Ensaios mecânicos em materiais compósitos -...

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Silvestre T Pinho, Pedro P Camanho

Ensaios mecânicos em materiais compósitos

08 de Novembro de 2005

Aeronautics

08 de 08 de NovembroNovembro de 2005de 2005 22

Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.

Diferentes tipos de ensaios


Tenac.

Nas últimas duas aulas vimos…

• o que é a rotura (depende…)

• diferentes critérios e modelos

• camada � laminado � estrutura

• que ferramentas numéricas existem para aplicar critérios e modelos de rotura a componentes e estruturas

• exemplos de como aplicar alguns desses modelos


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Nesta aula vamos ver…

• como obtemos experimentalmente determinadas propriedades (elásticas, resistência, tenacidade, composição,…) necessárias para

• comparar e seleccionar materiais

• aplicar critérios e modelos de rotura

• algumas considerações práticas na realização de ensaios


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Objectivos

• Necessidade de recorrer à experimentação

• Exemplos concretos de ensaios mecânicos

• Vantagens de usar ensaios normalizados

• Aspectos a ter em atenção durante os ensaios


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Sumário da aula

• Introdução

• Diferentes tipos de ensaios:

� Composição de um compósito

� Propriedades elásticas e resistência

� Tenacidade

• Notas gerais

• Conclusões


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Qual a necessidade de recorrer àexperimentação?

20mm10mm


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Objectivos de diferentes tipos de ensaios

• Determinar a composição do compósito

• Caracterizar o comportamento do compósito em regime elástico

• Determinar a resistência do compósito para diferentes modos de rotura

• Determinar a tenacidade do compósito para diferentes modos de rotura


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Determinar a composição do compósito

• Densidade: ASTM D792-91

• Fracção volúmica de fibras

• Métodos ópticos

• Dissolução da matriz em ácido: ASTM D3171-76


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

• Conteúdo de Vazios (CV): ASTM D2584-68

• Fabrico de qualidade: CV≤ 1%

• Humidade: comparação de peso antes e após secagem.

• Valores típicos em compósitos de matriz polimérica: 1 a 2%

Determinar a composição do compósito


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Tracção a 0º e 90º

20mm

10mm

Propriedades elásticas e resistência

CompCompóósitosito EndEnd tabtab

TracTracçção a 0ão a 0ºº TracTracçção a 90ão a 90ºº

ExtensExtensóómetrometro

FibrasFibras

FibrasFibras


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

• Normas: ASTM D3039/ ISO 527/ BS 2782/ CRAG 300-302

• Colagem de ‘end tabs’: deformação de rotura do adesivo superior à deformação de rotura do compósito e tensão de rotura ao corte do adesivo superior a 30 MPa.

• Propriedades obtidas: E1, E2, ν12, XT, YT.


p.p. eleláásticassticas resistênciaresistência



Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

• Extensómetros com fios previamente soldados e de elevada resistência eléctrica.

• Tentar assegurar um alinhamento correcto: 2º de erro no alinhamento leva a diferenças de aproximada-mente 15% nas propriedades medidas.

• Preparação da superfície e boa colagem: a deformação no extensómetro deve ser representativa da deformação no provete




Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

• ASTM D695 (não recomendada em compósitos de elevada resistência)

• ASTM D3410/ D3410M (1995)

• Fixação ‘Celanese’

• Fixação IITRI

• Fixação ICSTM

• Imperial College rig

•Compressão a 0º e 90º



Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.




Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

•Compressão a 0º e 90º (IC rig)


GuiasGuias

Parte Parte mmóóvelvel

Parte Parte fixafixa

Provete

Parafusos de

apertoContacto Contacto num snum sóópontoponto

Fio do Fio do extensextensóó--metrometro


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.



00ºº9090ºº

extensextensóómetrometro

Fibras

Fibras

FibrasFibras


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Compressão a 0º e 90º


Cuidados a ter:

• Transmissão da carga ao provete

• Evitar encurvadura


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

• Provete (±45º)8s: ASTM D3518

• Provete ‘off-axis’ 10º

• Iosipescu. ASTM D5379 (1993)

• Two-rail shear test. ASTM D4255 (1983)

• V-Notched. ASTM D7078 (2005)

Corte – diferentes testes



Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Corte: Iosipescu



Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Corte – teste (±45º)8s: ASTM D3518



Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.




Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.




Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.



• É necessária precaução na interpretação dos resultados: o comportamento não linear ao corte não é uma propriedade intrínseca da camada, mas depende do laminado onde a camada está inserida


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.




Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.




Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

• Os testes em flexão são necessários para determinar o módulo de elasticidade à flexão.

• Mas porque é que o módulo de elasticidade à flexão não é igual ao módulo de elasticidade à tracção?...

• …mesmo que o módulo de elasticidade àcompressão seja igual ao módulo de elasticidade à tracção?

Flexão



Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Considerando um laminado de carbono-epoxido (0º)4, os módulos de Young do laminado determinados utilizando um ensaio de tracção e flexão, ET1 (ET2) e EF1(EF2) respectivamente, são iguaisiguais:

ET1= EF1 =129 GPa;ET2= EF2 =9.5 GPa.

