Quando algo atinge um chassi de fibra de carbono ocorre um recuo, que é o dano superficial causado por um impacto. No campo de corrida, geralmente é causado por detritos ou pequenas hastes. O problema é que um recuo pode esconder um dano crítico. Por esse motivo é importante aprofundar-se neste assunto. Este artigo propõe um resumo dos principais detalhes dos danos por impacto, seus principais fatores causadores e alguns comentários a respeito da fiscalização.

Danos de impactos

Os danos causados por um impacto têm quatro níveis de intensidade:

• Modo Matriz;
• Modo de delaminação;
• Modo fibra;
• Penetração.

Primeiro, há um impacto de baixa velocidade e energia que causa danos à matriz, que é chamado de modo matriz. O segundo nível é a delaminação, que ocorre devido a impactos em velocidades razoavelmente altas. O terceiro nível é o modo fibra, que ocorre em condições semelhantes em relação ao modo de delaminação. O quarto e mais alto nível é a penetração. Todos esses níveis dependem da velocidade do impacto e, portanto, da energia. Além disso, é possível perceber que há apenas um impacto bem visível, a penetração. Assim, os danos são classificados em dois grupos, os danos por impacto pouco visíveis (BVID) e os danos por impacto visíveis (VID). Normalmente, VID significa penetração, mas há casos em que os modos de fibra resultam em danos observáveis. Os danos de impacto pouco visíveis não envolvem penetração. O baixo impacto energético caracteriza o BVID.

O primeiro dano é o modo matriz. Neste caso, o dano tende a ocorrer na matriz, isto significa uma trinca nas conexões da fibra. Como resultado, eles tendem a se separar, causando a quebra da fibra. Esta fissura pode ocorrer devido a tensões de tração, compressão ou cisalhamento. O segundo tipo de dano ainda não causa penetração, é o modo de delaminação. O é gerado por um impacto com um pouco mais de energia em relação ao modo matriz. O modo de delaminação começa com fissuras ou fissuras e devido às tensões interlaminares surge a delaminação. No caso de impactos de maior energia em relação a estes dois, é possível haver quebra da fibra, que é o modo de dano da fibra. Pode ser BVID ou VID, depende da velocidade. Em alguns casos, um modo matricial evolui para fibra devido à quebra da fibra. Porém, o modo fibra ocorre devido a um impacto de alta energia, o que tende a causar quebra ou flambagem da fibra, devido às tensões de tração ou compressão, respectivamente.

Esses tipos e classificação de danos vêm da indústria aeronáutica. Também possui métodos próprios de inspeção, que em sua maioria são baseados em visuais. Uma vez detectado um dano, existem técnicas para avaliá-lo. O principal problema é quando um dano não é detectado, pois alguns deles são definidos como BVID. Assim, o dano aumentará até o momento em que atingir uma condição não mais compatível com a carga última.

Laminados de camadas cruzadas

Um laminado de camadas cruzadas é caracterizado por uma sequência de camadas dispostas alternativamente em relação à orientação da camada. A sequência de empilhamento alterna entre camadas de 0° e 90°. O objetivo é observar os efeitos em um laminado, pois se este fosse multidirecional a fissuração da matriz seria quase suprimida. Assim, a configuração de camadas cruzadas possui fibras alinhadas em 0° e 90°, a primeira está alinhada paralelamente à tela, enquanto as camadas de 90° estão alinhadas perpendicularmente à tela.

Observando o laminado na vista transversal, é possível notar que, no impacto, as camadas a 90° sofrem fissuração por cisalhamento da matriz. Porém, isso ajuda na proteção das camadas de 0°, que são as próximas. Isto não apresenta danos na fibra e na matriz, pois a 0° essas camadas funcionam muito bem. A última camada, orientada a 90°, apresenta alguns danos devido à tensão. Na verdade, como existe uma diferença muito grande entre as camadas danificadas e não danificadas, a delaminação começará na última camada. Só assim o dano pode se propagar, por delaminação. Outra observação importante é que, se houver fissuras na matriz na camada de 90°, a próxima camada estará livre de danos e tensões.

Quando a orientação é alterada para uma vista longitudinal, observa-se fissuras na matriz na camada 0°, mas estas não causam delaminação, o que já foi desencadeado na vista transversal. Portanto, se esses danos aparecerem em ultrassom ou raio-X, a interface superior de 0°/90° no topo será rachaduras de matriz com delaminação muito pequena, enquanto a interface de 90°/0° na parte inferior exibirá uma delaminação significativa.

