distribuição das tensões normais na direção do eixo x (x), em MPa (provete

- XXV - Figura 5.10 - Distribuição das tensões de corte (yx), em MPa (provete ENF9). ... 88

Figura 5.11 - Distribuição das extensões na direção do eixo x (xx) do provete ENF9. ... 88

Figura 5.12 - Distribuição das extensões de corte yx (yx) do provete ENF9. ... 89

Figura 5.13 - Comparação da rigidez inicial (elástica) dos ensaios experimentais com a rigidez da simulação numérica. ... 90 Figura 5.14 - Relação flexibilidade-comprimento de fenda resultante das simulações

numéricas (ENF9). ... 91 Figura 5.15 - Relação flexibilidade-comprimento de fenda resultante do ajuste das

simulações numéricas aos resultados experimentais do provete ENF9. ... 91 Figura 5.16 - Relação comprimento de fenda-flexibilidade resultante da correção do

resultado numérico (provete ENF9). ... 92 Figura 5.17 - Curvas de resistência obtidas para os provetes ENF3, ENF9 e ENF12. ... 92 Figura 5.18 - Ilustração da determinação da rigidez para o primeiro ciclo de carga do

ensaio de fadiga do provete ENF7. ... 95 Figura 5.19 - Curvas flexibilidade-nº de ciclos de carga correspondentes aos ensaios de

fadiga a 42,9% (ENF7) e 45% (ENF13, ENF14) da resistência estática para os provetes VM. ... 95

Figura 5.20 - Curvas flexibilidade-nº de ciclos de carga correspondentes aos ensaios de fadiga a 38,36% da resistência estática para os provetes Vm (ENF10 e

ENF11). ... 95 Figura 5.21 - Comparação do cálculo da taxa da/dN por dois métodos alternativos

previstos na norma ASTM E647: técnica polinomial incremental e técnica da secante. ... 97 Figura 5.22 - Relação taxa de crescimento de fenda versus gama de variação de taxa de

libertação de energia dos ensaios dos provetes VM, testados a 42,9% e 45%

- XXVI -

Figura 5.23 - Relação da taxa de crescimento da fenda versus gama de variação da taxa de libertação de energia resultante dos ensaios dos provetes Vm, realizados a

38,36% da resistência estática. ... 97 Figura 5.24 - Apresentação conjunta dos resultados da/dN-GII dos provetes VM e Vm. ... 98

Figura 5.25 - Ajuste da lei de Paris modificada aos resultados experimentais relativos à taxa de propagação de fendas de fadiga obtidas para os provetes ENF. ... 99 Figura 5.26 - Aspeto das superfícies de fratura dos provetes ENF, série VM, ensaiados à

fadiga. ... 100 Figura 5.27 - Aspeto das superfícies de fratura dos provetes ENF (série Vm) ensaiados à

fadiga. ... 101

Capítulo 6 - Comportamento quasi-estático e à fadiga de ligações coladas DLJ

Figura 6.1 - Setup experimental dos ensaios realizados nas ligações DLJ. ... 107 Figura 6.2 - Curvas carga-deslocamento dos ensaios monotónicos dos provetes DLJ. ... 109 Figura 6.3 - Resistência ao corte da Araldite®2015 de acordo com a informação do

fabricante: a) resistência ao corte em função da temperatura de ensaio (ISO4587); b) ligação de sobreposição em metal com superfície tratada por jacto de areia [61]. ... 110 Figura 6.4 - Aspeto das superfícies de fratura dos ensaios monotónicos com provetes

DLJ. ... 110 Figura 6.5 - Malha dos provetes DLJ. ... 112 Figura 6.6 - Condição de fronteira: constrangimento do movimento na direção z. ... 112 Figura 6.7 - Condições de fronteira: a) deslocamento de 1 mm na direção x aplicado na

área assinalada; b) constrangimento nas direções x e y nas duas áreas assinaladas. ... 112

- XXVII - Figura 6.8 - Campo de deslocamentos em mm: a) direção z (transversal); b) direção x

(longitudinal). ... 113 Figura 6.9 - Comparação da rigidez dos ensaios experimentais com a rigidez da

simulação numérica. ... 113 Figura 6.10 - Distribuição das tensões de corte no provete DLJ em MPa: a) yx presentes

no provete DLJ; b) yz presentes no provete DLJ. ... 114

Figura 6.11 - Deformações de corte yx (yx) do provete DLJ. ... 114

Figura 6.12 - Distribuição das tensões normais em MPa: a) na direção do eixo y (y); b)

na direção do eixo x (x). ... 115

Figura 6.13 - Distribuição das extensões na direção do eixo x (xx). ... 115

Figura 6.14 - Identificação de conjunto de linhas na interface adesiva para efeitos de mapeamento das tensões de corte e normais. ... 116 Figura 6.15 - Análise de y e yx para as linhas 1 e 4. ... 117

Figura 6.16 - Análise de y e yx para as linhas 2 e 5. ... 117

Figura 6.17 - Análise de y e yx para as linhas 3 e 6. ... 117

Figura 6.18 - Curva S-N obtida para as ligações DLJ. ... 119 Figura 6.19 - Valores de referência da resistência à fadiga de ligações adesivas com

