Os materiais compósitos necessitam de diversos padrões para testá-los com reprodutibilidade e repetibilidade adequadas. Porém, por serem feitos de compostos diversos, apresentam uma gama bastante ampla em suas características e propriedades em relação aos metais. Estes mudam de acordo com dois aspectos, o processo e a disposição. Por exemplo, peças feitas de metal por fundição e usinagem apresentam algumas propriedades comuns. Pelo contrário, os componentes fabricados por moldagem por compressão, RTM ou autoclave apresentam propriedades significativamente diferentes. Se forem feitos exclusivamente por um desses processos de fabricação, mas com uma disposição diferente, então são materiais e componentes completamente diferentes. Conseqüentemente, os procedimentos e padrões de teste são importantes para determinar o comportamento do material e esclarecer qualquer característica oculta do material.

Plano de teste

Como os materiais compósitos são complexos, os procedimentos de teste e seus resultados também são difíceis de planejar. Na verdade, estes são baseados na escala de comprimento desejada. Isto para materiais compósitos, são cinco, a estrutura, o laminado, a lâmina, o constituinte e a microescala. Idealmente, todas essas escalas deveriam ser consideradas, mas esse valor é limitado por dois fatores importantes: custo e resultados. Que normalmente são muito bem definidos no início do processo de design. Portanto, a abordagem do Building Block é adotada. Seu objetivo é definir o nível do teste e os resultados desejados. Na verdade, nem todos os níveis de teste são padronizados, aqueles que se aprofundam nas propriedades do material são mais experimentais. Por exemplo, um exemplo de teste em escala estrutural são as asas da aeronave. Requer um grande equipamento e um site dedicado apenas a isso. Além disso, é possível visualizar a deformação da asa, que normalmente é uma característica de um ensaio a nível estrutural. No projeto de carros de corrida, os materiais compósitos são testados com foco na absorção de impacto. Portanto, propriedades como resistência e rigidez recebem mais atenção. A teoria clássica da laminação (CLT) é usada para prever o comportamento do material, que em relação a um monocoque é a sua atenuação de impacto.

Como nem todos os casos possuem um teste padrão adequado, a escala do plano de testes é definida de acordo com a situação. Normalmente, no projeto de carros de corrida, os testes são realizados no nível do laminado, pois a delaminação é um problema que ocorre nesse nível. Como a complexidade de um material compósito é alta, o teste geralmente é realizado em uma única camada de um laminado unidirecional. Em seguida, o resultado do teste é multiplicado pela quantidade de camadas. Outro aspecto importante que definiu o nível do teste é o processo de fabricação. Por exemplo, a estratificação da fita pré-impregnada, a moldagem por transferência de resina (RTM), a moldagem por compressão e a termoformação são testadas no nível da camada, enquanto o enrolamento do filamento e a pultrusão são testados no nível do laminado.

Representatividade do Teste

Os testes devem ser representativos de um lote inteiro, então há uma quantidade adequada de experimentos para fornecer uma média robusta e um desvio padrão. Normalmente, cerca de 5 a 6 testes são o mínimo para obter resultados confiáveis. Outro detalhe muito importante em relação à representação do teste é a quantidade de lotes de corpos de prova. As amostras são feitas de materiais compósitos, portanto fibras e matriz. Cada um deles possui média e desvio padrão próprios, portanto podem ter um impacto significativo nos níveis se for considerado apenas um lote. Por esta razão, são levados para avaliação 5 lotes diferentes de fibras e matriz. Em seguida, a média e o desvio padrão destes compostos são distribuídos para contabilizar as melhores propriedades de fibra e matriz de todos os lotes. Na verdade, isto não torna as propriedades da amostra repetíveis, mas elas irão variar dentro de uma faixa controlada das propriedades do material.

Categoria de teste

A categoria do teste é definida em relação aos aspectos que serão avaliados. Eles podem ser aspectos físicos ou mecânicos. O primeiro avalia propriedades como densidade, temperatura de transição vítrea Tg, expansão térmica, espessura da camada, teor de resina e fibra e calor específico. Quanto às propriedades mecânicas são avaliadas a tração, a compressão, a flexão, o cisalhamento de tração no plano, o cisalhamento do trilho, o cisalhamento interlaminar e transversal no plano, a viga em balanço duplo, a flexão do entalhe final e a flexão de modo misto. Os últimos três tipos são realizados para determinar a delaminação, mas também combinam diferentes cargas. O objetivo também é verificar os modos de abertura, que é um dos modos que uma fratura pode se propagar. O teste de flexão é útil para avaliar o comportamento flexural do material.

