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importante conhecer as propriedades qumicas e fsicas dos diferentes materiais
envolvidos; mais especificamente as propriedades das interfaces dos constituintes
dos compsitos.
Muitas das nossas tecnologias modernas requerem materiais com combinaes
bem peculiares de propriedades que no podem ser atendidas por ligas metlicas,
cermicas e materiais polimricos, so exemplos de tecnologias indispensveis
em aplicaes aeroespaciais, subaquticas e de transporte.
Principalmente na ltima dcada, a busca por materiais ecologicamente corretos
tem desenvolvido materiais de matrizes polimricas com fibras naturais. A princpio
as fibras naturais apresentaram poucas vantagens, pois geralmente s
propriedades mecnicas so pioradas ou se mantm quase inalteradas. Contudo,
o apelo comercial venceu em vista dos baixos custos destas fibras, que so
originrias de fontes renovveis e inesgotveis, por possurem baixa densidade,
menor abraso causada nas mquinas de processamento e tambm por terem a
capacidade de boa adeso matriz e o uso destas fibras em compsitos
estruturais tem crescido no setor industrial.
Tipos de Compositos
Compsitos Reforados com Partculas
Compsitos com partculas grandes e compsitos reforados por disperso so
duas subclassificaes de compsitos reforados com partculas. A distino entre
essas classificaes se baseia no mecanismo de reforo e aumento de resistncia
mecnica. O termo "grande" usado para indicar que as interaes partcula-
matriz no podem ser tratadas em nveis atmicos ou moleculares; em vez disso,
a mecnica do contnuo deve ser empregada.
Para muitos destes compsitos, a fase particulada mais dura e rgida do que a
matriz. Estas partculas de reforo tendem a restringir o movimento da fase matriz
na vizinhana de cada partcula. Em essncia, a matriz transfere alguma tenso
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aplicada s partculas, que suportam uma frao da carga. O grau de reforo ou
melhoria do comportamento mecnico depende da forte ligao na interface
matriz-partcula.
Compsitos com Partculas Grandes
Tipos comuns de compsitos de partculas grandes so materiais polimricos aos
quais enchedores foram adicionados e o concreto, composto de cimento (a matriz)
e areia e cascalho (os particulados).
Partculas podem ter uma boa variedade de geometrias, mas elas devem possuir
aproximadamente a mesma dimenso em todas as direes e ser pequenas e
igualmente distribudas atravs de toda a matriz. Alm disso, a frao de volume
das duas fases influencia o comportamento, as propriedades mecnicas so
melhoradas com o aumento do teor de particulados. Duas expresses
matemticas tm sido formuladas para a dependncia do mdulo elstico sobre a
frao de volume das fases constituintes para um compsito bifsico. Estas
equaes de regra de mistura prevm que o mdulo elsticodeveria cair entre um
limite superior representado por
Ec = EmVm + EpVp
e um limite infeior
Ec = (EmEp) / (VmEp + VpEm)
Nestas expresses, E e V denotam o mdulo elstico e a frao volumtrica,
respectivamente, enquanto que os subscritos c, m e p representam as fases
compsito, matriz e particulado. Observam-se as curvas dos limites superior e
inferior Ec versus Vp para um compsito cobretungstnio, no qual tungstnio a
fase particulado; pontos de dados experimentais caem entre as duas curvas.
Limite superior nio (%vol)
Limite inferior tungstnio (%vol)
Mdulo de elasticidade (106 psi)
Mdulo de elasticidade (GPa)
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Concentrao de tungstnio (%vol)
Compsitos de partcula grande so utilizados com todos os trs tipos de materiais
metais, polmeros e cermicas.
Os cermetos so exemplos de compsitos cermica-metal. Estes compsitos so
utilizados extensivamente como ferramentas de corte de aos duros. A tenacidade
melhorada pela sua incluso na matriz do metal dctil, que isola as partculas de
cermica entre si e previne a propagao de trincas. As fases tanto matriz quanto
particulada so bastante refratrias, para suportar as altas temperaturas geradas
pela ao de corte sobre materiais que so extremamente duros.
Tanto elastmeros quanto plsticos so frequentemente reforados com vrios
materiais particulados. A aplicao muitas das borrachas modernas seria
gravemente restringida sem particulados de reforo, tais como negro de fumo.
Estes particulados consistem de partculas muito finas e essencialmente esfricas
de carbono, produzidas pela combusto de gs natural ou leo em atmosfera que
tem suprimento de ar limitado. Quando adicionado a borrachas vulcanizadas, este
material extremamente barato melhora a resistncia trao, tenacidade e
resistncias ao rasgamento e abraso.