Araldite®2015 [61]. ... 119 Figura 6.20 - Comparação de resultados S-N do presente estudo com os do trabalho

realizado por Jen e Ko [6]. ... 121 Figura 6.21 - Evolução da gama de deslocamento com o número de ciclos e representação

dos pontos de iniciação considerados para os provetes DLJ, para valores de gama de carga aplicada, em relação à resistência estática de: a) 35%; b) 45 %; c) 60% e d) 70%. ... 122

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Figura 6.22 - Aspeto das superfícies de fratura dos provetes DLJ após ensaios de fadiga: a) 70% da carga máxima; b) 60% da carga máxima; c) 45% da carga máxima; d) 35% da carga máxima. ... 123

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ÍNDICE DE TABELAS

Capítulo 3 – Procedimentos experimentais gerais

Tabela 3.1 - Composição mássica da liga de alumínio 6061- [60]. ... 32 Tabela 3.2 - Principais propriedades mecânicas e físicas de referência da liga de alumínio

6061-T651 [60]. ... 32 Tabela 3.3 - Principais propriedades do adesivo Araldite®2015 [59, 61]. ... 35

Capítulo 4 - Comportamento quasi-estático e à fadiga de ligações coladas DCB

Tabela 4.1 - Séries de ensaios em juntas coladas DCB……… 53 Tabela 4.2 - Resultados dos ensaios monotónicos quasi-estáticos dos provetes DCB…… 54 Tabela 4.3 - Valores de GIc obtidos nos ensaios DCB monotónicos……… 63

Tabela 4.4 - Resumo dos ensaios de fadiga dos provetes DCB……… 64 Tabela 4.5 - Relações de Paris para os dois conjuntos de ensaios de propagação de fendas

de fadiga em modo I (provetes DCB)………... 73

Capítulo 5 - Comportamento quasi-estático e à fadiga de ligações coladas ENF

Tabela 5.1 - Séries de ensaios em juntas coladas ENF……… 82 Tabela 5.2 - Resultados dos ensaios monotónicos quasi-estáticos dos provetes ENF……... 83 Tabela 5.3 - Valores de GIIc obtidos nos ensaios ENF monotónicos………. 93

Tabela 5.4 - Resumo dos ensaios de fadiga dos provetes ENF……… 93 Tabela 5.5 - Relações de Paris obtidas para os ensaios de fadiga ENF - curva média e

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Capítulo 6 - Comportamento quasi-estático e à fadiga de ligações coladas DLJ

Tabela 6.1 - Séries de ensaios em juntas coladas DLJ………... 108 Tabela 6.2 - Resultados dos ensaios monotónicos quasi-estáticos dos provetes DLJ……... 109 Tabela 6.3 - Resumo dos ensaios de fadiga dos provetes DLJ……… 118 Tabela 6.4 - Comparação do número de ciclos de rotura da ficha técnica da

Araldite®2015 com os da curva S-N obtida neste estudo, para as ligações DLJ………... 120 Tabela 6.5 - Valores de Ni, Nf e percentagem de vida à fadiga do provete até ao início da

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APÍTULO

1

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1.1 Introdução

A evolução galopante da ciência nas últimas décadas é responsável pelo enorme e constante progresso do mundo em que vivemos. Esta evolução traduz-se numa evolução da engenharia e de tudo do que dela deriva. A cada dia que passa surgem novos problemas, novas necessidades, novos desafios que a ciência e engenharia procuram ultrapassar. Nos dias de hoje, na indústria aeroespacial, náutica, automóvel, civil, entre outras, existe cada vez mais a necessidade de se utilizar materiais e ligações mais leves e resistentes, de modo a melhorar as performances dos seus produtos, no que respeita ao comportamento mecânico e à eficiência energética. Neste sentido, a utilização de adesivos na conceção de ligações estruturais tem atraído muita atenção dos investigadores nas últimas décadas, devido a várias vantagens importantes em relação às técnicas de ligação mais tradicionais, como é o caso da rebitagem, soldadura e aparafusamento. O uso dos adesivos proporciona ligações mais leves, pois dispensa a adição ou aplicação de outros materiais pesados na ligação; facilita a ligação entre materiais distintos, como metais e não metais; permite a criação de ligações de espessura reduzida; favorece maior resistência à fadiga face às ligações tradicionais, pois a ligação é feita por toda a superfície de contacto das diferentes peças, evitando assim grandes tensões locais produzidas pela fixação pontual da rebitagem, do aparafusamento e da soldadura por pontos ou pela fixação apenas dos bordos na soldadura envolvendo cordões. O uso dos adesivos também pode representar um baixo custo de produção; proporcionar boas propriedades de amortecimento, variando estas com as características de cada adesivo; permite a realização de ligações estanques; possibilita a criação de estruturas com um melhor acabamento ou aspeto superficial, pois evita furos e marcas; é compatível com a aplicação de boas técnicas de controlo da qualidade; possibilita boa resistência à corrosão e rapidez de fabrico. Todas estas vantagens são muito importantes no mundo da engenharia, o que justifica os numerosos estudos a serem realizados sobre ligações coladas na atualidade. Contudo, o uso dos adesivos tem também desvantagens associadas, tais como, em certos casos, a necessidade de cura a altas temperaturas, a menor resistência a forças de arrancamento e comportamento mecânico a longo prazo ainda pouco fiável, havendo necessidade de estudos neste domínio.