Teste de tensão

O teste de tensão é baseado em dois padrões, um deles avalia a fadiga e o outro fornece uma análise estática. Porém, ambos utilizam o mesmo tipo de corpo de prova, uma placa epóxi com abas coladas nas extremidades. Como esses padrões são da ASTM, as medidas das placas são fornecidas no sistema Imperial de unidades. Portanto, as amostras têm largura de 0,5” e 1”. A diferença entre eles, além da largura, é a quantidade de camadas e a orientação do teste. O corpo de prova com 0,5” possui 6 camadas e a orientação do teste é 0°, enquanto o corpo de prova de 1” possui 8 camadas e é avaliado a 90°. O corpo de prova tem comprimento livre de 6”, que é a distância que separa as duas abas. Estes são importantes para melhorar a aderência dos acessórios da máquina de teste ao corpo de prova. As abas são geralmente feitas de epóxi de vidro E ou alumínio. Na verdade, isso depende do tipo de compósito que está sendo testado. Normalmente são utilizadas abas feitas de um material que não possui módulo de Young muito alto. Em compósitos com estes parâmetros variando entre 30.000 e 50.000 MPa, uma aba de epóxi é suficiente. Se o compósito for mais resistente que isso, deve-se usar a aba de alumínio. Isto é muito importante, pois na região onde há a transição entre a placa composta e a aba é natural que se desenvolva alguma concentração de tensões. No entanto, se o desequilíbrio entre a resistência da placa e da aba for demasiado elevado, esta concentração de tensão será aumentada. Existem alguns métodos para resolver esses problemas, um deles é usinar um chanfro muito pequeno na região de transição. Embora isto possa tornar esta transição mais suave, é um processo muito difícil, caro e demorado, uma vez que o ângulo é muito pequeno. Basicamente, o teste de tensão mede o módulo de Young e o índice de Poisson. Para isso, são utilizados extensômetros para medir o alongamento nas direções longitudinal e transversal. Portanto, dois extensômetros são necessários. Então, o coeficiente de Poisson é basicamente a razão entre as deflexões longitudinais e transversais. O resultado do teste de tensão é dado em forma de estatística, que é a média da resistência e seu desvio padrão. A relação entre a resistência média e o desvio padrão da resistência é chamada de coeficiente de variação. Este parâmetro indica o grau de repetibilidade do experimento. Quanto menor for o coeficiente de variação, maior será a repetibilidade do teste. Em alguns testes os resultados não apresentam uma distribuição padrão adequada. Por esta razão, os padrões ASTM fornecem distribuições de potência e exponenciais. Isto é dado pela distribuição Weibull de 2 parâmetros. Os resultados são plotados em um gráfico que correlaciona a probabilidade de sobrevivência e o estresse final. Este gráfico sugere que as camadas de 90° têm muito mais variação do que as de 0°. O mecanismo de falha está muito disperso em relação aos resultados. Além disso, isto também sugere que as fibras são muito mais reprodutíveis do que um laminado com matriz como um dos componentes do laminado.

Teste de compressão

O teste de compressão é baseado em um corpo de prova com 0,10 x 0,25 x 5,50 polegadas. Dois extensômetros são posicionados na placa, assim é possível medir o módulo de elasticidade longitudinal e transversal e a resistência à compressão. Assim, o índice de Poisson pode ser obtido. Existem três normas dedicadas aos testes de compressão, cada uma com sua configuração de teste adequada. O principal problema nos ensaios de compressão é a flambagem do corpo de prova, pois afeta o resultado do ensaio. Conseqüentemente, esses tipos de testes variam de acordo com a forma como a amostra é fixada na máquina. Na ASTM D695, o corpo de prova é fixado através de parafusos e possui dispositivo anti-fivela. Embora isso ajude a evitar a flambagem, a área livre para teste é menor e isso torna o corpo de prova mais exposto a falhas. Nas normas ASTM D6641 e D3410, o corpo de prova é fixado através de fixadores e carregado axialmente. A diferença é que a carga aplicada é distribuída de maneira mais uniforme. Nesses testes, a região entre as garras ainda é muito pequena para evitar flambagem.

