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AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE COMPÓSITOS

PULTRUDADOS DE MATRIZ POLIMÉRICA COM REFORÇO DE FIBRA DE

VIDRO

Sandra Penha de Souza Almeida

TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS

PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS

NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM

ENGENHARIA CIVIL.

Aprovada por:

_____________________________________________ Prof. Eduardo de Miranda Batista, D. Sc.

_____________________________________________ Profª. Michele Schubert Pfeil, D. Sc.

_____________________________________________ Profª. Eliane Maria Carvalho, D. Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL

MARÇO DE 2004

ii

ALMEIDA, SANDRA PENHA DE SOU-

ZA

Avaliação das Propriedades Mecâ-

nicas de Compósitos Pultrudados de

Matriz Polimérica com Reforço de Fibra

de Vidro [Rio de Janeiro] 2004

XIV, 87 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ,

M.Sc., Engenharia Civil, 2004)

Tese – Universidade Federal do Rio

de Janeiro, COPPE

1. Propriedades Mecânicas de Compósitos

Pultrudados

I. COPPE/UFRJ II. Título (série)

iii

DEDICATÓRIA

À meu pai Libio e meu irmão Célio, dedico este

trabalho como minha mais saudosa homenagem.

À minha mãe Helly, aos meus irmãos Libio e Célia,

à meu marido Marcos, meus filhos Junior e Caroline,

meus maiores incentivadores, pelo auxílio constante,

por todo amor, carinho, dedicação e paciência ao

participar junto comigo de todas as dificuldades e

perdas que se apresentaram ao longo desses quatro

anos.

iv

AGRADECIMENTOS

À DEUS em primeiro lugar por ter me dado forças

para continuar com meus projetos de vida depois de

todas as provações por que passei.

Ao Prof. Dr. Eduardo de Miranda Batista, pela

orientação e por toda a ajuda dispensada nos

momentos difíceis.

Aos Técnicos do Laboratório de Estruturas que me

ajudaram com seus esforços, principalmente nessa

fase final em que todos se desdobraram para que os

experimentos fossem concluídos.

Aos Técnicos do Laboratório de Informática, da

Secretaria do programa e das secretárias Luzidele e

Sandra que me orientaram com carinho durante toda

esta jornada.

Ao Professor e amigo Dr. Tito Luiz da Silveira, que

tanto me incentivou para a realização desta etapa em

minha vida.

Ao amigo e Professor Edvaldo Lopes de Araújo pela

ajuda e todo o apoio dispensado.

Aos Professores, Funcionários e Direção da

Fundação Técnico Educacional Souza Marques, pelo

incentivo durante a realização deste trabalho.

v

Resumo da Tese apresentada a COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários

para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)

AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE COMPÓSITOS

PULTRUDADOS DE MATRIZ POLIMÉRICA COM REFORÇO DE FIBRA DE

VIDRO


Março/2004

Orientador: Eduardo de Miranda Batista

Programa: Engenharia Civil

Este trabalho apresenta a avaliação das principais propriedades mecânicas do

material compósito estudado, através de ensaio destrutivo de tração e ensaio não

destrutivo de flexão por quatro pontos. Apresenta-se igualmente, avaliação da

propriedade física de peso específico, bem como avaliação da fração volumétrica de

fibra através de ensaios destrutivos de queima e metalografia através da técnica de

análise de imagens.

A análise das propriedades mecânicas do material envolveu: estudo do módulo de

elasticidade, tensão de resistência e alongamento na ruptura, através de ensaios de

tração simples e cíclica, em máquinas de ensaios padrão, bem como o módulo de

elasticidade à flexão através de ensaio de flexão simples por quatro pontos. A

metodologia desenvolvida para padronização dos ensaios de flexão resultou em projeto

e fabricação de um dispositivo de suporte e aplicação de carga no corpo de prova.