Concreto: um compsito comum de partcula grande no qual as fases tanto
matriz quanto dispersa so materiais cermicos. Trata-se de um material
compsito formado por partculas agregadas que so interligadas num corpo
slido por algum tipo de meio ligante, isto , um cimento. Os dois tipos de
concretos mais familiares so aqueles feitos com cimentos portland e asfltico,
onde o agregado cascalho e areia. Concreto asfltico largamente usado
principalmente como um material de pavimentao, enquanto que o cimento
portland empregado extensivamente como um material estrutural de construo
civil.
Concreto de cimento Portland: Os ingredientes para este concreto so cimento
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portland, um agregado fino (areia), um agregado grosso (cascalho ou saibro) e
gua. As partculas do agregado agem como um material de enchimento (carga)
para reduzir o custo global do produto concreto uma vez que estes so baratos,
enquanto que o cimento relativamente caro. Para encontrar a resistncia tima
de uma mistura de concreto, os ingredientes devem ser adicionados nas
propores corretas. Ligao completa entre o cimento e as partculas de
agregado depende da adio da correta quantidade de gua.
Concreto Armado: A resistncia mecnica do concreto de cimento portland pode
ser aumentada por meio de hastes, fios, barras ou telas de ao, que so
embutidas no concreto fresco e no curado. Assim, o reforo torna a estrutura
endurecida capaz de suportar maiores tenses de trao, compresso e
cisalhamento. Mesmo que trincas se desenvolvam no concreto, considervel
reforo mantido.
Compsitos Reforados por Disperso
Metais e ligas metlicas podem ter suas propriedades mecnicas melhoradas pela
uniforme disperso de finas partculas de um material muito duro e inerte. O
mecanismo de endurecimento envolve interaes entre as partculas e
discordncias dentro da matriz. O efeito de fortalecimento por disperso no to
pronunciado quando no endurecimento por precipitao; entretanto, o
fortalecimento obtido em elevadas temperaturas e para prolongados perodos de
tempo porque as partculas dispersas nesses compsitos no reagem com a fase
matriz.
Compsitos Reforados com Fibras
Aos compsitos cuja fase dispersa est na forma de uma fibra tem-se dado maior
relevncia atualmente. Os compsitos reforados com fibra conferem alta
resistncia mecnica e rigidez. Estas caractersticas esto expressas em termos
dos parmetros resistncia mecnica especfica e mdulo especfico, que
correspondem, respectivamente, s razes de resistncia mecnica para massa
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especfica e mdulo de elasticidade para massa especfica. Compsitos
reforados com fibra com altas resistncias mecnicas e mdulos de elasticidade
tem sido produzidos utilizando-se materiais de fibra e de matriz de baixas
densidades.
Influncia do Comprimento da Fibra
Um compsito reforado com fibras no tem suas caractersticas mecnicas em
funo unicamente das propriedades das fibras, mas tambm do grau no qual
uma carga aplicada transmitida s fibras pela fase matriz. Importante para a
extenso desta transmitncia de carga a magnitude da ligao interfacial entre
as fases fibra e matriz. Sob a aplicao de uma tenso, esta ligao fibra-matriz
cessa nas pontas das fibras.
Define-se um comprimento crtico de fibra que necessrio para o efetivo
fortalecimento e enrijecimento do material compsito. Este comprimento crtico lc
dependente do dimetro da fibra d e a sua resistncia mecnica (ou tenso) final
f e da resistncia mecnica da ligao fibra-matriz (ou limite de escoamento
cisalhante da matriz) c de acordo com expresso
lc=
Carga mxima aplicada
Observam-se abaixo alguns perfis tenso-posio para determinados
comprimentos (l) de fibra.
Tenso
Tenso
Tenso
Posio
Posio
Posio
Influncia da Orientao e da Concentrao das Fibras
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Destacam-se como fatores que tem significativa influncia sobre a resistncia
mecnica e outras propriedades de compsitos reforados por fibra: o arranjo ou
orientao das fibras, bem como sua concentrao e a distribuio. Com relao
orientao, h duas possibilidades, um alinhamento paralelo do eixo longitudinal
das fibras numa nica direo ou um alinhamento totalmente aleatrio. Fibras
contnuas esto normalmente alinhadas, enquanto que fibras descontnuas podem
ser alinhadas, aleatoriamente orientadas, ou parcialmente orientadas. Melhores
propriedades globais de compsito so obtidas quando a distribuio da fibra
uniforme. Apresentam-se abaixo.