Considerando um laminado com diversas camadas a 90° e 0° sendo atingido por um projétil. As tendências observadas no exemplo longitudinal e transversal são praticamente as mesmas. No entanto, estes se propagam ao longo da espessura do material. Assim, é possível concluir que o grande dano ocorre sempre na superfície oposta àquela em que ocorreu o impacto. Esta é a principal razão pela qual a delaminação é difícil de detectar, mesmo com métodos adequados de ultrassom e c-scan. Porém, existem outros que podem digitalizar cada lado do laminado, mas é mais demorado.

Outro aspecto referente às camadas cruzadas diz respeito à espessura do material. Normalmente, os laminados grossos podem ser mais rígidos do que os finos feitos do mesmo material. Considerando um laminado espesso, ao ser atingido, a força de impacto é maior do que seria em um laminado fino. Isto ocorre porque os laminados finos tendem a ser mais flexíveis. Como resultado, a propagação da fissura ocorre de forma diferente. Em laminados espessos, a matriz racha logo abaixo da superfície de impacto. Em laminados finos, a propagação das fissuras inicia-se na superfície oposta às de impacto. Como este tipo de laminado tende a ser flexível, a força de impacto é menor. Se a força de impacto for muito baixa, a extensão da delaminação será menor. Como a delaminação começa na superfície oposta, costuma-se mencionar que ela é simétrica. No entanto, a simetria é mais um comportamento qualitativo, não é precisamente igual e invertida em relação ao caso laminado. Assim, entre esses laminados, o padrão de propagação é semelhante, mas simétrico em relação ao plano médio.

Em termos de energia absorvida, esta é igual, pois a única diferença nesta situação é apenas a espessura. Então, o pico de dano será menor em laminados finos. O problema destes é que, se a força de impacto for baixa, não irá quebrar o laminado. Porém, mais tensão é gerada no lado oposto, ocorrendo assim uma ruptura. Portanto, a espessura do laminado define a rigidez do material em relação a dois laminados feitos do mesmo material. Isto é capaz de alterar o padrão de delaminação.

Gráfico de carga-deslocamento

O gráfico carga-deslocamento possui vários pontos que são definidos por diferentes abordagens. Basicamente, 2-3 pontos das curvas são importantes, chamados de limiar de delaminação e falha da fibra. Considerando um caso em que uma amostra está sendo avaliada por uma flexão de três pontos, esta é uma disposição unidirecional de 0°. Em seguida, são obtidas as tensões de flexão e de cisalhamento. O primeiro ponto é a determinação da seção da curva na qual a delaminação é desencadeada. Isto tem uma carga e energia limite que são fornecidas pela abordagem baseada em tensão e pela abordagem baseada na mecânica da fratura, respectivamente. A primeira define a energia crítica, que é estimada pela resistência ao cisalhamento interlaminar. A abordagem baseada no estresse é quase exclusiva para esta aplicação. A abordagem baseada na mecânica da fratura permite estimar a carga limite. No entanto, este método só é válido para um comportamento isotrópico e uma fissura interna em forma de moeda de um centavo. Este é um poro especial cujos semieixos possuem comprimentos diferentes e os eixos radiais são muito mais altos que os axiais. Ou seja, a fissura é circular com extensão vertical infinitesimal (Figura 9). O ponto principal deste método é que essas trincas ocorrem quando a tenacidade à fratura é superada. Isso é causado pela delaminação, que se propaga através de modos deslizantes. Portanto, a solução deste método é uma carga crítica que retorna a relação entre ela e a tenacidade à fratura. Isto é dado pelo módulo de Young e pela razão de Poisson do material. Normalmente considera-se uma dependência da carga crítica com a tenacidade à fratura, que é a raiz quadrada desta. Da mesma forma, a energia crítica é definida pelo valor quadrado da resistência ao cisalhamento interlaminar. Para a falha da fibra, isso ocorre em tração, pois também se baseia na flexão de três pontos. Portanto, esta abordagem utiliza os mesmos dados e tem as mesmas limitações da anterior.

Outros laminados

Outro caso interessante de delaminação é o que ocorre na chamada camada angulada. Basicamente, este é um empilhamento quase isotrópico com camadas dispostas a -45°/0°/90° e -45°. A fissura e a delaminação da matriz ocorrem em uma sequência em que os danos vão espiralando em direção ao centro, invertendo sua direção e retornando para trás. A camada angular é geralmente avaliada ao microscópio ou pela aplicação de um corante penetrante na borda da seção circular para destacar o dano. Os laminados tecidos são outras soluções, que são adotadas devido ao benefício das fibras de urdidura e trama. A forma do dano também é complexa e difícil de prever.