Teste de cisalhamento no plano

Embora as amostras utilizadas para o teste de cisalhamento no plano pareçam muito semelhantes, elas são diferentes. As fibras do laminado são deslocadas em ângulos e com uma quantidade de quatro camadas. O principal objetivo da experiência é medir a tensão de cisalhamento no plano, que é dada por 𝜏12. A tensão de cisalhamento na direção principal do material é assumida como metade de σx. Esta é a tensão na direção x. 𝛾12 é a deformação em relação ao cisalhamento e, neste teste, é medida pela soma nas direções x e y. Assim é possível obter o coeficiente de Poisson e também o módulo de elasticidade nas direções longitudinal e transversal. Por esses dois parâmetros na direção x, o módulo de cisalhamento é obtido. Outra semelhança com o ensaio de tração é que o ensaio de cisalhamento no plano utiliza a mesma máquina, pois σx é obtido pelo ensaio de tração. O rácio de Poisson deve ser bastante semelhante ao razão entre 𝜏12 e 𝛾12, mas assumindo a condição linear do comportamento elástico.

Teste de cisalhamento de trilho

O ensaio de cisalhamento do trilho é uma alternativa ao ensaio no plano para obter uma medida direta do cisalhamento na direção principal do material. Portanto, é uma abordagem bastante diferente em relação ao cisalhamento no plano. Em relação ao corpo de prova, este possui formato simples e laminado, pois é carregado a 90° em relação às fibras. Para isso é fornecido um acessório próprio, que é o trilho-guia. Possuem formato triangular, quando observados de lado. As luminárias são três e estão dispostas seguindo o formato triangular. Isto proporciona um efeito na carga P, que se torna uma carga de cisalhamento no ponto de vista da amostra. Então a carga de cisalhamento é P dividida pela espessura da amostra h. A tensão de cisalhamento é P/h dividida por b, que é o comprimento. Esta medida direta do cisalhamento só é possível devido ao efeito de articulação criado pelos trilhos. O único problema deste método de teste é que as guias dos trilhos são um arranjo complexo e fazem do teste no plano uma escolha aconselhável. As medições da deformação por cisalhamento são realizadas em extensômetros. Mede a deformação a 45°, portanto é necessário multiplicar por 2, pois mede apenas uma direção principal de deformação.

Teste de cisalhamento transversal no plano

Esta é outra variação do cálculo da tensão de cisalhamento. A amostra e o acessório são diferentes em relação ao teste usual. A primeira é uma placa fina com zona de contração. O laminado da amostra pode ter camadas em ambas as direções, enquanto a contração é registrada pelo uso de extensômetros. Devido ao seu formato peculiar, a amostra é chamada de LosiPEScus, enquanto o teste às vezes é chamado de Teste de cisalhamento de LosiPEScus. Este mede o módulo de cisalhamento e a resistência através da aplicação de uma força P no acessório. Na verdade, este teste possui uma fixação bem diferente, que fixa o corpo de prova por quatro suportes. Estes são posicionados alternativamente de forma a transferir a carga P igualmente dividida entre esses apoios. Então, o carregamento da amostra é simétrico e a geração de momento também é simétrica de modo que, no meio da amostra o momento é zero. Para monitorar a colisão da amostra, são utilizados dois extensômetros, um a -45° e outro a 45°. A tensão de cisalhamento é calculada dividindo a carga P pela área da seção transversal da amostra. Este teste obtém um comportamento muito semelhante ao antissimétrico.