Direo Longitudinal
Fibras descontnuas e orientadas aleatoriamente
Fibras descontnuas e alinhadas
Fibras contnuas e alinhadas
Direo Transversal
A Fase Fibra
Quando materiais frgeis, principalmente, o foco de estudo, uma importante
caracterstica que uma fibra de dimetro pequeno muito mais forte do que o
material volumoso. A possibilidade de ocorrncia de uma falha superficial crtica
que conduza fratura decresce com a diminuio do volume da amostra, o que
posso ser atenuado quando os compsitos so reforados por fibra, estas
conferem altas resistncias trao.
Filamentos ("whiskers"): so monocristais muito finos que tem razes
comprimento-dimetro extremamente grandes. Como uma consequncia de seu
pequeno tamanho, os filamentos possuem alto grau de perfeio cristalina e so
virtualmente isentos de falhas; isso explica suas elevadas resistncias mecnicas.
So os mais fortes materiais conhecidos. Estes filamentos no so utilizados
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extensivamente como um meio de reforo por serem extremamente caros. Alm
disso, nem sempre possvel incorporar filamentos numa matriz.
So exemplos de whiskers: grafita, carbeto de silcio, nitreto de silcio e xido de
alumnio.
Fibras: So tanto policristalinos quanto amorfos e tem pequenos dimetros.
Materiais fibrosos podem ser polmeros ou cermicas. Citam-se os polmeros
aramidas, vidro, carbono, boro, xido de alumnio e carbeto de silcio.
Fios: Estes tem dimetros relativamente grandes. Materiais tpicos empregam ao,
molibdnio e tungstnio. Fios so utilizados como reforo radial de ao em pneus
de automveis, carcaa de foguete reforada com enrolamento de filamento, e
mangueiras de alta presso de fio enrolado.
A Fase Matriz
Vrias funes imprescindveis so realizadas pela fase matriz de compsitos de
fibra. Destaca-se, sua capacidade de ligar as fibras entre si e age como o meio
pelo qual uma tenso localizada transmitida e distribuda s fibras, contudo, sua
resistncia mecnica aplicao de cargas extremamente baixa. Alm disso,
espera-se de um material matricial que este seja dctil. Outro pr-requisito o
mdulo elstico da fibra que deve ser muito maior do que o da matriz.
A segunda funo da matriz proteger as fibras individuais em relao aos danos
superficiais como um resultado da abraso mecnica ou reaes qumicas com o
ambiente. Tais interaes podem introduzir falhas (defeitos) superficiais capazes
de formar trincas, que podem conduzir falhas, mesmo sob baixos nveis de
tenso de trao.
Uma vez analisando a matriz separadamente das fibras, em virtude de sua relativa
maciez e plasticidade, previne-se a propagao de trincas frgeis de fibra para
fibra, que poderia resultar numa falha catastrfica, ou seja, a fase matriz serve
como uma barreira propagao de trinca.
A resistncia de ligao uma importante considerao na escolha da
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combinao matriz-fibra. O limite de resistncia ruptura do compsito depende
fortemente da magnitude desta ligao; adequada ligao essencial para
maximizar a transmisso da tenso da matriz fraca para as fibras fortes.
Materiais polimricos so empregados como materiais matrizes na maior
diversidade de aplicaes de compsitos, bem como nas maiores quantidades,
luz de suas propriedades e facilidade de fabricao. Os polmeros matrizes
comuns incluem quase todos os polmeros comerciais termoplsticos e
termorrgidos.
Compsitos com Matriz Polimrica
Fibra de vidro (fiberglass): este compsito de matriz polimrica constitudo de
fibras de vidro, tanto contnuas quanto descontnuas, contidas dentro de uma
matriz plstica; este tipo de compsito produzido em grandes escalas. Citam-se
como propriedades desse material: a sua facilidade de ser estirado na forma de
fibras de alta resistncia mecnica a partir do estado lquido (fundido);
disponibilidade de matria-prima barata; relativamente forte como fibra, e
quando embutido numa matriz de plstico, produz um compsito tendo uma muito
alta resistncia mecnica especfica; e possui inrcia qumica que torna o
compsito til numa variedade de ambientes de corroso.
Plsticos impregnados com fibras de carbono tambm formam compsitos
utilizados atualmente. Esse tipo de compsito tem excelente resistncia a
temperaturas e produtos qumicos corrosivos, porm, caro e tem apenas uma
limitada utilizao de fibras pequenas. A indstria aeronutica est correntemente
sintetizando compsitos reforados com carbono como componentes estruturais
de aeronaves como uma medida de reduo de massa.
Vrios plsticos impregnados com fibras de boro tm sido utilizados num certo
grau. Por exemplo, algumas lminas de rotor de helicptero so construdas
usando fibras de boro numa resina epoxi.
