A caracterização mecânica de materiais compósitos apresenta muitas fontes de ruído nos dados. Podem ser agentes externos, problemas na fabricação dos corpos de prova e condições ambientais inadequadas. Para garantir procedimentos de teste adequados, existem diversas normas que apoiam este processo para que se tenha uma caracterização precisa do material. Este artigo fornece um resumo da lista de padrões, bem como os detalhes com relação ao primeiro teste, o teste de tração.

Padrões

Os aspectos discutidos nos artigos anteriores estão definidos em normas internacionais. Indicam como esses ensaios devem ser realizados, suas condições, procedimentos e corpos de prova, que também definem materiais, dimensões e fabricação. Os principais padrões estão listados abaixo:

• ASTM D3039/D3039M-08;
• ASTM D6641/D6641M-03;
• ASTM D3410/D3410M;
• ASTM D695-02A;
• ASTM D790-03.

São basicamente variações de ensaios de tração, compressão e antiflambagem, que serão descritos nos tópicos a seguir.

Teste de tração – ASTM D3039/D3039M-08

O ensaio de tração é o primeiro normalmente realizado. O padrão que o suporta é o ASTM D3039. Ele descreve como os parâmetros de tração de materiais compósitos de matriz polimérica são determinados. Além disso, define o procedimento correto para caracterizar materiais compósitos. Como já dito, é necessário levar em conta a heterogeneidade da amostra, a anisotropia e a ortotropia dos materiais compósitos. Esses são intrínsecos à estrutura desses materiais. Os testes de tração são realizados ao longo das três direções, que são 0°, 90° e 45°, sendo a direção da fibra e perpendicular às duas primeiras. Isto caracteriza todos os diferentes comportamentos no plano do material compósito. A norma D3039 é aplicada para materiais que apresentam alta anisotropia. Portanto, isso é específico para amostras e materiais que possuem fibras longas. Para fibras curtas, como no caso do SMC, o padrão é diferente, pois o comportamento do material é diferente. Na verdade, é muito mais parecido com o que pode ser observado em conjuntos de polímeros. Portanto, isso é algo que necessita de uma geometria diferente da esperada. A Figura 1 ilustra um gráfico da série de curvas tensão-deformação. Estes poderiam ser medidos em um conjunto de cupons de tração. É possível notar que o comportamento destas curvas é linear na primeira parte, para quase todas as curvas, até a falha. Portanto, o ensaio de tração permite determinar o módulo de elasticidade nas direções 0° e 90°, o módulo de cisalhamento e a tensão máxima relativa nessas direções.

Características da amostra

As abas são um aspecto importante deste teste, elas precisam ser aplicadas na amostra. As normas definem a utilização de abas (Figura 3) ou espaçadores, que estejam claramente em contato com as cargas, pois são capazes de preservar a amostra em relação à força solicitada para fixá-la no interior das garras. Assim, a amostra está sendo empurrada com uma força de controle em uma espécie de laminado de sacrifício, que são as duas abas. O segundo aspecto é a transição entre o comprimento livre da amostra e as abas em seus dois extremos. O chanfro feito nesta transição é importante para evitar concentrações de tensões nestes pontos. Isso também ajuda na redução da rigidez e melhora a distribuição de tensões ao longo da aba.

Dependendo do tipo de material e das suas características esperadas, as normas definem a geometria da amostra. Por exemplo, no caso de testar um material unidirecional na direção 0°, a amostra deve ter 15 mm de largura e comprimento total de 250 mm. A espessura da amostra deve ser bem reduzida, 1 mm. O comprimento da aba é de 56 mm e o comprimento livre da amostra é de 138 mm. A amostra unidirecional de 90° é mais curta (175 mm) e mais larga (25 mm), pois são esperadas propriedades mecânicas muito baixas. Como as fibras estão deslocadas ortogonalmente, a matriz é quem suporta a maior parte da carga. O laminado balanceado e simétrico é um caso específico onde será testado o laminado. A orientação aleatória-descontínua das fibras é um fator dinâmico no caso de tecidos multiaxiais.

Laminados muito grossos dispensam o uso de abas e esta é uma espécie de exceção que é atualizada pelas normas. Portanto, os padrões definem a geometria, o material, as falhas aceitáveis e não aceitáveis da amostra.