Teste de flexão

Normalmente, os materiais metálicos apresentam uma proporcionalidade significativa entre o módulo de cisalhamento G e o módulo de elasticidade E. Em relação aos compósitos, isso não é válido, em vez disso, G costuma ser bastante baixo em relação a E. O teste de flexão é realizado para analisar o comportamento à flexão de o material e os efeitos do cisalhamento sob flexão. Como a elasticidade dentro e fora do plano não é proporcional nos compósitos, a deformabilidade por cisalhamento pode ser desprezada. Para medir as propriedades de cisalhamento, assume-se um comportamento linear até a ruptura e um corpo de prova esbelto. Isso significa que o comprimento é muito maior que a espessura. Esta é a condição para ter uma deformabilidade por cisalhamento insignificante. Em seguida, o teste é realizado com diversas relações comprimento-espessura para encontrar aquela que fornece essa condição. A deformabilidade por cisalhamento é mais pronunciada em compósitos do que em metais. O teste de flexão usual é baseado em uma flexão de três pontos. É uma configuração em que a placa é sustentada por dois suportes e carregada no meio. Como a deformabilidade por cisalhamento é considerada insignificante, a ruptura ocorrerá por flexão através da carga de ruptura final. Então, o módulo de flexão pode assumir a seguinte forma:

Onde m é a variação da carga em relação à deformabilidade por cisalhamento. Esta abordagem só é válida para vigas esbeltas, caso contrário a deflexão de cisalhamento afetará os resultados do ensaio. Na verdade, a maioria delas não são vigas perfeitamente esbeltas, portanto existe outra equação para a deformabilidade por cisalhamento. Isso é dado por:

O detalhe importante para vigas não esbeltas é que a deformabilidade ao cisalhamento depende de duas relações importantes. A primeira é entre o Young e o módulo de cisalhamento (E/G) e a outra é a razão entre a espessura e o comprimento do corpo de prova (h/L). Para metais, h/L é geralmente 2,6, portanto, qualquer relação abaixo deste valor é considerada insignificante. Os materiais compósitos costumavam ter baixo G em relação a E. Para G = 5000 GPa, E/G é cerca de 10, portanto, um módulo de cisalhamento muito pequeno, especialmente em laminados unidirecionais. Em laminados tecidos essas relações são mais equilibradas, então h/L deve ser maior para ter uma deformabilidade por cisalhamento insignificante. Na verdade, é possível ter ambos os casos, portanto é permitido um corpo de prova mais delgado. Portanto, este teste também pode ser realizado utilizando corpos de prova de diferentes comprimentos. O objetivo é avaliar diferentes valores de m (dP/dΔ), que permitem obter diferentes P e G. Obtém-se então o módulo de flexão e o módulo de cisalhamento fora do plano, que são dados por Ef e G, mas em neste caso eles se tornam E11 e G13, respectivamente. Porém, esta é uma espécie de aproximação, pois vigas submetidas à flexão apresentam tração em um lado e compressão no outro. Portanto, se houver alguma diferença entre estes lados, Ef não seria igual a E11. Outro aspecto importante em relação à flexão é o efeito de volume.

Esta é uma correlação entre a ruptura final sob tração e aquela sob flexão. Nesse caso, há diferença no lado mais solicitado, que geralmente é o externo. Isto tem uma distribuição de tensão negativa. É bastante simples notar que a zona com distribuição de tensões negativa é maior do que aquela com distribuição positiva. Se isto for comparado a um ensaio de tração, a diferença é ainda maior, porque a distribuição de tensões é maior, portanto o efeito de volume é menos crítico do que na flexão.

Teste de tensão de cisalhamento interlaminar (ILSS)

O teste de tensão de cisalhamento interlaminar às vezes é chamado de teste de pino de cisalhamento, porque utiliza um pino para realizá-lo. Este corpo de prova é muito curto para ter uma relação L/h que faz com que o material rompa quase exclusivamente por cisalhamento. Na verdade, há alguma flexão, mas a ruptura ocorre por cisalhamento. Normalmente, laminados uniformes são usados para ter uma distribuição de tensão suave. No entanto, se o laminado da amostra não for uniforme, por exemplo, um laminado com dobra de 90°, a distribuição de tensões exibe um comportamento não parabólico. Esses aspectos são favoráveis em proporcionar a condição ideal para que o corpo de prova rompa sob cisalhamento interlaminar. Embora este teste seja bastante simples e o pino seja fácil de fabricar, ele tende a falhar próximo aos seus suportes. Isso reduz a precisão dos resultados, razão pela qual não é adotado com frequência.

Referências

• Jenkins, C.H. Manual on Experimental Methods for Mechanical Testing of Composites. Edition 2, Society of Experimental Mechanics (SEM), 1998.

Fonte foto de capa

MadeInChina.com