A segunda parte dos artigos de caracterização mecânica abordará os ensaios de compressão e os ensaios de flexão. A primeira possui três normas, ASTM D3410, D6641 e D695. Existe também uma versão modificada deste último, que é o SACMA SRM 1R-94. Todos eles são muito semelhantes em termos de procedimentos, mas diferem em aspectos como comprimento de referência, acessórios anti-flambagem e características do corpo de prova. O teste de flexão ASTM D790 é baseado em carga de flexão de três pontos. É um ensaio simples e utiliza corpos de prova muito semelhantes em relação ao de tração. Este artigo propõe uma breve revisão destas normas e ensaios a fim de esclarecer os principais detalhes a respeito dos corpos de prova, arranjos, fixações e parâmetros.

Teste de compressão – D6641

O teste de compressão é suportado principalmente pelas normas ASTM D6641. Isso define o uso do dispositivo de teste de compressão de carga combinada (CLC). O conceito é baseado em um corpo de prova de 170 mm de comprimento e formato retangular, que é colocado dentro do dispositivo CLC. Através de um extensômetro ou de um sensor é possível determinar a deformação do corpo de prova e, apenas registrando a parte linear da curva tensão-deformação, pode-se avaliar o módulo de elasticidade em compressão. É importante medir isso porque o módulo de elasticidade em compressão não é o mesmo que em tração. Na verdade, isso é menor. Assim, é possível completar a tabela de materiais com as propriedades elásticas, e não apenas a de ruptura, para o carregamento de compressão. Este padrão também pode ser usado para determinar a tensão máxima na ruptura, mas é fortemente afetado pelo comprimento da amostra (Figura 2).

Assim, mesmo com uma estrutura de carga combinada que transfere corretamente a carga evitando a flambagem, com um material fortemente anisotrópico existe este efeito. Então, a norma ASTM D6641 é utilizada apenas para materiais compósitos, como reforço de fibra de carbono. É utilizado apenas para medições de propriedades elásticas, como módulo de elasticidade.

Teste de compressão – D3410

A norma ASTM D3410 é caracterizada por uma amostra com presença de abas. Estes podem ser equipados com extensômetros para medir diretamente a deformação da amostra ou para determinar o módulo de elasticidade. No entanto, usá-los em seis amostras é extremamente caro e demorado. Conseqüentemente, este tipo de padrão serve apenas para determinar a tensão na falha. Outro aspecto importante é o comprimento de bitola, que é bastante grande, e a luminária tem a configuração Celanese. Neste o corpo de prova é fixado no interior da estrutura com cunhas para transferir corretamente a carga.

Há um aspecto importante relacionado à geometria da amostra. Isto é muito semelhante ao observado nas normas ASTM D3039, que descreve cuidadosamente o comprimento de referência, o comprimento total e a orientação dependendo, em particular, do tipo de material que está sendo testado, como unidirecional ou tecido. Isto também é influenciado pelo módulo de Young longitudinal, que também é medido no ensaio de tração. Portanto, devem ser consideradas as diferentes rigidezes e geometrias dependendo do módulo de elasticidade longitudinal. Esses aspectos são importantes, pois nos ensaios de compressão é aplicada uma carga na amostra para verificação dos resultados. Existem dois fenômenos diferentes e possíveis, a macro e a microestabilidade. O primeiro é um fenômeno relacionado à geometria da amostra. Portanto, se for considerado um cupom longo e fino e sobre ele for aplicada uma carga compressiva, o resultado esperado pode ser uma falha devido à instabilidade, principalmente se ele se deformar fora do plano. Ou seja, após aplicar uma carga compressiva no cupom e se a amostra for longa e fina, é possível observar a flambagem ou, mais facilmente, a flexão da amostra.

Para evitar esses problemas, podem ser utilizadas fixadores específicos (Figura 5). O segundo fenômeno, o micro, diz respeito às microinterações, que só podem ser observadas na microescala. O problema está relacionado, em particular, com a aplicação de uma carga compressiva nas fibras. Assim, é possível observar dois casos diferentes. A primeira se deve ao fato de as fibras estarem fortemente compactadas, portanto muito próximas umas das outras e interagirem entre si devido à matriz. A segunda ocorre quando há poucas fibras, portanto baixo volume de fibras e baixa interação entre fibras vizinhas.