As aplicações das ligações coladas são diversificadas, sendo usadas na indústria automóvel, aeroespacial, construção civil, entre outras (Figura 1.1) [1]. O comportamento à fadiga destas ligações é um assunto de extrema importância, visando as aplicações a longo prazo. O comportamento à fadiga das juntas coladas depende de vários parâmetros [1], entre

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os quais se destacam: os parâmetros geométricos, os parâmetros dos materiais (comportamento dos materiais e do adesivo), as condições de carga, o tratamento das superfícies dos substratos, as condições de cura dos adesivos e as condições ambientais (ex: humidade, temperatura) a que estão expostas as ligações. O comportamento à fadiga pode ser analisado em duas perspetivas distintas: iniciação de fendas e a propagação destas, sendo que a propagação de fendas também pode ser dividida em propagação estável e propagação instável. Relativamente à iniciação de fendas por fadiga, é um tema menos abordado na literatura. Muitas vezes os estudos de fadiga não distinguem os processos de iniciação dos processos de propagação de fendas, devido à falta de consenso na definição de critérios de iniciação de fendas e de monitorização destes.

A necessidade de compreender o comportamento de uma ligação colada e conseguir melhorar a sua resistência à fadiga é muito importante para que se possam utilizar cada vez mais em estruturas que exigem uma boa resistência dos materiais à fadiga, provocada por esforços aplicados, esforços naturais ou mesmo condições ambientais adversas. Para que se possa substituir os modos de ligação mais tradicionais é necessário garantir que a ligação adesiva terá uma durabilidade equivalente às substituídas. A necessidade que as indústrias têm de inovar e melhorar performances dos seus produtos, de utilizar ligações coladas - pelas vantagens já enumeradas - exige a continuidade de um trabalho de entendimento do comportamento das ligações e do seu consequente melhoramento. Daí surge a fundamentação da realização deste trabalho.

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1.2 Objetivos

O objetivo geral deste estudo consiste na caracterização do comportamento à fadiga de ligações de substratos metálicos em liga de alumínio 6061-T651 recorrendo a adesivo Araldite®2015. Este programa pretende avaliar as condições de propagação de fendas de fadiga em juntas coladas sob condições de carregamento de amplitude constante, quer em modo I quer em modo II. O estudo proposto tem uma forte componente experimental, visando o desenvolvimento de técnicas experimentais desde a preparação/fabrico dos provetes à realização dos ensaios de fadiga e análise de resultados. Pretende-se ainda abordar a modelação numérica dos diferentes ensaios por forma a melhor conhecer os ensaios e facilitar a análise e discussão de resultados. O estudo será realizado envolvendo três tipos de ligações/provetes: Double Cantilever Beam (DCB), End Notched Flexure (ENF) e Double

Lap Joint (DLJ). Para as ligações DCB e ENF, o estudo será semelhante:

- avaliação das energias de fratura críticas (GIc e GIIc) e comparação com outros

estudos;

- análise das distribuições das tensões e deformações na ligação recorrendo a um software de modelação numérica (ANSYS®);

- determinação das taxas de propagação de fendas de fadiga em função da variação da taxa de libertação de energia em modo I (DCB) e modo II (ENF);

- ajuste de uma relação empírica aos resultados experimentais de propagação de fendas de fadiga.

Para as ligações DLJ, os objetivos passam pela análise de tensões e deformações com base em métodos numéricos e pelo estudo da vida à fadiga através da construção de curvas S-N.

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1.3 Estrutura da dissertação

Para além do presente capítulo, esta dissertação apresenta mais seis capítulos cujo conteúdo se resume de seguida.

No Capítulo 2 faz-se uma breve revisão geral acerca dos estudos de fadiga em juntas adesivas. Esta revisão bibliográfica permite elucidar sobre os vários campos abordados na investigação e detetar quais os assuntos mais e menos abordados.

No Capítulo 3 apresenta-se uma descrição dos materiais utilizados neste estudo, assim como as técnicas experimentais selecionadas para os ensaios de fadiga. Para além da indicação das propriedades mecânicas gerais dos materiais, também se apresenta uma caracterização do módulo de elasticidade da liga de alumínio usada neste estudo visando a aferição desta propriedade. Os provetes usados no programa experimental são selecionados assim como são descritos os procedimentos para preparação das ligações coladas, adotados consistentemente em todo o trabalho. Também se faz uma referência ao setup experimental usado neste estudo.