Endurecimento da resina

Um dos métodos possíveis para reduzir a delaminação é melhorando a tenacidade da resina, ou tenacidade à fratura interlaminar, mais precisamente o modo 2. Alguns pesquisadores descobriram que este parâmetro tem uma forte ligação com a resistência à delaminação sob configurações de carga transversal. Se for comparado com laminados com fibras iguais, mas com matrizes diferentes, fica claro que o mais resistente terá melhor desempenho. O gráfico do diâmetro do dano em relação à força de impacto resulta em uma inclinação menor da curva da matriz mais tenaz. Isto sugere que uma matriz mais resistente ajuda a conter a propagação da delaminação. Além disso, a tenacidade à fratura interlaminar também é uma função da espessura das intercamadas da matriz temperada entre as camadas. Isso ocorre porque laminados mais grossos tendem a ser mais rígidos que os finos, mas apenas se possuírem o mesmo material. No entanto, o endurecimento da resina pode resultar numa redução significativa da resistência à compressão e na redução da resistência à tração com grandes entalhes.

Diâmetro do impactador e espessura do laminado

A delaminação é desencadeada pelo impactor, por isso é interessante analisar dois parâmetros, o diâmetro do impacto e a espessura do laminado. Na verdade, o diâmetro do impactor é o principal, enquanto a espessura do laminado está mais relacionada com a configuração do lay-up. Existe uma correlação entre a força de impacto e estes dois parâmetros. A força exercida pelo impactor tem a mesma ordem de grandeza que o produto do diâmetro do impactor pela espessura do laminado na potência de 0,5 e 1,5, respectivamente. Isto permite traçar vários tipos de gráficos correlacionando a força com a espessura e o diâmetro do impactor.

Fi ∝ Di^0.5∙t^1.5

Considerando ambos os gráficos (Figura 12), é possível perceber que os resultados experimentais sugerem uma boa correlação com a relação definida entre esses parâmetros. O gráfico do lado esquerdo correlaciona a relação Fi/Dt0,5 com a espessura do laminado na potência de 1,5. Neste caso, a correlação proposta foi testada com diferentes diâmetros de impactor. A maioria deles exibiu uma boa correlação com a curva dada pela aproximação. A única exceção foi um teste feito com um impactor de 19,8 mm de diâmetro. Neste caso, a amostra era fina, portanto combinada com um impactor maior, o teste resulta em uma grande força de impacto com flexibilidade limitada.

O ponto principal deste gráfico é que o valor da força de iniciação do dano dividido pela raiz quadrada do diâmetro do impactor segue uma relação em relação à espessura da delaminação na potência de 1,5. Os resultados sugerem que não é possível definir se o diâmetro tem alguma influência no impacto, pois todos os desempenhos do impactador estão espalhados ao longo da curva. Contudo, é claro que a espessura da laminação tem uma forte correlação com a capacidade do laminado de absorver a energia do impacto.

Área de delaminação

A área de delaminação é muito difícil de prever, mas existem muitos estudos e abordagens propostas para isso. Estes estabelecem correlações da área danificada com a força de impacto, a espessura do laminado, a força máxima e a energia absorvida.