A Figura 6 ajuda a explicar a carga anti-flambagem que é dada pela fratura volumétrica das fibras. O caso visto no gráfico à esquerda é um cupom exposto a uma carga compressiva. Existem também as fibras que se rompem na mesma direção da carga aplicada. Este é o efeito para fração de alto volume. O caso representado pelo exemplo do meio (Figura 6) é aquele em que a fração volumétrica é baixa, portanto as fibras ficam muito distantes umas das outras. Então a matriz não consegue transferir a carga de forma eficiente. Neste caso espera-se uma falha devido à matriz, ao cisalhamento da mesma, pois duas partes diferentes da amostra estão se comportando de maneira diferente. Portanto, deste ponto de vista, trata-se de uma falha com cargas muito inferiores às esperadas. Normalmente são utilizados materiais com frações volumétricas elevadas. A instabilidade da fibra está sempre presente, devendo-se considerar a geometria e a utilização de estruturas anti-flambagem para evitar esta falha por cisalhamento.

Curvas

As curvas tensão-deformação para as normas ASTM D3410 são vistas na Figura 7. Neste caso, a porção linear é muito pequena, então observa-se uma espécie de deformação plástica. Isto é típico deste caso, devido ao grande comprimento livre, que é de 20 a 25 mm. Conseqüentemente, a amostra também sofre tensão de cisalhamento e deformação. Então, esse efeito pode ser observado na curva (Figura 7) pela transição. Este padrão foi usado por muitos fabricantes de chassis de carros de corrida. Então eles passam a adotar uma falha de transição que pode ser testada em diferentes normas, que é a ASTM D695. Neste caso, o comprimento de referência é fortemente reduzido em relação à ASTM D3410, pois o objetivo é dissociar esse efeito de compressão mais cisalhamento e determinar de forma oposta apenas a propriedade compressiva do material. Esta norma foi extremamente útil, pois quando um componente de desgaste enfrenta uma situação de compressão, existe uma maneira mais fácil de resistir a algum cisalhamento e compressão. Porém, do ponto de vista dos cálculos, o fato deste ensaio também ser afetado pelo cisalhamento apenas reduz a resistência máxima e introduz uma espécie de fator de segurança dentro da curva do material. Isto leva em conta também a ruptura por cisalhamento. Esta é a razão pela qual é utilizada outra norma, na qual são determinadas apenas as propriedades compressivas. Em seguida, são levados em consideração os efeitos de cisalhamento, mas de forma mais controlada, aplicando-se fatores de segurança à curva do material e critérios de falha para considerar este possível efeito.

Falhas

De forma muito semelhante, no ensaio de tração ASTM D3039, também são explicados os mecanismos de falha que são aceitos e não aceitos. Este último diz respeito à ruptura da amostra na aba, onde se observa o rompimento na parte superior da amostra, uma ruptura por delaminação sob a região da aba, a ruptura por cisalhamento na região da aba da amostra ou o descolamento da própria guia. Em todos estes casos, os dados não são aceitáveis, porque não são propriedades reais do material, embora possam representar as propriedades adesivas. Outra possibilidade é a aplicação de uma força cortante, que comprova a amostra em valores inferiores aos esperados. Por outro lado, os modos de ruptura aceitáveis estão todos na faixa de comprimento livre da amostra e, em particular, aquele que mais representa a ruptura por compressão é o aceitável. Assim, observando a ruptura em V da amostra, é possível entender que esta é a situação em que as propriedades compressivas da amostra devem ser avaliadas. Outra possibilidade é quando ocorre uma ruptura por cisalhamento (BGM). Se acontecer no comprimento livre é aceito, mas é algo que não está relacionado às propriedades compressivas. O uso de anti-flambagem é extremamente útil para evitar a ruptura por cisalhamento e também para controlar melhor as aplicações de carga.

Teste de compressão – ASTM D695 e SRM 1R-94

O teste de compressão ASTM D695 é comumente usado em projetos de carros de corrida. Existe também o padrão SRM 1R-94, que é uma versão modificada do anterior. A razão desta modificação considera que os materiais compósitos, especialmente os de alto desempenho, são fortemente caracterizados, do ponto de vista mecânico, pelas empresas aeronáuticas. O problema da segurança nas aeronaves é crucial. Conseqüentemente, o padrão D695 é derivado da indústria aeroespacial. Existe também um laminado externo que é aplicado sobre o material para transferir corretamente a carga e reduzir a flambagem. Caracteriza-se diferentemente das normas ASTM D3410 pela redução do comprimento de medida. Neste caso, é inferior a 5 mm. Comparando então 20 e 5 mm de comprimento padrão, é possível observar diferentes mecanismos de falha. Em particular, na norma ASTM D695, devido à característica anti-flambagem na qual a amostra é inserida, é possível forçar a ruptura do material apenas na compressão. A introdução desta norma, em alguns casos, resulta em problemas.