Outra revoluo na produo de compsitos so as fibras polimricas de aramidas
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de alta resistncia mecnica. Tem sido empregados em componentes estruturais
de baixo peso, tais como equipamentos aeroespaciais, aeronavais, marinhos e
esportivos.
Compsitos com Matriz Metlica
Visto que a grande dos metais so dcteis, estes podem tambm ser usados
como fase matriz em compsitos reforados por fibra. Contudo, apesar de existir
essa compatibilidade, sua aplicao limitada como matriz de compsitos.
Um nmero de compsitos de fibra contnua nos quais ligas de alumnio,
magnsio, cobre e titnio tem sido utilizadas, eventualmente, como a fase matriz,
que pode ser reforada com fibras de outros materiais.
Estes metais reforados com fibra podem ser utilizados em temperaturas maiores
do que os compsitos polimricos. Alm disso, altas resistncias mecnicas
especficas e altos mdulos especficos so possveis uma vez que as densidades
destes metais bsicos so relativamente baixas.
Esta combinao de propriedades torna estes materiais especialmente atrativos
para uso em algumas aplicaes aeroespaciais e aplicaes em novos motores.
As propriedades de fluncia e de ruptura em altas temperaturas de algumas
superligas (ligas base de Ni e Co) podem ser melhoradas pelo reforo com fibra
usando metais refratrios tais como tungstnio. tima resistncia oxidao sob
altas temperaturas e resistncia ao impacto tambm esto presentes. Projetos
incorporando estes compsitos permitem maiores temperaturas de operao e
melhores eficincias para motores a turbina.
Compsitos Hbridos
Compsitos reforados com fibras hbridos so obtidos utilizando-se dois ou mais
diferentes tipos de fibras numa nica matriz. Estes materiais tm uma melhor
combinao geral de propriedades do que compsitos contendo apenas um nico
tipo de fibra. Uma variedade de combinaes de fibras e materiais de matriz
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usada. Compsitos hbridos comuns so aqueles contendo fibras de vidro e
carbono. As fibras de carbono so fortes e relativamente rgidas e fornecem um
reforo de baixa densidade; entretanto, elas so caras. Fibras de vidro so baratas
e lhes falta a rigidez do carbono. O hbrido vidro-carbono forte e tenaz, tem
maior resistncia ao impacto e pode ser produzido num custo menor do que
qualquer um dos plsticos reforados com carbono ou com vidro. Neste tipo de
compsito hbrido, quando submetido tenso ou trao produz falhas
usualmente no catastrficas. As fibras de carbono so as primeiras a falharem,
quando ento a carga transferida s fibras de vidro. Na falha das fibras de vidro,
a fase matriz deve suportar a carga aplicada.
Aplicaes principais para compsitos hbridos so componentes estruturais de
transporte leve rodovirio, aqutico e areo, equipamentos esportivos, e
componentes ortopdicos leves.
Processamento de Compsitos Reforados com Fibras
Pultruso
Esta tcnica usada para a fabricao de componentes que possuem
comprimentos contnuos e uma forma com seo reta constante (hastes, tubos,
feixes). Impregna-se uma resina termorrgida nas fibras; estas so a seguir
puxadas atravs de uma matriz de ao da a forma desejada e tambm estabelece
a razo resina-fibra. O material passa, ento, atravs de uma matriz de cura que
usada com preciso de maneira a conferir a forma final; esta matriz tambm
aquecida a fim de iniciar a cura da matriz de resina. Um dispositivo de puxamento
estira o material atravs da matriz e tambm determina a velocidade de produo.
As principais fibras empregadas so fibras de vidro, carbono e de aramida e os
materiais de matriz incluem polisteres, steres vinlicos e resinas epoxis.
Observa-se o esquema abaixo.
Matriz de
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pr-conformao
Bobinas com fibras
Tanque de impregnao de resina
Puxadores
Matriz de cura
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS
Propriedades Qumicas
Resistncia Oxidao
a falta de afinidade do material em reagir com o oxignio , podendo inclusive
essa capacidade advir da formao de pelculas impermeveis ao oxignio , do
prprio material oxidado (passivao) ex : alumnio .
Resistncia Corroso
a capacidade de um determinado material de no reagir quimicamente com
elementos externos , preservando suas caractersticas originais .
Resistncia Radiao
a capacidade do material em no alterar sua estrutura interna devido
exposio aos diversos tipos de radiao, sendo os mais considerados em
engenharia "alfa", "beta" e "gama" .
Propriedades Fsicas
2.1 - Densidade
a quantidade de matria por unidade de volume. ex: g/cm3.
2.2 - Ponto de Fuso
a temperatura em que um determinado material, a uma determinada presso,
passa para o estado lquido.