No Capítulo 4 apresenta-se todo o estudo realizado com provetes DCB. Começa-se por apresentar a configuração de montagem dos provetes DCB na máquina de ensaios e os aspetos principais da colagem das diferentes ligações. O primeiro estudo neste capítulo aborda os ensaios monotónicos, determinando-se as cargas estáticas máximas suportadas pelas ligações e analisam-se as superfícies de rotura. Num segundo estudo, utiliza-se a modelação numérica para se avaliar as distribuições de tensões e deformações nos provetes quando sujeitos aos esforços induzidos pelos ensaios, e determina-se a energia de fratura (GIc)

dos provetes ensaiados sob cargas monotónicas. Na terceira parte deste capítulo procede-se ao estudo de fadiga. Neste estudo, para além de se avaliar o número de ciclos de rotura dos provetes, também se determina a taxa de crescimento de fenda de fadiga em função da taxa de libertação de energia e procede-se ao seu ajuste tendo em conta expressões analíticas disponíveis na literatura como é o caso da relação de Paris. Por fim, faz-se uma breve análise das superfícies de fratura das ligações e retiram-se conclusões acerca do estudo realizado neste capítulo.

- 7 - O estudo apresentado no Capítulo 5 é semelhante ao realizado no Capítulo 4, diferenciando-se apenas no tipo de ligação testada, que no caso do capítulo 5 tratou-se da geometria ENF, usada para estudos de propagação de fendas em modo II.

No Capítulo 6 são apresentados os estudos sobre ligações coladas DLJ. Começa-se por apresentar a configuração de montagem das ligações DLJ na máquina de ensaios e os aspetos principais da preparação destas juntas. Seguidamente apresentam-se os resultados de ensaios monotónicos, onde se determina as resistências estáticas das ligações, analisam-se as tensões de corte máximas obtidas e comparam-se estas com valores de referência fornecidos pelo fabricante dos adesivos. Por fim, analisam-se as superfícies de fratura destes ensaios monotónicos. Num segundo estudo, utiliza-se a modelação numérica para se avaliar as distribuições de tensões e deformações na junta adesiva quando solicitada em tração. Numa terceira apresenta-se o estudo à fadiga, onde se determinou o número de ciclos de rotura dos provetes para vários níveis de tensão e se constrói a respetiva curva S-N, a qual permite determinar a vida à fadiga das ligações dependendo das tensões aplicadas. Os resultados obtidos foram comparados com valores de referência do fabricante do adesivo. Foi ainda feita uma tentativa de avaliar o peso da fase de iniciação de fenda por fadiga, determinando-se a percentagem da vida de iniciação em relação à vida total dos provetes, através da variação da resposta cíclica do provete. Por fim, fez-se uma apreciação das superfícies de fratura das ligações ensaiadas à fadiga.

Finalmente, no Capítulo 7 apresentam-se as conclusões gerais do trabalho e as propostas de trabalhos futuros que poderão ser realizados, numa perspetiva de continuação deste estudo.

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2

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2.1 Introdução

Neste capítulo apresenta-se uma revisão bibliográfica centrada na temática do comportamento à fadiga de juntas coladas. As juntas coladas têm sido intensivamente estudadas no que respeita ao seu comportamento mecânico monotónico, quasi-estático, mas os aspetos relativos ao comportamento mecânico a longo prazo das ligações reveste-se de muito interesse tendo em conta as aplicações desejadas para as ligações coladas (ex: transportes, estruturas). O comportamento mecânico das ligações coladas a longo prazo é um assunto complexo que não está suficientemente estudado e compreendido. Este comportamento é influenciado por fatores ambientais, como a humidade e temperatura, envelhecimento dos adesivos, solicitações dinâmicas associadas a comportamentos viscosos e dano por fadiga. O presente estudo será focado apenas no comportamento à fadiga de ligações coladas procurando-se evitar a influência de fatores ambientais e influências de comportamentos viscosos da resina.

Apresenta-se neste capítulo uma revisão sobre estudos relativos à caracterização do comportamento à fadiga em ligações coladas. Uma boa parte deste capítulo tem como referência um trabalho de revisão presente na literatura [1], onde se faz um levantamento dos principais estudos relativos à caracterização do comportamento à fadiga de ligações coladas. Trata-se de um artigo onde são citados 222 trabalhos, sendo portanto considerada uma excelente referência para este capítulo do trabalho.

2.2 Comportamento à fadiga de juntas coladas

O estudo do comportamento mecânico de juntas coladas é geralmente suportado por ensaios mecânicos de provetes produzidos com a combinação de substratos e adesivos em estudo, sendo a ligação adesiva preparada seguindo os procedimentos/parâmetros que se pretendem estudar (ex: espessura do adesivo, preparação das superfícies, processo de cura). Existe uma grande diversidade de ensaios mecânicos propostos na literatura para estudar o comportamento de juntas coladas, sendo algumas dessas propostas já consagradas em normas. De um modo geral podemos dividir os ensaios mecânicos propostos para juntas coladas em dois grandes grupos, como é o caso dos ensaios concebidos para estudar a resistência à