A avaliação da fração volumétrica de fibras utilizando a técnica de análise de

imagens possibilitou também a avaliação das frações volumétricas de matriz e vazios,

tendo contribuído para o desenvolvimento de metodologia para padronização desta

avaliação.

vi

Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)

EVALUATION OF THE MECHANICAL PROPERTIES OF PULTRUDED

COMPOSITES OF GLASS REINFORCED POLIMERIC MATERIAL


March/2004

Advisor: Eduardo de Miranda Batista

Department: Civil Engineering

The thesis presents these results of the experimental analysis addressed to the

study of the mechanical properties of composite material. The studies were developed

on the barrios of tensile and flexural tests. The material density and the volumetric

fraction of matrix, voids an fibers were also measured with the help of burnout method,

as well as with metalography associated with image analysis technique.

The following mechanical properties were studied: the tensile modulus, the tensile

strength and the total strain at collapse load, measured with the help of standard press

machine. The flexural modulus was measured by means of standard specimen under

simply supported bending experiments. A special device was developed to perform

these flexural tests.

The fiber, the matrix and the void volume ratios were evaluated with the help of

image analysis technique. The confirmation of these results was obtained after

comparing with the results of the burnout method and allowed standardization of the

applied procedures.

vii

ÍNDICE

INTRODUÇÃO............................................................................................................... 1

PULTRUDADOS REFORÇADOS COM FIBRA DE VIDRO.................................. 5

2.1 – Processo de pultrusão ........................................................................................ 5

2.2 –Manuseio e utilização de pultrudados............................................................... 7

2.3 - Defeitos e imperfeições mais comuns em pultrudados com reforço de fibras

de vidro ................................................................................................................... 8

2.4 – Principais propriedades da fibra de vidro ....................................................... 9

2.5 – Principais propriedades da matriz................................................................. 10

2.6 – Compósitos reforçados com fibra de vidro ................................................... 12

2.7 – Propriedades físicas dos compósitos .............................................................. 12

2.7.1 – Massa específica e peso específico ........................................................... 12

2.7.2 – Fração volumétrica de fibra .................................................................... 14

2.7.3 – Fração volumétrica de Vazios (Porosidade)........................................... 15

2.8 - Propriedades mecânicas dos compósitos ........................................................ 18

2.8.1 – Módulo de elasticidade longitudinal na tração ...................................... 19

2.8.2 – Módulo de elasticidade longitudinal na flexão....................................... 21

2.8.3 – Deformação lenta à temperatura ambiente............................................ 23

2.8.3.1 - Fatores que afetam magnitude da deformação lenta ...................... 24

2.8.3.2 – Condições ideais para projeto de pultrudados reforçados com fibra

de vidro ........................................................................................................... 25

Capítulo 3 ...................................................................................................................... 26

ANÁLISE EXPERIMENTAL..................................................................................... 26

3.1 – Dados relativos ao material estudado ............................................................ 26

3.1.1 – Matérias primas usadas no perfil estudado ............................................ 26

3.1.2 – Propriedades indicadas pelo fabricante.................................................. 27

3.2 – Análise de peso específico................................................................................ 28

3.3 – Análise do volume de fibra .............................................................................. 29

3.4 – Análise dos ensaios de tração.......................................................................... 31

3.5 – Análise dos ensaios de flexão .......................................................................... 41

3.6 – Análise dos ensaios de deformação lenta ....................................................... 45

Capítulo 4 ...................................................................................................................... 51

viii

DISCUSSÃO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS ......................................... 51

4.1 – Peso específico .................................................................................................. 51

4.2 – Fração volumétrica de fibras .......................................................................... 52

4.3 – Comportamento na tração .............................................................................. 53

4.4 – Comportamento na flexão............................................................................... 60

4.5 – Comportamento na deformação lenta à temperatura ambiente ................. 61

Capítulo 5 ...................................................................................................................... 63

CONCLUSÕES ............................................................................................................. 63

5.1 – Conclusão.......................................................................................................... 63

5.2 – Proposta para trabalhos futuros .................................................................... 67

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................ 69

ANEXO A ...................................................................................................................... 71

METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DO MÓDULO DE ELASTICIDADE

DE MATERIAL PULTRUDADO EM RESINA REFORÇADA COM FIBRA

DE VIDRO ATRAVÉS DE ENSAIO DE FLEXÃO UTILIZANDO

PROTÓTIPO DE PEQUENO PORTE............................................................. 71

ANEXO B ...................................................................................................................... 81

METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DA FRAÇÃO VOLUMÉTRICA DE

FIBRAS, MATRIZ E VAZIOS DE COMPÓSITOS PULTRUDADOS DE

RESINA REFORÇADA COM FIBRA DE VIDRO ATRAVÉS DE ANÁLISE

DE IMAGEM ....................................................................................................... 81

ix

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1 – Desenho esquemático do processo de pultrusão. Retirado de

www.cogumelo.com.br (2001).....................................................................................2

Figura 1.2 - Formas complexas de perfis pultrudados. Retirado de

www.creativepultrusions.com (2001) ..........................................................................2

Figura 2.1 - Esquema de pultrusão contínuo. Elaborado por Morrison Molded Fiber

Glass Co.......................................................................................................................5

Figura 2.2 - Alimentação contínua do reforço. Retirado de

www.creativepultrusions.com (2001). .........................................................................6

Figura 2.3 - Banho de resina. Retirado de www.creativepultrusions.com (2001). .........6

Figura 2.4 - Saída do perfil da forma. Retirado de www.creativepultrusions.com

(2001). .........................................................................................................................7

Figura 2.5 – Imagem digitalizada de material compósito de vidro/poliéster (perfil “U”).

Seção transversal usada para determinar fração volumétrica de vazios, de matriz e

fibras. .........................................................................................................................16

Figura 2.6 – Histograma da figura 2.5 mostrando o número de pixels relativos à área de

menor pico, que corresponde aos vazios e cuja fração volumétrica é de 6,83%. ................17

Figura 2.7 - Histograma da figura 2.5 mostrando o número de pixels relativos à área de médio

pico, que corresponde à matriz e cuja fração volumétrica é de 33,17%............................. 17

Figura 2.8 - Histograma da figura 2.5 mostrando o número de pixels relativos à área de maior

pico, que corresponde à fibra e cuja fração volumétrica é de 60,00%. .............................. 18

Figura 2.9 – Flexão por 3 pontos de carregamento (um ponto de aplicação de carga e

dois apoios. ................................................................................................................21

Figura 2.10 – Flexão por 4 pontos de carregamento (dois pontos de aplicação de carga e

dois apoios)................................................................................................................22

Figura 3.1 – Dimensões e geometria do perfil estudado. ...............................................26

Figura 3.2 – Corpo de prova utilizado para obtenção do peso específico. .....................28

Figura 3.3 – Imagem digitalizada de fibra de vidro/poliéster da amostra T2. Seção

transversal usada para determinar fração volumétrica de vazios, matriz e fibras. ...29

Figura 3.4 - Histograma da figura 3.3 mostrando o número de pixels relativos à área de maior

pico, que corresponde à fibra e cuja fração volumétrica encontrada foi de 59,19%............ 30

x

Figura 3.5 - Histograma da figura 3.3 mostrando o número de pixels relativos à área de médio

pico, que corresponde à matriz e cuja fração volumétrica encontrada foi de 38,17%. ........ 30


menor pico, que corresponde aos vazios e cuja fração volumétrica encontrada foi de

2,64%..........................................................................................................................31

Figura 3.7 – Proteção do corpo de prova de tração. .......................................................33

Figura 3.8 – Gráfico Tensão x Deformação do CP 1A. .................................................34

Figura 3.9 – Gráfico Tensão x Deformação do CP T1. ..................................................34

Figura 3.10 – Gráfico Tensão x Deformação do CP T2. ................................................35

Figura 3.11 – Gráfico Tensão x Deformação do CP T3. ................................................35

Figura 3.12 – Gráfico Tensão x Deformação dos cinco ciclos do CP COG 2. ..............36

Figura 3.13 – Gráfico Tensão x Deformação completo do CP COG 2. .........................36





Figura 3.18 – Seção transversal do CP T2 mostrando a região de ruptura (50 X) e dois

aumentos onde se concentram as fibras longitudinais, (100 X e 200 X). .................39

Figura 3.19 – Seção transversal do CP T2 mostrando a região afastada da ruptura (50