2.3 - Condutividades Eltricas
a capacidade que um material tem de deixar passar por si uma determinada
quantidade de eltrons por unidade de seo transversal, devido a uma diferena
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de potencial eltrico, separados por uma distncia, por unidade de tempo. a
medida da habilidade dos eltrons de fluir atravs dos vazios atmicos do
material. Variveis que afetam a condutividade: composio qumica, quantidade
de impurezas, tratamento trmico, deslocamentos e defeitos de configurao da
estrutura cristalina, temperatura, descontinuidade.
2.4 - Permeabilidades Magnticas
o alinhamento dos domnios magnticos, que a capacidade de um material de
conduzir linhas de fluxo magntico e expressa pela razo da densidade de fluxo
pela fora da bobina de teste. Substncia magntica a substncia que tem seus
ims elementares orientados em uma mesma direo e sentido.
Ponto Vtreo
o ponto de transio de fases dos materiais no cristalinos que so resfriados
em um ponto no qual a agitao trmica no suficiente para permitir o rearranjo
das molculas num empacotamento mais eficaz, no podendo responder
prontamente a foras externas aplicadas. A temperatura de transio vtrea (Tg)
geralmente definida como a temperatura abaixo da qual o movimento das cadeias
est paralisado. Diversas propriedades como o volume especfico, condutividade
trmica, resistncia ao impacto, densidade, tem sua variao com a temperatura
abruptamente alterada nas proximidades de Tg.
2.6 - Condutividades Trmicas
a capacidade que um material tem de deixar passar por si uma determinada
quantidade de calor, por unidade de rea de seo transversal, devido a uma
diferena de temperatura, separadas por uma distncia em uma unidade de
tempo. Expanso Trmica: o valor com que um material varia suas dimenses
devido uma variao de temperatura .
Propriedades Acsticas
o comportamento dos materiais na formao, propagao e propriedades dos
sons (ondas mecnicas).
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Propriedades pticas
o comportamento dos materiais na formao, propagao e propriedades da luz
(ondas eletromagnticas). Translucidez: o % da quantidade de luz incidente
sobre um material que consegue atravess-lo por unidade de espessura.
Propriedades Mecnicas
Resistncia Mecnica Fora
Limite de Escoamento
a propriedade dos corpos de voltarem forma inicial aps a retirada da carga.
o valor mximo da tenso, para o qual descarrega a amostra e no se verifica
deformao permanente, ou seja o corpo volta sua forma original.
O Limite Elstico, de Elasticidade, ou de Escoamento (LE), est entre a
deformao elstica e a deformao plstica. O Escoamento caracteriza-se por
uma deformao permanente do material sem que haja aumento de carga. Em
outras palavras, Limite de escoamento (yield strength) => define a transio entre
regio elstica e plstica => tenso que, liberada, gera uma deformao residual
de 0.2%.
Materiais perfeitamente elsticos, recuperam completamente sua forma original,
depois da retirada da carga. Enquanto que em materiais parcialmente elsticos, a
deformao produzida pelas foras exteriores no desaparece completamente
aps a retirada da carga.
Limite de Resistncia (LRE)
Resistncia - a propriedade dos metais de absorverem energia.
a maior tenso que o material suporta. Caracterstica, muito usada para
especificar materiais, embora tenha pouca significao para materiais dcteis.
Materiais mais resistentes, tm altos limites de escoamento.
Limite de resistncia (tensile strength) => tenso mxima na curva de engenharia.
Limite de Fratura
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o limite onde ocorre a separao de um slido sob tenso em duas ou mais
partes. O processo de fratura normalmente sbito e catastrfico, podendo gerar
grandes acidentes. Envolve duas etapas; formao de trinca e propagao.
Nos materiais metlicos, pode assumir dois modos: dctil e frgil.
Fratura dctil
O material se deforma substancialmente antes de fraturar. O processo se
desenvolve de forma relativamente lenta medida que a trinca propaga. Este tipo
de trinca denominado estvel porque ela para de se propagar a menos que haja
um aumento da tenso aplicada no material (caracterizam-se pela aparncia
fibrosa).
Fratura frgil
O material se deforma pouco, antes de fraturar. O processo de propagao de
trinca pode ser muito veloz, gerando situaes catastrficas. A partir de um certo
ponto, a trinca dita instvel porque se propagar mesmo sem aumento da
tenso aplicada sobre o material (caracterizam-se pelo aspecto cristalino).
Degradao Fsica
So a destituio das caractersticas fsicas de um material com base na sua
resposta as agresses externas submetidas (temperatura, umidade, etc.).