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propagação de fendas ao longo da junta adesiva e os ensaios para determinação da resistência global de juntas coladas. Os provetes usados para determinação da resistência à propagação de fendas de fadiga são muito comuns para determinação das propriedades de fratura das juntas coladas, em particular as taxas de libertação de energia críticas. As configurações dos provetes e condições de solicitação no caso dos ensaios de propagação de fendas podem ser divididas em quatro subgrupos (Figura 2.1): provetes para ensaios de propagação de fendas em modo I, provetes para ensaios de propagação de fendas em modo II, provetes para ensaios de propagação de fendas em modo III e provetes para ensaios de propagação de fendas em modo misto. Porém, os modos de propagação de fendas mais abordados no estudo de ligações coladas por adesivos são o modo I, o modo II e modo misto I/II. A Figura 2.1 representa esquematicamente os vários modos de solicitação dos provetes, mas na prática esses diferentes modos de solicitação são implementados usando diferentes tipos de provetes. O ensaio Double cantilever beam (DCB) é universalmente utilizado para ensaios em modo I, o

End Notched Flexure (ENF) é o mais aceite e utilizado para ensaios em modo II e Assimetric Double Cantilever Beam (ADCB) para ensaio em modo misto I/II (ver Figura 2.2). Para o

modo II destaca-se ainda o provete End Loaded Split (ELS) e para o modo misto I/II os provetes Mixed-Mode Flexure (MMF) e Mixed-Mode Bending (MMB).

Figura 2.1 – Provetes para caracterização da resistência à propagação de fendas em juntas coladas a) modo de carregamento I (tração); b) modo de carregamento II (corte); c) modo de carregamento III (rasgamento) e d)

modo de carregamento misto I/II.

Figura 2.2 – Ensaios comuns para determinação da resistência à propagação de fendas em juntas coladas: a) ensaio de um provete DCB; b) ensaio de um provete ENF; c) ensaio de um provete ADCB.

- 13 - Os provetes anteriormente referidos são muito comuns para a determinação das propriedades de fratura das juntas coladas, em particular as respetivas leis coesivas [2]. Estes tipos de provetes também são propostos para estudos de fadiga em juntas coladas, sendo especificamente utilizados para a determinação das taxas de propagação de fendas de fadiga, ou seja, são usados em estudos que negligenciam a fase de iniciação de fendas de fadiga. Este tipo de provetes não pretende representar juntas coladas reais pelo que a sua aplicação ao estudo de juntas coladas reais requer a aplicação de modelos numéricos/analíticos.

Um outro tipo de abordagem para o estudo do comportamento mecânico de juntas coladas passa pela utilização de combinações de geometrias de provetes/solicitações inspiradas em ligações típicas, em aplicações com interesse prático na indústria. Essas juntas coladas são diversas. Na Figura 2.3 estão representados alguns dos principais tipos de juntas estudadas na literatura. Estes tipos de juntas coladas são usados quer para estudos de resistência estática quer para estudos de resistência à fadiga. Os estudos de resistência à fadiga com base neste tipo de juntas incidem no estudo da vida total da ligação, incluindo a fase de iniciação e de propagação das fendas de fadiga.

Butterfly joint

(Junta Borboleta)

Reverse-bent Joint

Double Lap Joint (DLJ)

(Junta de sobreposição dupla)

Scarf joints

(Junta topo a topo com diferentes ângulos)

Stepped Lap Joint

(junta em degrau)

Wavy Lap Joint

Single Lap Joint (SLJ)

(Junta de sobreposição simples)

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De um modo geral, pode-se afirmar que os estudos de fadiga em juntas coladas envolvem, por um lado, estudos de propagação de fendas de fadiga ao longo da junta adesiva. Por outro lado, estes estudos envolvem a determinação da vida total à fadiga de ligações coladas.

Os estudos de fadiga em juntas coladas procuram investigar a influência de vários fatores no comportamento à fadiga das ligações coladas. Entre os vários fatores considerados nesses estudos destacam-se:

- Fatores geométricos;

- Materiais, incluindo variações nos substratos e adesivos; - Solicitações, incluindo solicitações de amplitude variável; - Preparação das superfícies e cura dos adesivos;

- Mecanismos de dano por fadiga (iniciação vs. propagação de fendas)

Nas subsecções que se seguem são apresentados alguns trabalhos que envolveram estudos de fadiga incidindo em cada um dos fatores referidos.

2.2.1 Influência de fatores geométricos no comportamento à fadiga de

juntas coladas

Os fatores geométricos das juntas adesivas apresentam um papel importante no comportamento mecânico das mesmas. Existem aspetos geométricos que podem influenciar de forma determinante a resistência à fadiga de uma ligação. Em vários estudos publicados foram investigados diferentes tipos de ligações e feitas comparações entre eles, de modo a obter-se um aumento de vida à fadiga.

A geometria de uma junta colada topo a topo (scarf joint) foi estudada com diferentes ângulos de colagem, o que permitiu concluir que a resistência à fadiga aumenta significativamente com o acréscimo do ângulo de colagem dos topos [3]. Também se verificou uma mudança no modo de rotura com a variação do angulo da junta. Em particular,

- 15 - verificou-se que o modo de rotura se altera de rotura adesiva para coesiva, com o crescimento do ângulo de colagem.