X) e dois aumentos nas seções onde se concentram as fibras longitudinais, (100 X

e 200 X). ....................................................................................................................40

Figura 3.20 – Dispositivo para aplicação de carga no ensaio de flexão por quatro

pontos. .......................................................................................................................42

Figura 3.21 – Montagem utilizada no ensaio de flexão com indicação de

carregamento. ............................................................................................................43

Figura 3.22 - Gráfico Tensão x Flecha do ensaio de flexão com carga igual nos dois

lados do suporte. ........................................................................................................44

Figura 3.23 – Corpos de prova dos ensaios. (a) primeiro CP idealizado. (b) CP

anterior com seção aumentada por resina. (c) .CP utilizado no ensaio de

deformação lenta. ......................................................................................................46

Figura 3.24 – Esquema para confecção do CP utilizado no ensaio de deformação

lenta. ..........................................................................................................................47

Figura 3.25 – Montagem realizada para o ensaio de deformação lenta. ........................48

Figura 3.26 – Instrumentos de registro da deformação por deformação lenta. ..............49

xi

Figura 3.27 – Gráfico deformação lenta versus tempo correspondente à tensão de 127,5

MPa............................................................................................................................50

Figura 3.28 – Gráfico deformação lenta versus tempo correspondente à tensão de 255

MPa............................................................................................................................50

Figura 4.1 – Relação entre fração volumétrica de fibras e módulo de elasticidade na

tração. ........................................................................................................................55

Figura 4.2 – Relação entre fração volumétrica de fibras e tensão máxima de tração ....56

Figura 4.3 – Aspecto da fratura do corpo de prova 1A. .................................................57

Figura 4.4 – Aspecto da fratura do corpo de prova T1. ..................................................57



Figura 4.7 – Aspecto da fratura do corpo de prova Cog 2..............................................59



Figura 5.1 – Projeto para construção do protótipo a ser utilizado no ensaio de flexão por

quatro pontos. ............................................................................................................66

Figura 5.2 - Dimensões do corpo de prova e características de aplicação de carga do

ensaio de flexão. ........................................................................................................67

xii

ÍNDICE DE TABELAS

TABELA 2.1 – Propriedades das fibras de vidro ...................................................... 10

TABELA 3.1 - Propriedades mecânicas e físicas poliéster de vidro ................................. 27

TABELA 3.2 – Avaliação de densidade ...................................................................... 28

TABELA 3.3 – Volume de fibras................................................................................. 29

TABELA 3.4 – Resultados dos ensaios de tração ...................................................... 33

TABELA 3.5 – Dados do ensaio de flexão - corpo de prova 1m16 - Cargas iguais de

cada lado do suporte............................................................................................... 43

TABELA 3.6 – Resultados do ensaio de flexão - corpo de prova 1m16 - Cargas

iguais de cada lado do suporte............................................................................... 44

TABELA 4.1 – Valores para alongamento máximo na ruptura ....................................... 54

TABELA 4.2 – VALORES para módulo de elasticidade na tração.................................. 55

xiii

LISTA DE SÍMBOLOS

mc – massa do compósito.

mf – massa de fibra.

mm – massa de matriz.

vc – volume do compósito.

vf – volume de fibra.

vm – volume de matriz.

vv – volume de vazios.

ρ - massa específica.

m – massa.

v – volume.

cρ - massa específica do compósito.

fρ - massa específica da fibra.

mρ - massa específica da matriz.

Mm – fração de massa da matriz.

Mf – fração de massa da fibra.

Vv – fração volumétrica de vazios.

Vf – fração volumétrica de fibras.

Vm – fração volumétrica de metriz.

cγ - peso específico do compósito.

fγ - peso específico da fibra.

mγ - peso específico da matriz.

Wf – peso de fibras.

Wc – peso do compósito.

n1 – número de pixels correspondente à área de pico mais baixo do histograma.

n2 - número de pixels correspondente à área de pico médio do histograma.

n3 - número de pixels correspondente à área de pico mais alto do histograma.

xiv

N – número de pixels totais do histograma.

E1 – módulo de elasticidade longitudinal.

12υ - coeficiente de Poisson longitudinal.