Flexão



Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Se o laminado tiver duas camadas ricas em resina (CRR) de 0.1 mm de espessura, (0º/CRR/0º)s, os módulos de Youngdeterminados utilizando um ensaio de tracção e flexão, ET1 (ET2) e EF1 (EF2) são diferentesdiferentes:

ET1= 93.86 GPa; EF1 = 101.93 GPa; ET2 = 8.75GPa; EF2= 8.92 GPa.

Flexão



Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Flexão: ASTM D790M/ BS 2782/ ISO 14125



Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Introdução

Tenacidade interlaminar

DelaminagemDelaminagem (crescimento de uma fissura (crescimento de uma fissura entre as camadas)entre as camadas)


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Introdução: Modo I


Modo I: existe uma abertura da fissuraModo I: existe uma abertura da fissura


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Introdução: Modo II


Modo II: existe um carregamento em corte da Modo II: existe um carregamento em corte da fissurafissura


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Introdução: Modo Misto I e II


Modo Misto I e II: existe Modo Misto I e II: existe umauma abertura e um abertura e um carregamento em corte da fissuracarregamento em corte da fissura


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Modo I



Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Modo I: DCB (Double Cantilever Beam): ASTM D5528-01-2002


P

P

A

ICG

A

U == PropertyMaterial

P

P

A

ICG

A

U == PropertyMaterial


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.




Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.




Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.



0.20.220.240.260.280.30.320.340.360.380.4

50 60 70 80 90 100 110 120 130a (mm)

GIC (kJ/m2)

DCB01 DCB02

DCB03 DCB04

DCB05

Average = 0.258 kJ/m2

Coef. of var. = 4.5%


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Modo II



Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Modo II: 4ENF



Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Modo II: 4ENF



Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Modo II: 4ENF



Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Modo II: 4ENF


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

20 40 60 80 100a (mm)

GIIC (kN/mm2)

4ENF01 4ENF02 4ENF03

4ENF04 4ENF05

Average = 1.108 kJ/m2

Coef. var. = 6.8%


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Modo Misto I e II



Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Modo Misto I e II: MMB (Mixed Mode Bending): ASTM D6671-01-2002



Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.




Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.




Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Modo I — Modo Misto I e II — Modo II


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

G II /G tot

G tot (kJ/m2)

Experimental (average)Experimental (one test)

2 Standard deviations


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Notas gerais

• Rubbish in � rubbish out

• Produção cuidada dos laminados para provetes

• Produção cuidada dos provetes

• Medição individual cuidada de cada provete

• Calibração dos equipamentos (egcélulas de carga)


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Notas gerais

• Better safe than sorry

• Registar todos os dados relativos aos testes realizados, bem como ao fabrico dos provetes(datas, temperaturas, equipamentos usados,…)

• Se possível e necessário, usar mais que um método para registar a mesma grandeza (egsistema fotogramétrico e óptico para registar um comprimento de fissura)

• Tentar prever o que pode correr mal, e

planear como resolver a situação antes que

ela aconteça, caso aconteça.


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Notas gerais





Exemplo: É frequente perderem-se os primeiros testes

• Os primeiros testes, até se ter a certeza de que tudo está controlado (aplicação de carga, sistemas de aquisição de dados), podem ser realizados com provetes falsos


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Notas gerais





Exemplo: Por vezes, os resultados depois de tratados não fazem sentido (eg porque havia um problema na calibração da máquina).

• Depois do primeiro teste (a sério): parar, fazer a redução de dados e verificar que os resultados obtidos fazem sentido. Especialmente se os testes envolvem partir os provetes. Porquê?


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Notas gerais





Exemplo: Alguns provetes podem ser danificados acidentalmente antes do teste

• fabricar mais provetes do que o mínimo que a norma aconselha

(A melhor forma de poupar tempo e dinheiro égarantir que só se faz cada coisa uma vez)


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Notas gerais

• Higiene e segurança

• Máscaras, óculos, botas de protecção, luvas e protecções para os ouvidos devem ser usados em determinadas circunstâncias

• Todos os equipamentos e laboratórios devem ter procedimentos de utilização, de trabalho e de segurança que devem ser conhecidos e respeitados

• Vale a pena ficar sem um dedo por falta de planeamento ou organização? Seguros…


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Notas gerais

• Significância dos resultados obtidos

• Variabilidade das propriedades materiais implica que vários testes (em geral ≥5, mas depende do tipo de teste) sejam necessários para caracterizar cada propriedade

• Se possível, usar ensaios normalizados. Porquê?

• Se possível, usar equipamento certificado. Porquê?


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Recapitulação

• Necessidade de recorrer à experimentação

• Diferentes tipos de testes para a caracterização da composição, das propriedades elásticas, da resistência e da tenacidade

• Considerações práticas sobre a realização de testes


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Conclusões

• A composição, as propriedades elásticas e a tenacidade de um material compósito podem ser determinadas usando ensaios mecânicos normalizados

• O procedimento a seguir para preparar e ensaiar os provetes, bem como o processo de redução de dados é explicado em cada norma

• Para além do procedimento indicado na norma, outros procedimentos específicos do laboratório onde o trabalho é executado devem ser também respeitados


Notas gerais

Introdução

Comp.

Conclusões

P. elás.

resist.



Tenac.

Apontamentos

• Esta apresentação, bem como outras notas, encontram-se em:

http://www.fe.up.pt/~stpinho

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