Resistncia Mecnica Condio de uso
Tenacidade Fratura
(Toughness) Propriedade dos materiais de resistirem a esforos e ao mesmo
tempo absorver energia mecnica at a fratura, ou seja, sem se romperem
(Regio Plstica). a rea sob a curva at a fratura, no grfico de Tenso x
Deformao. Propriedade que normalmente medida pelo ensaio de Charpy.
A tenacidade diretamente proporcional resistncia dos materiais e
ductilidade, ou seja quanto maior a resistncia e a ductilidade, maior a
tenacidade.
A energia absorvida antes da fratura, uma combinao de resistncia e
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ductilidade.
Materiais frgeis, tm maior limite de escoamento e maior limite de resistncia, no
entanto, tem menor Tenacidade devido falta de Ductilidade, conseqentemente,
a rea sob a curva correspondente nestes materiais bem menor.
Resistncia Fadiga
a resistncia dos materiais cargas cclicas (oscilantes e alternadas). A falha
por fadiga do tipo frgil e pode ocorrer a nveis de tenso substancialmente mais
baixo do que o limite de resistncia do material (iniciado atravs de uma
microtrinca).
A fadiga responsvel pela maioria das falhas de metais, afetando tambm
polmeros e cermicas. Ocorre subitamente e sem aviso prvio.
Fatores que afetam a vida de fadiga:
Nvel mdio de tenso:
Quanto maior o valor mdio da tenso, menor a vida.
Efeitos de superfcie:
A maior parte das trincas que iniciam o processo de falha se origina na superfcie
do material. Isto implica que as condies da superfcie afetam fortemente a vida
de fadiga.
Projeto da superfcie: evitar cantos vivos.
Resistncia ao Cisalhamento
No cisalhamento, a fora aplicada ao corpo na direo perpendicular ao seu eixo
longitudinal. Esta fora cortante, aplicada no plano da seo transversal (plano de
tenso), provoca o cisalhamento. Resistncia ao cisalhamento a reao ao
esforo cortante, que cada material desenvolve em cada um dos pontos de sua
seo transversal.
Resistncia a Flexo Trao
a resistncia mecnica usada para fins de projeto. a tenso nominal mxima
do diagrama tenso- deformao no regime elstico de um ensaio de trao
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uniaxial ou flexo pura.
Resistncia Fluncia
A fluncia a deformao plstica que ocorre num material, sob tenso constante
ou quase constante, em funo do tempo. A temperatura tem um papel
importantssimo nesse fenmeno. A fluncia ocorre devido movimentao de
falhas, que sempre existem na estrutura cristalina dos metais.
Rigidez
Na fase elstica, se dividirmos a tenso pela deformao, em qualquer ponto,
obteremos sempre um valor constante, ou Mdulo de Elasticidade (E). Quanto
maior for o mdulo, menor ser a deformao elstica resultante da aplicao de
uma tenso e mais rgida ser o material. Portanto o mdulo de elasticidade mede
a rigidez do material
Dureza
Propriedade dos materiais de resistir penetrao, ou seja, a resistncia da
superfcie do material penetrao (mecnica); resistncia deformao plstica
(metalurgia); resistncia ao risco (mineralogia); resistncia ao desgaste
tratamento trmico (projetista); resistncia ao corte (usinagem) . A dureza do
material determinada de acordo com o tipo de ensaio que feito no material,
podendo ser expressa em Mohs (por risco), Brinell (esfera de ao), Vickers
(pirmide de diamante), Rockwell (cone de diamante e esfera de ao) e Shore.
Ductibilidade
Ductilidade a deformao plstica total at o ponto imediatamente antes da
ruptura.
A Ductilidade a medida da deformabilidade do material, medida atravs da
estrico (reduo da rea), ou pela porcentagem de alongamento, podendo ser
considerada como a capacidade do material em deformar-se plasticamente sem
se romper.
Quanto maior a percentagem da estrico, mais dctil o metal. Nos materiais
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dcteis, a ruptura anunciada por intermdio de grandes deformaes (ao, Al).
Enquanto nos materiais frgeis a ruptura ocorre com deformaes prximo a zero
(vidro, ff, etc.).
A ductilidade dos materiais funo da temperatura e da presena de impurezas.
Materiais dcteis se tornam frgeis a temperaturas mais baixas. Isto pode gerar
situaes desastrosas caso a temperatura de teste do material no corresponda
temperatura efetiva de trabalho.
Propriedades de Fabricao
Tolerncia Dimensional
Variao, dentro de certos limites, para mais ou para menos, nas medidas das
peas, sem que isto prejudique a qualidade. Esses desvios aceitveis nas
medidas das peas caracterizam o que chamamos de tolerncia dimensional. As
tolerncias vm indicadas, nos desenhos tcnicos, por valores e smbolos
apropriados (tolerncia das formas).