Falhas

A Figura 5 ilustra que existem muitas possibilidades diferentes de falha dependendo da posição. É possível haver uma falha sob a aba, um descolamento da aba, no final da mesma e no início do comprimento livre ou uma delaminação total do comprimento livre. A primeira fila de falhas (Figura 5) é caracterizada por valores não aceitáveis, pois neste caso há danos no interior do laminado devido a um fator explícito. Por exemplo, considerando a falha do LIT, caso seja observado descolamento da aba, é possível suspeitar de mau preparo da superfície da amostra ou adesivo escolhido erroneamente aplicado nas abas. Assim, a falha observada não é a que interessa, a do laminado. A segunda fileira de falhas (Figura 5) é caracterizada pelas aceitas. Geralmente ocorrem no comprimento livre, com caráter de cisalhamento que ocorre de forma explosiva. Todos esses casos podem ser classificados por tipo de falha, área e caráter, que são descritos por três letras em sequência. Assim, em um ensaio mecânico de tração, devem ser observados não apenas os valores registrados de cargas e deslocamentos, mas também as características da ruptura, pois esta é uma informação importante. A razão é que, se ocorrer alguma falha da primeira linha, isso significa que os valores das tensões e deslocamentos não descreverão os do material. Deste ponto de vista, a norma define a geometria, o tipo de ruptura e o método de cálculo do módulo de elasticidade.

Geometria

A geometria da amostra é normalmente retangular. Em alguns casos particulares de materiais fortemente anisotrópicos, a geometria top-on deve ser evitada, pois na região da redução da seção devido ao formato top-on, seus pontos C e D (Figura 6) terão concentrações de tensões aumentadas.

Assim, pode-se esperar que a ruptura do material ocorra exatamente no ponto em que a seção é reduzida. Pelo contrário, a geometria top-on poderia ser usada para materiais isotrópicos. Por exemplo, é utilizado para metais porque é fortemente diferente, do ponto de vista mecânico, em relação aos materiais compósitos. Outro exemplo são materiais compósitos de fibras curtas em amostras de polímeros puros.

Curvas tensão-deformação

A Figura 8 ilustra as curvas tensão-deformação para cada direção da fibra. É possível observar que não há muita diferença entre as direções 0° e 90°, havendo um comportamento elástico até a ruptura da amostra. No caso de orientação de fibra de 45°, ou configuração de cisalhamento, o comportamento do material exibe apenas uma parte linear da tensão-deformação no início. Ocorre então uma importante deformação da amostra, pois as fibras alinhadas a 45° tendem a se mover e a se alinhar na direção da carga. Portanto, a deformação parece ser plástica para polímeros e alguns materiais metálicos. Outro detalhe observado na Figura 8 é que este é resultado de uma série de testes. Em geral, a quantidade mínima de experimentos para cada direção é de 5 a 6, pois é necessário gerar algumas estatísticas para ter certeza de que a falha observada não é devida a problemas que possam ocorrer. Em alguns casos, a caracterização do material é repetida para adquirir ainda mais curvas, realizando assim as estatísticas das propriedades mecânicas.

Extensômetros

Os extensômetros são usados para medir a deformação. A Figura 9 ilustra um extensômetro axial em operação, ele é colocado na superfície da amostra. Assim, pode-se medir a deformação local da amostra. Dependendo do comprimento de referência do extensômetro, é possível medir diferentes valores do módulo de elasticidade. Isto depende também do fato de que, com um extensômetro muito pequeno, como em um extensômetro aplicado na superfície, é medida a deformação em uma área muito reduzida da amostra. Isto significa obter uma deformação muito local da amostra. Portanto, para medições padrão, geralmente é usado um comprimento de referência de 20 a 25 mm. Isso depende do acesso disponível. O comprimento de referência de 20-25 mm é suficientemente pequeno para permitir uma medição local da deformação. Por outro lado, é suficientemente grande para ter um comportamento de alavancagem igual. Normalmente, as informações do extensômetro são combinadas com as do transdutor LVDT, dividindo a medição do extensômetro pelo seu comprimento de medida e a medição do LVDT pelo comprimento livre. Portanto, é possível verificar novamente os dois valores.

Referências

• American Society for Testing and Materials. (2008). Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials (ASTM D3039/D3039M-08). ASTM.