Força de impacto

Em relação à força de impacto, existem alguns métodos para correlacioná-la com a área de delaminação. Um deles é um estudo onde foram ensaiados dois corpos de prova em duas configurações diferentes, simplesmente apoiado e fixado. Os corpos de prova diferem apenas nas espessuras, que são de 1 e 2 mm. Uma disposição fixada restringe a amostra em todo o seu contorno. Este método afirma que o cisalhamento máximo na amostra é três metades do cisalhamento médio (Figura 13). Pela formulação é possível deixar o cisalhamento máximo em função da força de iniciação, da espessura e da área de delaminação. Quando τmax atinge um valor que supera ou iguala o cisalhamento crítico, que é a resistência ao cisalhamento interlaminar, é possível calcular r correspondente a esta condição. Esta é a proximidade em relação ao ponto de impacto e pode ser colocada em evidência para ter o raio da fissura em função do cisalhamento máximo, da força de iniciação e da espessura. Visto que se considera que a delaminação é uma fissura circular com raio r. Então, a área de delaminação é obtida em função da força de iniciação, da tensão de cisalhamento máxima e da espessura do laminado. Uma vez atingido o cisalhamento crítico, é definida a força de iniciação. Assim, analisando ambos os casos, é possível notar que os resultados experimentais para os corpos de prova com 1 mm de espessura apresentam uma correlação razoavelmente boa com a aproximação. Porém, os experimentos para corpos de prova com 2 mm de espessura não apresentam correlação com a aproximação proposta pelas fórmulas. Então, para a primeira amostra, a aproximação da raiz quadrada é uma boa representação. Além disso, em ambas as análises é possível perceber o limiar da força de iniciação. Abaixo deste ponto, não há danos. Quando a delaminação é desencadeada, a força de iniciação é definida pela abordagem da fratura. No entanto, em algum momento, em ambos os casos, a área danificada continua a aumentar, mesmo com quase a mesma carga. Conseqüentemente, a mecânica da fratura não pode mais ser aplicada. No caso de amostras com 2 mm de espessura, a aproximação é grosseira e não precisa. Esta amostra rapidamente sai da condição mecânica da fratura. Portanto, pode-se observar que, quanto mais espesso o laminado, menor será a validade da relação mecânica da fratura. Na verdade, até agora, não existe uma relação precisa entre a área danificada e a força de impacto em laminados espessos, mas ainda pode ser usada como uma estimativa aproximada.

Outra correlação é aquela entre a área de delaminação e a força máxima de impacto. Este é geralmente o caso quando a aproximação da força de impacto não pode ser a potência de dois (Figura 14). Assim, propõe-se aquele para a potência de 2,9 da força máxima. São dois casos, um ensaio com corpos de prova apoiados em suportes circulares de 50 mm de diâmetro e outro com 100 mm de diâmetro. Como pode ser observado, para os testes realizados com suporte de 50 mm de diâmetro, a aproximação se ajusta bastante bem aos resultados experimentais. Contudo, este não é o caso do suporte de 100 mm. Neste caso, há um claro deslocamento entre a aproximação e os resultados experimentais. Isso ocorre devido ao arranjo do teste. Neste, o corpo de prova é apoiado na periferia. Assim, utiliza-se o suporte de 100 mm de diâmetro, a área não suportada no corpo de prova é menor. Então, o corpo de prova tende a ser mais rígido. Efeito semelhante é observado quando se analisa a variação da espessura. Quanto maior esta, maior é a extensão da delaminação. Portanto, um suporte maior resulta em uma seção não suportada menor deixando o material mais rígido e um laminado mais espesso também enrijece a amostra, ambas as situações resultam em uma maior extensão de delaminação devido à baixa flexibilidade.

A terceira correlação é com a área de delaminação e a energia absorvida. Na verdade, a correlação de espessura anterior também está fortemente ligada a esta. Neste caso foram utilizados impactadores e corpos de prova diferentes em relação ao diâmetro e espessura, respectivamente. É possível notar que, para a mesma energia absorvida, o corpo de prova mais espesso apresentou quase o dobro da delaminação do mais fino. Como existe uma relação entre a espessura e a força de impacto, se a espessura aumentar a área de delaminação e a força de impacto também aumentam. Portanto, a força de impacto depende da rigidez do laminado e da energia do impacto. Quanto mais espesso for o laminado, piores serão os danos.

Redução da resistencia

A redução da resistência é a principal preocupação quando se analisa a delaminação. Seu dano por si só não causa a falha imediata do laminado. Na verdade, o que realmente ocorre é uma redução gradual da força do mesmo. Quando é atingido um limite, o laminado falha. Até agora foram discutidos parâmetros como espessura, rigidez e força de impacto. Outro é o recuo e sua profundidade. Eles estão frequentemente relacionados à energia de impacto e à relação resistência/módulo. Estes são os parâmetros usados para descrever graficamente a redução de resistência. O recuo é o tipo de deformação causada por impactos. É uma depressão da superfície no local do impacto. Nem todas as reentrâncias são visíveis a olho nu. Isso os torna um problema crítico. Normalmente, recuos de cerca de décimos de milímetros só são visíveis com o apoio de luzes de inspeção. Só se torna visível quando excede 1 polegada (2,5 mm), mas a uma certa distância. Contudo, o ponto importante é quanta resistência foi perdida em relação à profundidade da indentação. O gráfico da relação entre a resistência e o módulo de Young e a profundidade de indentação ilustra que há uma clara redução. No entanto, isso não é equilibrado entre resistência à compressão e à tração. Para alguns décimos de indentação, a perda na resistência à compressão é maior que a da resistência à tração. Isto ocorre porque a delaminação causa uma diminuição significativa nas cargas de flambagem. Conseqüentemente, o modo de falha muda de compressão da fibra para colisão da fibra devido à flambagem. Quando a profundidade de indentação é de cerca de 0,5-1,0 mm, também é possível notar que a resistência à tração é reduzida em magnitude semelhante à compressão. Neste gráfico também podem ser observados os efeitos da espessura. Quanto maior a espessura, maior será a tensão e a extensão do dano.