Ect – módulo de elasticidade longitudinal à tração do compósito.

Ef – módulo de elasticidade longitudinal à tração da fibra.

Em – módulo de elasticidade longitudinal à tração da matriz

ctσ - limite de resistência longitudinal à tração do compósito.

fσ - limite de resistência longitudinal à tração da fibra.

mσ - limite de resistência longitudinal à tração da matriz.

ctε - alongamento máximo na ruptura à tração para o compósito.

fε - alongamento máximo na ruptura à tração para a fibra.

mε - alongamento máximo na ruptura à tração para a matriz.

Mmax – momento máximo à flexão.

P = carga total a ser colocada no ensaio de flexão.

fmax = flecha máxima que se deseja no ensaio de flexão.

I = momento de inércia do corpo de prova de flexão.

L = distância entre os apoios.

b = largura do corpo de prova de flexão.

h = espessura do corpo de prova de flexão.

σ = tensão aplicada à flexão.

E = módulo de elasticidade à flexão.

f = flecha a cada leitura de flexão.

1

Capítulo 1

INTRODUÇÃO

Materiais estruturais têm sido divididos em quatro categorias básicas conforme

relata ASHBY (1987): metais, polímeros, cerâmicos e compósitos, nele estando

incluído o concreto armado. Conforme definição de GIBSON (1994), compósitos

consistem em dois ou mais materiais distintos combinados em uma unidade estrutural

macroscópica. São geralmente usados porque têm propriedades desejáveis que não

puderam ser alcançadas por qualquer um dos materiais em separado, dentre elas temos:

• Baixa condutibilidade elétrica;

• Alta resistência à corrosão química;

• Alto módulo de elasticidade;

• Densidade menor que a do aço e alumínio;

• Podem ser fabricados em diversas cores e formatos;

• Baixo custo de manutenção;

• Fácil instalação e

• Alta resistência mecânica.

As propriedades dos compósitos são uma função das propriedades de suas fases

constituintes e da geometria do reforço, a qual compreende forma, tamanho, quantidade,

distribuição e orientação das fibras ou partículas.

Nos últimos anos a utilização de compósitos pultrudados de resina reforçada com

fibra de vidro tem aumentado gradativamente no Brasil, principalmente nas indústrias

de petróleo. Existe um número infinito de possibilidades de fabricação de pultrudados

cujo processo de fabricação é esquematizado na figura 1.1.

Um compósito pultrudado pode ser projetado em função de um ou mais dos

seguintes fatores:

1 - Forma: qualquer perfil de seção transversal constante pode ser pultrudado,

conforme apresentado na figura 1.2.

2 - Matriz de resina: sistemas de resina podem ser modificados para atender a

necessidades especiais como, por exemplo, temperaturas elevadas ou ambientes

altamente corrosivos ou úmidos. Resinas típicas inc luem poliéster, ester de vinil,

epóxi, e híbridas.

2

Figura 1.1 – Desenho esquemático do processo de pultrusão. Retirado de

www.cogumelo.com.br (2001).

Figura 1.2 - Formas complexas de perfis pultrudados. Retirado de

www.creativepultrusions.com (2001)

3 - Reforços: o tipo, forma, posição e quantidade de reforços podem ser usados

para maximizar economia, orientar resistência, e/ou outras características físicas. O

tipo de reforço pode ser, por exemplo, de fibras de vidro, carbono ou aramida. O

reforço de quaisquer destas fibras pode ser na forma de feixe (multifilamentos), tapete

(fibras longas contidas numa forma de tapete junto com uma camada resinosa), ou

tecidos.

3

4 - Projeto do compósito: uma peça pode ser fabricada por pultrusão, projetando-

se a resina e/ou reforço para alcançar uma necessidade particular. Qualquer projeto

pode ser mudado para alcançar propriedades especificadas, por exemplo, mudando a

quantidade, distribuição, tipo ou forma do reforço.

Conforme CALLISTER JR. (1994), REINHART (1987), CHAWLA (1987),

podemos citar algumas aplicações para perfis pultrudados:

- Construções off-shore.

- Aeronaves.

- Mineração.

- Automóveis.