Na referência [4] foi estudado o comportamento à fadiga de provetes tipo butterfly tendo-se constatado que esta geometria apresentava melhor comportamento à fadiga do que provetes topo a topo testados nas mesmas condições. Numa outra investigação [5] foi proposta a geometria reverse-bent joint, alegando-se uma resistência à fadiga mais elevada do que a obtida com outros tipos de colagens, como a single lap joint. Na referência [6] são propostos os provetes Wavy lap joint em alternativa ao single lap joint (SLJ), como alternativas mais eficazes para resistir à fadiga. Com estas geometrias, reverse-bent joint e

Wavy lap joint, procura-se eliminar os efeitos prejudiciais resultantes dos esforços de flexão

que surgem em ligações excêntricas, como é o caso da single lap joint, que conduz a tensões significativas, normais à superfície da junta (peeling stresses).

Jen e Ko [7] realizaram um estudo com juntas SLJ, envolvendo substratos de liga de alumínio 5052-H32 e epóxido endurecido com poliaminas. Este estudo envolveu várias dimensões para o comprimento de sobreposição da junta e espessuras do adesivo. Deste estudo conclui-se que a resistência à fadiga da junta, expressa em função da tensão de corte média na junta, diminui com o aumento da espessura do adesivo, bem como com o aumento do comprimento de sobreposição, exceto neste último para espessuras de 0,5 mm (Figura 2.4). Conclui-se ainda no referido estudo que o principal modo de rotura por fadiga foi a falha por adesão entre o adesivo e o substrato.

Figura 2.4 - Relação entre a tensão de corte média máxima e a vida à fadiga para provetes SLJ com diferentes dimensões da junta [7].

- 16 -

O comportamento de juntas SLJ com substratos em materiais compósitos foi investigado sob ação de cargas estáticas e à fadiga por Mazumdar e Mallick [8]. Neste estudo conclui-se que a carga de rotura estática aumenta com o aumento de velocidade de aplicação da carga, sendo esta maior para uma espessura de adesivo de 0,33 mm e para o maior comprimento de sobreposição estudado. Em relação à fadiga, observou-se um ligeiro aumento da resistência da junta com o aumento do comprimento e da espessura de adesivo (dentro dos valores estudados). Neste estudo averiguou-se também a diferença do comportamento da ligação entre provetes secos e provetes previamente imersos em água durante 214 horas, concluindo-se que não existe variação na resposta destes tanto a cargas estáticas como à fadiga (Figura 2.5).

Figura 2.5 – Efeito da imersão em água no comportamento à fadiga para juntas SLJ com substratos em material compósito [8].

A espessura do adesivo das ligações coladas é um parâmetro geométrico muito abordado na literatura devido à influência comprovada deste no comportamento mecânico das ligações. Foi realizado um estudo em provetes DCB, em modo I, e em provetes ADCB, em modo misto - constituído por liga de alumínio 6061-T651 e epóxido -, onde se observou a diferença do comportamento quasi-estático/monotónico e à fadiga (taxas de propagação de fendas) para três espessuras distintas do adesivo, entre 0,13 e 0,78 mm [9,10]. Na Figura 2.6 apresenta-se as taxas de propagação de fendas de fadiga para as várias espessuras de adesivo verificando-se que a taxa de propagação de fendas por fadiga aumenta com a redução de espessura do adesivo. No entanto este efeito só é importante entre a espessura de 0,38 mm e 0,13 mm. Entre as espessuras de 0,38mm e 0,79 mm não se notou qualquer influência importante.

- 17 -

Figura 2.6 – Relação entre taxa de libertação de energia com a espessura do adesivo para o modo misto (ADCB) [9].

Figura 2.7 Representação logarítmica da relação do crescimento de fenda com a taxa de libertação de energia do provete DCB (a) e ADCB (b) em função da espessura do adesivo [9].

2.2.2 Influência dos materiais no comportamento à fadiga de juntas

adesivas

Os adesivos são continuamente estudados e modificados de modo a servirem os interesses atuais da indústria. Deste modo, adesivos à base de elastómeros têm vindo a ser, em muitos casos, adotados em substituição dos adesivos mais rígidos, a fim de se obter juntas com características melhoradas - por exemplo, uma maior resistência ao impacto. Os materiais envolvidos nas juntas adesivas influenciam de modo significativo a resistência à fadiga das ligações. Estes podem promover uma maior adesão aos substratos ou reforçar a coesão do adesivo. Defeitos no adesivo, por exemplo, são um bom ponto de partida para uma falha da ligação. Na referência [11] foi investigado o reforço do adesivo com fibras de vidro

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unidirecionais e pó de vidro em juntas SLJ de um compósito, tendo o tempo de vida das juntas aumentado em cerca de 125%.

Kumar e Pandey [12] fizeram um estudo baseado em simulações numéricas, de provetes SLJ de ligas de alumínio e adesivo FM73, considerando comportamentos não-lineares de material e geometria. Estes autores aplicaram a relação de Coffin-Manson modificada para juntas adesivas. Este modelo mostrou-se capaz de prever o comportamento da ligação a altos ciclos de fadiga desde que sejam conhecidas as propriedades de fadiga dos adesivos. Diversos estudos acerca da determinação das propriedades de fadiga dos materiais podem ser encontrados na literatura [13,14].