As curvas padrão ASTM 3410 são caracterizadas por uma parte linear inicial da curva, após isso é observada uma espécie de deformação plástica da amostra. Isso foi causado pela microflambagem dentro do material. Este é um efeito do grande comprimento de referência no qual a força de cisalhamento poderia atuar de forma bastante eficaz. Portanto, ambas são fibras com baixo módulo e tensão de ruptura, mas no caso das fibras de alto desempenho, este tipo de falha não foi representativo das reais propriedades mecânicas do material, não apenas em termos de tensão máxima, mas particularmente em termos do mecanismo de falha e também da energia armazenada no material. Além de detalhar os valores máximos de tensão, mais representativos do próprio material, as curvas são lineares até a ruptura. Isto é o que se espera para este tipo de teste. Assim, ao introduzir um dispositivo anti-flambagem, é possível reduzir ao máximo as propriedades de cisalhamento.

Teste de flexão – D790

O teste de flexão padrão ASTM D790 é comumente para completar e verificar a tabela de materiais, que normalmente é construída a partir das curvas tensão-deformação. Além disso, este tipo de teste é utilizado para a designação da tabela de materiais. No caso do ensaio de flexão conforme ASTM 790, é utilizado para plásticos não reforçados e reforçados. Isto significa que esta norma pode ser usada para todos os tipos de materiais que podem ser medidos. No caso dos plásticos reforçados e, em particular, ao testar materiais ou tecidos unidirecionais, existem valores importantes para o módulo de elasticidade dentro da condição de compressão. Além disso, deve-se considerar que também são medidos materiais de alto desempenho. O mesmo padrão pode ser usado para plásticos não reforçados ou materiais reforçados com fibras curtas. Portanto, neste caso, como se espera materiais mais flexíveis, deve-se trabalhar a geometria da amostra ou do teste.

Comprimento do vão

Os principais parâmetros medidos por este ensaio são o módulo de Young, a deformação e as tensões máximas na ruptura. Estes dependem dos efeitos de tensão, compressão e cisalhamento. Este último pode ser maximizado ou minimizado pelo comprimento do vão ao qual o espécime está exposto. Na verdade, este é um parâmetro de sintonia muito importante para este teste. O comprimento do vão varia de acordo com o tipo e a geometria do corpo de prova. Uma amostra muito ou totalmente rígida requer um vão específico. Em alguns casos, existem relações básicas entre comprimento e espessura do vão, que são 16/1 e 42/1. Normalmente, a espessura da amostra varia entre 2 e 2,5 mm e o comprimento do vão é de cerca de 96 mm. Isto é válido uma vez que os corpos de prova são muito semelhantes aos do ensaio de tração, sendo portanto um material altamente anisotrópico. Assim, o comprimento do vão é definido de acordo com o material, a espessura e as propriedades mecânicas esperadas. Como o ensaio de flexão provoca compressão e tensão nas camadas superior e inferior, respectivamente, a falha do laminado será devida a uma delas. Este teste pode ser realizado para diversos materiais, desde que o corpo de prova seja simples e fácil de construir. A principal aplicação deste teste é em painéis de carroceria, pois essas peças de automóveis geralmente estão sendo carregadas por flexão. Como qualquer outro teste, os de flexão são realizados pelo menos 5 a 6 vezes, para gerar estatísticas. Os principais parâmetros como módulo de elasticidade, deformação e tensão máxima são registrados na ruptura.

Referências

• American Society for Testing and Materials. (2008). Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials (ASTM D3039/D3039M-08). ASTM;
• American Society for Testing and Materials. (2003). Standard Test Method for Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials with Unsupported Gage Section by Shear Loading (ASTM D3410/D3410M-03). ASTM;
• American Society for Testing and Materials. (2001). Standard Test Method for Determining the Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Laminates Using a Combined Loading Compression (CLC) Test Fixture (ASTM D6641/D6642M-01). ASTM;
• American Society for Testing and Materials. (2003). Standard Test Method for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials (ASTM D790-03). ASTM;
• Suppliers of Advanced Composite Materials Association. (1994). Recommended Test Method for Compressive Properties of Oriented Fiber-Resin Composites Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials (SACMA SRM 1R-94). ASTM;
• Este artigo foi baseado nas notas de aula escritas pelo autor durante as palestras Design for Composites Structures of Racing Car realizadas na Unimore em 2022-2023.