Vida til
Entende-se por vida til o prazo decorrido desde a fabricao do produto at o
momento em que ainda se apresente com seus componentes em condies de
desempenharem suas funes adequadamente.
Moldabilidade (Conformabilidade)
a capacidade de o material ser deformado sem apresentar rupturas.
Complexibilidade
Qualidade que abrange ou encerra muitos elementos ou partes dos produtos
industriais, observvel sob diferentes aspectos.
Rugosidades Superficiais
Medida da aspereza (ou grau de acabamento) de uma superfcie. A aspereza
representada por irregularidades tendo pequenas amplitudes no sentido
longitudinal do trabalho, devidas s aes da ferramenta, como arestas cortantes
mal afiadas, gros de rebolo, avanos da ferramenta errada.
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Esttica
Com linhas, reas e volumes se faz a arte das formas. Esttica o estudo da arte,
que tem a forma como portadora da expresso artstica, estudada na
apresentao dos produtos industriais.
Dimenso
Extenso em qualquer sentido. Grandeza que, associada a outras, define um
espao: medida, tamanho e volume (altura, largura e comprimento).
Forma
So linhas, reas e volumes, o aspecto adquirido pelos objetos, em
conseqncia da distribuio de suas partes no espao. Este o sentido primeiro
da forma, a partir do qual se desenvolveu para apresentao dos produtos
industriais. Ex.: barras, chapas, tubos, tarugos, lminas, tiras etc.
Propriedades de Estrutura
Gros
Um conjunto de clulas unitrias formam o cristal com contornos geomtricos, o
qual, ao adquirir os contornos irregulares, devido aos pontos de contato de cada
conjunto, passa a chamar-se gro. Esses gros so ligados entre si por uma
pelcula que no mais considerada cristalina.
Fases
Fase uma poro homognea do material que tem propriedades fsicas e
qumicas uniformes, ex.: perlita (ferrita + cementita), solda branca (alfa e beta) etc.
Diagrama de fases so mapas que permitem prever a microestruturas de um
material em funo da temperatura e composio de cada componente. Durante o
resfriamento, ocorrem mudanas nas posies das fases.
Deslocaes (Discordncias)
So defeitos lineares. Existe uma linha separando a seo perfeita, da seo
deformada do material. So responsveis pelo comportamento mecnico dos
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materiais quando submetido ao cisalhamento. As discordncias reduzem a tenso
necessria para cisalhamento (rompimento das ligaes atmicas no plano de
deslizamento). Existem dois tipos fundamentais de discordncias: Em linha (edge
dislocation) e em hlice (screw dislocation).
As discordncias influenciam na deformao plstica do material.
Cristalinidade
possvel formar uma rede cristalina com polmeros. No entanto, devido
complexidade das molculas, raramente o material ser totalmente cristalino.
Regies cristalinas esto dispersas dentro da parte amorfa do material. O grau de
cristalinidade depende: da taxa de resfriamento na solidificao, da complexidade
qumica, da configurao da macro-molcula.
Arranjo Atmico / Redes Cristalinas
Muitos materiais metais, algumas cermicas, alguns polmeros ao se
solidificarem, se organizam numa rede geomtrica 3D: a rede cristalina (conjunto
de clulas unitrias). Existem 7 tipos de clulas unitrias ( cbica, tetragonal,
ortorrmbica, rombodrica, hexagonal, monoclnica e triclnica). Os
posicionamentos dos tomos dentro destas entidades geomtricas (clulas
unitrias) formam 14 redes cristalinas.
Propriedades de Reciclagem
Reciclabilidade
a caracterstica dos materiais de com o tempo, ou com emprego de alta
tecnologia ou emprego de tcnicas, serem re-introduzido no ciclo de produo
econmica ou nos recursos da terra e energia, ao mesmo tempo em que no
agride o meio ambiente (preserva-o).
Processo de fabricao
Muitas peas ou estruturas em material composto so geralmente produzidas por
uma composio de lminas sucessivas, chamadas de estruturas estratificadas.
Os processos de fabricao so inmeros e devem ser selecionadas segundo
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requisitos como: dimenses, forma, qualidade, produtividade (capacidade de
produo), etc.