2.2.3 Influência das condições de carga no comportamento à fadiga de

juntas adesivas

A tipologia das cargas aplicadas, o nível e a multiaxialidade destas afeta diretamente a durabilidade de uma ligação colada. Crocombe [15] fez a análise da resposta de juntas coladas a vários tipos de cargas aplicadas: quasi-estáticas, fadiga, cargas por fluência e ambientais. Outra investigação propôs um método para estimar o limite de resistência à fadiga para juntas SLJ e DLJ quando sujeitas a modo misto [16,17].

Gomatam e Sancaktar [18] estudaram os efeitos da frequência e forma dos carregamentos no comportamento à fadiga de juntas coladas. Observaram um efeito significativo da forma da onda do carregamento cíclico na resistência à fadiga. Afirmam que a redução da frequência do ciclo de carga reduz a resistência à fadiga das articulações. Outro estudo [19] analisou quatro configurações estruturais diferentes para o par substrato-epóxido. Avaliaram os efeitos da carga média e da frequência do ciclo de fadiga e observaram que a carga média tem uma influência significativa no comportamento à fadiga enquanto a frequência da carga é pouco relevante. Separando a vida à fadiga em duas partes distintas – iniciação de fenda e propagação de fenda – este estudo revela que o aparecimento de fenda surgiu mais tardiamente para uma diminuição da carga aplicada.

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2.2.4 Efeito do tratamento de superfície e condições de cura no

comportamento à fadiga de juntas adesivas

Um dos aspetos mais importantes para uma colagem eficiente é um bom tratamento das superfícies a colar. Considera-se uma superfície bem tratada aquela que tem uma rugosidade homogénea e limpa, sem lixo e/ou poeiras. Para não existir diferentes comportamentos na resposta às cargas de fadiga a rugosidade tem de ser uniforme por toda a superfície, o que pode ser feito por granalhagem ou ataque químico, por exemplo. Para existir uma adesão perfeita do adesivo ao substrato não deverá existir qualquer tipo de lixo ou poeiras neste, os quais promovem uma falha na adesão entre os dois materiais. Para limpar as superfícies é comum a utilização de acetona.

A rugosidade pode apresentar-se mais ou menos severa. Azari et al. [20] fizeram uma análise à energia necessária para iniciar a propagação de fendas por fadiga e no qual se conclui que esta é tanto maior quanto mais rugosa é a superfície de colagem, até um certo valor de rugosidade. A partir desse valor de rugosidade a energia necessária para iniciar a propagação da fenda diminui devido aos picos de tensões que se formam nas extremidades das rugosidades, defendem os autores.

Uma outra avaliação da resistência à fadiga em juntas SLJ, de alumínio e Araldite®, foi feita para cinco tipos de preparação de superfícies [21]. A resistência máxima à fadiga foi obtida com uma superfície preparada com ataque com ácido sulfúrico-bicromato de sódio. Neste estudo verifica-se que o dano por fadiga mais célere ocorre para rugosidades mais elevadas, as quais promovem picos de tensão nas extremidades das rugosidades e beneficiam uma falha de adesão do adesivo ao substrato. Com o objetivo de relacionar a espessura do adesivo com a resistência à fadiga na referência [21] fez-se ainda um estudo numérico em que se conclui que, para uma espessura de adesivo superior a 1 mm assiste-se a uma diminuição da resistência à fadiga.

Silva et al. [22] estudaram a influência do tratamento das superfícies dos substratos de liga de alumínio 6082 na resposta à fadiga por parte da ligação, tendo utilizado dois tipos de epóxidos: um muito duro e frágil e outro mais flexível e dúctil - AV138/HV998 e Araldite® 2015, respetivamente. Consideraram dois tipos de tratamento: superfície limpa com acetona e superfície com abrasão química. Concluíram que em caso de adesivos frágeis o tratamento superficial melhora a resistência da junta colada.

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Um outro estudo da resistência à fadiga em ligações coladas com diversos tipos de tratamento de superfície foi realizado por Gomatam e Sancaktar [23], no qual utilizaram técnicas de tratamento superficial químicas e físicas. Concluíram que o tratamento de superfícies tem um efeito significativo no comportamento à fadiga das juntas coladas.