Outros gráficos úteis são aqueles que correlacionam a profundidade da indentação com a energia do impacto. É possível notar uma região de corte em 0,10 polegada (2,5 mm). Isso significa que, caso haja tais danos, a estrutura deverá ser reparada, pois não é possível estimar os danos em seu interior. Assim, assim que os recuos observados durante as inspeções estiverem dentro da região de corte, é possível estimar a energia de impacto e, em seguida, a resistência disponível. Isso é feito por outro gráfico, que correlaciona a profundidade de indentação e a relação entre a energia e a energia de penetração (U/Up).

Este último é um parâmetro que depende das propriedades do laminado. Neste gráfico o objetivo é determinar se a resistência residual ainda é comparada à nominal. Então, com esta informação, é possível determinar a resistência reduzida como uma razão entre as resistências residuais e nominais a partir da razão entre a energia máxima sem prejudicar a resistência e a energia de impacto (U0/U)k.

Identificação de danos

No domínio do automobilismo, a abordagem de fiscalização é diferente da da aeronáutica. Assim, a realização de diversos testes de impacto para cada tipo de laminado, a fim de construir gráficos de dispersão, são feitos para uso geral. Por razões económicas, os problemas de inspeção baseiam-se numa combinação de métodos de análise muito frequentes e relativamente simples, como a inspeção visual. Também são realizadas algumas técnicas não destrutivas, mas estas são menos frequentes e para áreas mais localizadas. Existe um tipo de operação chamada grande revisão, em aviões, que se baseia no exame profundo da estrutura. A caminhada é um método simples. O objetivo é detectar se há perfurações ou grandes áreas de indentação ou quebra de fibra. A inspeção visual geral pode examinar grandes áreas com auxílio de iluminação e remoção de carenagens ou portas de acesso para obter proximidade e clareza. Também é comum o uso de espelhos para observar cantos e frestas. Caso haja algum dano após a inspeção, é realizada a inspeção visual detalhada. Isso executa uma inspeção mais profunda por meio de uma inspeção visual de proximidade. Também são utilizadas técnicas mais sofisticadas como luzes pastosas. Caso existam áreas internas com suspeita de danos, deve-se utilizar uma técnica não destrutiva. Estas são chamadas de inspeção detalhada especial. São utilizados quando é necessário identificar se em alguma região localizada há danos internos. As principais técnicas são ultrassom, raio X e shearografia. Por exemplo, em chassis compósitos, a estrutura é monitorada por fibras ópticas embutidas no compósito. O objetivo é fazer com que a partir da mudança do sinal algo comece, mude devido a danos, cargas de serviço ou hastes.

A inspeção ultrassônica é baseada na propagação de ondas no material. Quando há descontinuidade das ondas, estas são refletidas ou desviadas. Assim, é possível definir onde está a posição da fissura. A análise de impedância mecânica é algo baseado na excitação da estrutura. Se estiver danificado, a resposta à vibração será diferente numa região localizada. Para danos internos, utiliza-se a radiografia de raios X e a termografia infravermelha. Este último é baseado em imagens térmicas, que mostram a radiação que vem da superfície. Conseqüentemente, ele registra a temperatura da superfície. Se a amostra for aquecida por trás, é possível visualizar a onda térmica através da espessura. No caso de danos, essas ondas são desaceleradas, observando-se uma imagem térmica diferente na superfície. Conseqüentemente, o mapa térmico fica distorcido em função do defeito que está abaixo da superfície.

Referências

• Este artigo foi escrito com base nas notas de aula escritas pelo autor durante as palestras de Design de Compósitos ministradas na Unimore;
• MIL-HDBK-17-3F, Volume 3, DoD USA, 2002;
• Busco, A. Comportamento all’impatto dei materiali compositi. Tese di dottorato, Università di Napoli “Federico II”, 2007;
• Borelli, R. Sviluppo di procedure numeriche per la simulazione del danno in strutture in composito. Tese di dottorato, Università di Napoli “Federico II”, 2011.