Processos de Obtenso
Moldagem sem presso
O molde primeiramente revestido de um desmoldante e posteriormente de uma
resina colorida. A seguir as fibras so depositadas sobre o molde e em seguida
impregnadas com resina e compactadas com um rolo. O processo se segue para
as lminas sucessivas, Figura 1.11. A polimerizao (solidificao) ou cura da
resina pode ser feita com ou sem o molde, isto em funo da geometria da pea. A
cura da resina pode ser feita em temperatura ambiente ou ser acelerada se
colocada em uma estufa a uma temperatura entre 80 C e 120 C. Aps a cura da
resina e a desmoldagem, a pea finalizada: retirada de rebarbas, pintura, etc.
Moldagem por projeo simultnea
Este processo consiste em projetar simultaneamente fibras cortadas impregnadas
em resina sobre o molde. A lmina de fibras impregnadas em seguida
compactada por um rolo e novas lminas podem ser sucessivamente depositadas,
Figura 1.12. Um contra-molde pode eventualmente ser utilizado para a obteno
de faces lisas e para proporcionar uma melhor compactao entre as lminas. A
vantagem deste processo com relao ao anterior permitir uma produo em
srie das peas, no entanto, as caractersticas mecnicas das peas so mdias
devido ao fato das fibras serem cortadas.
Moldagem a vcuo
Neste processo as fibras podem ser colocadas manualmente como na moldagem
sem presso, ou automaticamente por projeo simultnea. Neste caso um
contra- molde e uma bomba a vcuo so utilizados para permitir uma melhor
compactao e evitar a formao de bolhas.
Moldagem por compreenso a frio
Neste processo a resina injetada sob presso no espao entre o molde e o
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contra-molde. A cura pode ser feita a temperatura ambiente ou em uma estufa. H
casos onde o molde e o contra-molde so aquecidos, sendo este processo
chamado de compresso a quente. Neste caso a cura da resina feita no prprio
molde.
Moldagem por injeo
O processo por injeo consiste em injetar as fibras impregnadas a partir de um
parafuso sem fim no molde aquecido.
Moldagem em continuo
Este processo permite produzir placas e painis de grande comprimento. As fibras
(unidirecionais, tecidos ou esteira) juntamente com a resina so depositadas entre
dois filmes desmoldantes. A forma da placa e a cura da resina so dadas dentro
da estufa.
Moldagem por centrifugao
Este processo utilizado na produo de peas de revoluo. Dentro do molde
em movimento de rotao injetado as fibras cortadas juntamente com a resina. A
impregnao da resina nas fibras e a compactao feita pelo efeito de
centrifugao. A cura da resina pode ser feita a temperatura ambiente ou em uma
estufa. Este processo utilizado em casos onde no se exige homogeneidade das
propriedades mecnicas da pea.
Outros processos de fabricao de peas de revoluo podem ser empregados
quando se exige homogeneidade das propriedades mecnicas da pea. Nestes
processos fibras so enroladas (bobinadas) sobre um mandril que dar a forma
final da pea. Este processo permite a fabricao industrial de tubos de diversos
dimetros e grandes comprimentos de alta performance.
Para atender a estas necessidades de projeto, o bobinamento das fibras pode ser
feito da seguinte maneira: bobinamento circunferencial, bobinamento helicoidal e o
bobinamento polar.
Estudos de Casos
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So inmeras as aplicaes reservadas aos materiais compostos, onde se pode
destacar os seguintes setores:
Automobilstica: pains , encaixe de faris, pra-choques, carrocerias, etc.
Aeronutica: hlices de helicpteros, aeronave, trem de pouso, etc.
Nutica: casco de barcos, pains, mastros, bias de sinalizao, etc.
Qumica: tubos, tanques de alta presso, conteiners para armazenamento de
produtos corrosivos, etc.
Eltrica: suportes de cabos eltricos, painis, isolantes, chaves de comando,
postes de alta tenso, etc.
Esportiva: itens de piscina, esquis, tacos de golfe, raquetes de tnis, etc.
Mveis e Equipamentos de uso geral: cadeiras, mesas, escada de mo, carcaa,
cabines telefnicas, esquadrias de janelas, pisos, revestimento para parede, etc.
Mdica: prtese, adesivos, fios, etc.
Outros: pontes, caixas dgua, plataforma de petrleo, etc.
Referncias
http://www.fapepi.pi.gov.br/novafapepi/ciencia/documentos/CompositosMoitaeCleid
e.PDF
CALLISTER, W. D., Jr. Cincia e Engenharia de Materiais: uma Introduo. 7
Edio. Rio de Janeiro: LTC, 2008.
Gay, Daniel, Matriaux Composites, Herms, Paris, 1991.
Berthelot, J.-M., Matriaux Composites, Comportement et analyse des structures,
Masson, Paris, 1992.
Tsai, S. W., Hahn, H. T., Introduction to Composite Materials, Technomic
Publishing
Co., Inc., 1980
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