2.2.5 Iniciação de fendas por fadiga em ligações coladas

O dano por fadiga desenvolve-se geralmente em duas fases distintas: incubação e iniciação de uma fenda macroscópica (1ª fase) e propagação da fenda macroscópica (2ª fase). Em função destas duas fases de evolução do dano de fadiga, é comum definir a vida total à fadiga como a soma da vida para iniciar a fenda e a vida para propagar a fenda. A primeira fase da vida à fadiga de ligações coladas sujeitas a carregamentos cíclicos é frequentemente desprezada pelos autores nos seus estudos de previsão de vida à fadiga. A razão principal deste facto deve-se à dificuldade que existe em detetar a fase de iniciação de uma fenda e em monitorizá-la. Os modelos de dano são a principal ferramenta utilizada para a previsão da iniciação de fenda, nos poucos trabalhos que abordam a iniciação de fenda por fadiga. Shenoy

et al. [24] propuseram um modelo em que a evolução do dano por fadiga numa ligação colada

é definida como uma função da lei de potência de uma deformação microplástica. Solana et

al. [25] utilizaram um modelo de dano elastoplástico para previsão da vida à fadiga de uma

junta colada de liga de alumínio 2024-T6 e epóxido FM-73M. Imanaka et al. [26] propuseram um modelo de dano para fadiga de longa duração com o qual previram a resistência à fadiga de juntas coladas sujeitas a vários esforços multiaxiais. Outro modelo de previsão da resistência residual à fadiga de uma junta colada, de liga de alumínio 7075-T6 e adesivo FM73M, depois de um período sujeita a cargas de fadiga, foi proposto por Shenoy [27].

Quaresimin e Ricotta [28] propuseram uma abordagem para previsão da vida à fadiga de juntas coladas com substratos em materiais compósitos baseada em duas fases: nucleação de fenda e propagação desta. A fase de nucleação de fenda foi estudada utilizando o fator de intensidade de tensão enquanto a fase de propagação foi analisada a partir da taxa de libertação de energia de deformação. Wahab et al. [29] estudaram a previsão da rotura de juntas DLJ. Desenvolveram um código que permite o cálculo de parâmetros de dano e a determinação do número de ciclos de carga necessários para a rotura do material.

- 21 - A evolução do dano devido a um carregamento cíclico aplicado em juntas de aço JISS55C, coladas topo a topo com epóxido Epikote®828, foi investigado por Imanaka et al. [30]. Estes autores desenvolveram um método baseado na mecânica do dano contínuo para determinar o tempo de vida da ligação colada, obtendo previsões que divergem muito pouco dos resultados dos ensaios experimentais. Outro estudo acerca da evolução de dano em juntas coladas foi realizado em duas partes, fazendo-se na primeira uma abordagem a provetes de epóxido em massa e na segunda uma abordagem a ligações SLJ onde as tensões são multiaxiais [31, 32]. Na Figura 2.8 é possível observar-se uma previsão excelente para a evolução de dano nas juntas SLJ quando sujeitas a diferentes níveis de carga de fadiga.

Figura 2.8 – Comparação entre valores experimentais e previsões com modelo de dano, para os vários níveis de carga [31].

Shenoy et al. [33] utilizaram a técnica de extensometria para medir as deformações em ligações SLJ, com aderentes em liga de alumínio 7075-T6 e adesivo FM73M. Procurando avaliar a vida à fadiga nestas ligações, foi considerada a seguinte decomposição do processo: iniciação de fenda, propagação lenta de fenda, propagação rápida de fenda e fratura final quasi-estática. Observaram que a iniciação de fenda é dominante para cargas mais baixas enquanto a propagação da fenda é dominante para cargas mais elevadas. Com este estudo apresentaram um modelo simples preditivo da vida à fadiga, com base na técnica de extensometria. Crocombe et al. [34] utilizaram esta mesma técnica para concluir que o tempo de iniciação de uma fenda numa ligação SLJ colada é cerca de cinquenta por cento da vida total à fadiga desta.

- 22 -

2.2.6 Propagação de fendas por fadiga em ligações coladas

O estudo da propagação de uma fenda de fadiga pode dividir-se em duas fases: uma fase em que se dá o aparecimento de uma fenda microscópica e consequente propagação estável desta e uma segunda fase onde ocorre a propagação instável da fenda até à rotura completa da ligação. A lei de Paris é uma relação muito utilizada nestes estudos para relacionar a taxa de crescimento de fenda com o fator de intensidade de tensões aplicado.

Moroni e Pirondi [35] realizaram um estudo de propagação de fendas por fadiga através de simulações numéricas em ABAQUS. Estes autores procuraram prever a propagação de fendas por fadiga em modo misto. Esta previsão faz-se associando diretamente o tamanho de fenda ao dano produzido na junta colada. Os autores defendem que os resultados obtidos nestas simulações são muito bons, aproximando-se dos resultados de métodos analíticos – Figura 2.9. Este estudo é mais desenvolvido noutros dois artigos dos mesmos autores [36, 37].

Figura 2.9 – Comparação dos resultados da previsão do crescimento de fenda em junta colada obtidos com método analítico e o modelo numérico [35].

Azari et al. [38] estudaram o crescimento de fenda e o tempo de vida de fadiga de um adesivo epóxido de elevada tenacidade sob carregamentos em modo I e modo misto. Utilizaram quatro variantes na colagem de substratos de liga de alumínio 6061-T651 e substratos de aço AISI 1018, com diferentes rugosidades superficiais e preparação de superfície. Estudaram provetes ADCB com vários ângulos de fase (representa diferentes mixicidades, ||=Arctan[Sqrt(GII/GI)]) entre 0 e 50º e concluíram que apenas em ângulos de