Depois de compreendidos os principais aspectos da caracterização mecânica e sua importância para o projeto de materiais compósitos, a forma adequada de testar estes materiais é o próximo passo. Basicamente, os ensaios mecânicos devem ser realizados corretamente para extrair o desempenho do material. Este artigo propõe um resumo dos principais testes, suas configurações, máquinas e fatores que afetam seus resultados.

Testes mecânicos

Os ensaios mecânicos baseiam-se na utilização de máquinas de ensaios mecânicos específicas. Geralmente têm dois tipos de operação. A máquina de ensaios eletromecânicos é baseada em um movimento eletromecânico com parafusos que se movem dentro de sua estrutura. O acionamento do movimento é dado por esses parafusos e por uma cruzeta, que aplica um deslocamento controlado ao material, de forma a aplicar uma força de tração ou compressão. Portanto, é necessária uma grande estrutura para ter uma máquina de testes estável. O atuador é uma cruzeta que pode se mover para cima e para baixo de acordo com a direção da carga. São necessários alguns dispositivos para fixar as amostras, que são as garras. Podem ser eletromecânicos, magnéticos ou hidráulicos, fixam a amostra e controlam as cargas ou movimentos impostos à amostra. Uma vez fixada a amostra, a cruzeta pode ser movimentada e é necessário um transdutor LVDT, que é um sensor que mede o deslocamento. Na verdade, esta é uma métrica fundamental, pois é necessária para construir a curva tensão-deformação. A tensão é medida por uma célula de carga. Este é um sensor que mede a força aplicada à amostra, que pode ser caracterizada por diferentes sensibilidades e valores máximos. Em alguns casos, extensômetros são utilizados para medir a deformação, que pode ser axial ou biaxial. A diferença é que se mede a deformação paralela à direção da carga, enquanto os extensômetros biaxiais medem nas longitudinais e transversais. Assim, permite avaliar diretamente o índice de Poisson. Outra família de máquinas de ensaio é a hidráulica (Figura 1). Semelhante à máquina anterior, as garras fixam a amostra dentro da área de teste. A cruzeta determina a posição inicial máxima da amostra. A célula de carga também mede a força aplicada na amostra. Porém, nesta máquina de testes a única diferença é o atuador, que é movido hidraulicamente e controlado por uma série de válvulas que ficam atrás da máquina de testes. Este atuador é capaz não apenas de realizar testes quase estáticos, mas também de uma combinação de diferentes cargas e frequências. Assim, é possível realizar uma série dinâmica de eventos e também um histórico de carga para a amostra. Portanto, deste ponto de vista, a máquina eletromecânica é dedicada a todos os testes estáticos, pois neste caso com parafusos nunca fim é quase impossível realizar um teste de fadiga. Na máquina de ensaios hidráulicos, o potencial de onda está estritamente relacionado à possibilidade de aplicação de cargas dinâmicas e perfis aos cupons. Conseqüentemente, este tipo de máquina de teste é usada para testes de fadiga.

Configurações experimentais

Quanto às configurações experimentais que podem ser realizadas por máquinas de ensaio, as principais são os ensaios de tração e de compressão. Eles são fundamentais para caracterizar as fibras e a estabilidade da matriz. Outras categorias de testes são baseadas em configurações de flexão de três pontos, que são testes de flexão e interlaminares. O primeiro é muito fácil de fabricar, no que diz respeito à amostra. Basta cortar uma amostra de formato retangular para definir corretamente a distância entre os dois pontos de apoio, que é chamada de vão, e aplicar a carga. Assim, é possível invariavelmente verificar primeiro as propriedades mecânicas do material, pois neste caso a parte superior da amostra está trabalhando em configuração de carga compressiva, enquanto a parte inferior está sob carga de tração. O comportamento global desta amostra é influenciado pelas características de tração, em particular pelo módulo de Young do material. A tensão máxima atingida antes da falha da amostra pode estar relacionada à peça compressiva. Isto é utilizado como informação pelo departamento FEM para verificar a peça de material, que esta é construída combinando testes de tração e compressão e verificando se a curva de flexão inserida na tabela de materiais está modelada de maneira correta. O ensaio de cisalhamento interlaminar é um ensaio de flexão em três pontos realizado em uma amostra muito curta e espessa e de espessura importante, que é testada aplicando um vão de 25 mm. Então, neste caso, as fibras não estão dando contribuição tão relevante às propriedades mecânicas. Na verdade, este teste permite observar as propriedades da matriz, em particular a resistência à delaminação. Este teste é muito fácil de realizar, pois é uma primeira verificação das propriedades de tenacidade à fratura. Espera-se que um material com boas propriedades interlaminares também seja capaz de resistir melhor à abertura e à formação de fissuras em relação a um material que apresente propriedades interlaminares inferiores.

Fatores que afetam os testes mecânicos

Existem alguns fatores que afetam os testes mecânicos. Em relação ao material, deve-se considerar que uma caracterização mecânica define a tabela de materiais, esta descreve todos os diferentes comportamentos das três direções principais [0°, 90°, 45°] em relação à orientação da fibra para definir o caracterização mecânica geral. Outro aspecto importante é que, para que DMA e DSC realizem ensaios mecânicos, é necessário trabalhar com cupons. Assim, o material fresco é preparado, alguns cupons são preparados e o teste é realizado. Quando testes mecânicos estão sendo realizados, o responsável deve estar ciente do motivo do teste e dos diferentes fatores que o afetam fortemente. O primeiro fator é o material. Dependendo daquele que está sendo caracterizado, deve-se considerar que é possível haver alguns defeitos. Por exemplo, a porosidade pode afetar o resultado final do ensaio mecânico. O teor de fibra e a percentagem em peso da matriz também são muito relevantes para as propriedades mecânicas. Por exemplo, em relação à porosidade, uma pequena porcentagem dela pode reduzir as propriedades de cisalhamento interlaminar em mais de 30-40%, pois estão sendo introduzidos defeitos por falta de material. Outro exemplo, se for necessário caracterizar um material que está impregnado a 40% em peso, em relação à matriz, qualquer problema com relação a ela resulta em valores diferentes do esperado. O lay-up também é importante, pois na direção em que as fibras estão dispostas observam-se valores diferentes nas propriedades de engenharia. Uma vez definido o material, o cupom é realizado. Em relação ao cupom é possível observar alguns efeitos importantes. Por exemplo, se o teor de fibra-matriz não for respeitado, conforme a ficha técnica do material, observa-se um módulo de elasticidade superior ao esperado das fibras de carbono. A razão é o teor reduzido em termos de matriz, fazendo com que o parâmetro da fibra impregnada, que são as propriedades elásticas, seja levado a níveis mais elevados, em relação aos esperados. A geometria do cupom é outro fator que pode afetar o teste mecânico. Isso leva em conta o peso, espessura, comprimento e extensão. Além disso, se for realizado um condicionamento no cupom da amostra, podem-se observar diferentes propriedades mecânicas. Por exemplo, em aplicações marítimas é necessário avaliar o comportamento úmido da amostra e também, em alguns casos, a redução das propriedades mecânicas devido ao condicionamento, uma vez que muitas fibras são caracterizadas como higroscópicas. Além disso, o estado do cupom antes do teste. Pode ser perfurado ou danificado por impacto, portanto também esses aspectos devem ser considerados, pois podem alterar os resultados do teste. O teste em si tem uma influência significativa nos resultados, os principais aspectos são as condições de teste, o alinhamento da carga, as fixações e a velocidade do teste. As condições de teste podem ser a umidade e a temperatura, principalmente esta. Estes podem alterar as propriedades mecânicas. A configuração da carga depende dos acessórios e do alinhamento da carga, o que afeta como a amostra será danificada. O alinhamento da carga e a velocidade do teste são parâmetros que devem ser cuidadosamente controlados e verificados para a correta execução do teste. Caso contrário, um desalinhamento de carga em relação às direções da fibra, que possui uma pequena inclinação em relação a ela, na verdade aplicará apenas uma componente ao longo dela. Além disso, também é possível observar o crescimento de um momento importante que pode causar danos no cisalhamento.

Referências

• Este artigo foi baseado nas notas de aula escritas pelo autor durante o curso de Materiais Compósitos cursado em Muner;
• Sintom Website;
• MTS Website;
• Instron Website.