- Plantas de processo Industrial.

- Telefonia móvel.

- Construções de edifícios.

- Construção naval.

As propriedades mecânicas e físicas de um compósito de resina reforçada com

fibra de vidro podem ser avaliadas através de ensaios como: tração, compressão, flexão,

torção, deformação lenta, queima e metalografia. O ensaio de metalografia nos permite

avaliar propriedades físicas e características importantes para o compósito, com o

auxílio da técnica de análise de imagens, tais como: fração volumétrica de fibras, matriz

e vazios, diâmetro das fibras ou partículas e comprimento de fibras.

O perfil pultrudado analisado no presente trabalho tem a forma de seção tipo “I”, e

pode ser utilizado em construção de edifícios, como elemento estrutural secundário em

construções off-shore, plantas de processo industrial e telefonia móvel, por exemplo.

Os objetivos principais da presente pesquisa são os seguintes:

- Avaliação das propriedades mecânicas de módulo de elasticidade à tração, limite

de resistência à tração, alongamento na ruptura à tração, módulo de elasticidade à flexão

e deformação por deformação lenta diferida no tempo à temperatura ambiente.

- Avaliação das propriedades físicas de peso específico e fração volumétrica de

fibras, matriz e vazios.

- Desenvolvimento de metodologia para padronização de ensaio de flexão por

quatro pontos. Esta metodologia deve ser elaborada de maneira simplificada com

vistas a permitir uma avaliação do módulo de elasticidade à flexão na própria indústria,

como parâmetro de controle de qualidade.

4

- Desenvolvimento de metodologia para padronização de avaliação da fração

volumétrica de fibras, matriz e vazios através da técnica de análise de imagem. Esta

metodologia também tem a função de permitir um melhor controle de qualidade dos

compósitos fabricados.

Para permitir a avaliação das propriedades mecânicas de tração, foram realizados

ensaios de tração simples e cíclica. O módulo de elasticidade à flexão, foi avaliado

através do ensaio de flexão por quatro pontos. A deformação lenta à temperatura

ambiente foi avaliada através de ensaio com carregamento do tipo gravitacional.

Em relação às propriedades físicas, o peso específico teve sua avaliação realizada

por pesagem e medição da geometria da amostra. Já a fração volumétrica das fibras foi

avaliada pelo ensaio de queima e análise de imagem para apenas uma das amostras.

Para esta amostra pela mesma técnica também foi possível avaliar as frações

volumétricas de matriz e vazios.

No capítulo 2, são apresentadas considerações a respeito do comportamento de

pultrudados reforçados com fibra de vidro. Os detalhes da análise experimental

realizada e os resultados obtidos são apresentados no capítulo 3. O capítulo 4 apresenta

a análise e discussão desses resultados e, finalmente, as conclusões deste estudo e

sugestão para trabalhos futuros são apresentados no capítulo 5.

5

Capítulo 2

PULTRUDADOS REFORÇADOS COM FIBRA DE

VIDRO

2.1 – Processo de pultrusão

Pultrusão é um processo industrial para produção contínua de formas estruturais

de resina plástica reforçada. As matérias-primas são uma mistura de resina líquida

(contendo resina e elementos aditivos, como por exemplo, coagulantes) e fibras

flexíveis para reforço. O equipamento de pultrusão puxa estas matérias-primas (em

lugar de empurrar como é o caso da extrusão) através de um molde de aço aquecido.

Os materiais de reforço alimentam o equipamento de forma contínua com rolos de

tapetes e/ou rolos de fios. Os reforços são saturados (molhados), com a mistura de

resina fora da forma, e atravessam o molde aquecido. O endurecimento da resina é

iniciado pelo calor do molde e com isso obtemos um perfil rígido e curado.

O conceito básico do processo de pultrusão é mostrado no esquema da figura 2.1,

e suas fases são descritas a seguir.

Figura 2.1 - Esquema de pultrusão contínuo. Elaborado por Morrison Molded

Fiber Glass Co.

6

Os rolos posicionam os reforços para alimentação subseqüente nas guias. O

reforço deve ser localizado corretamente dentro do compósito sendo esta a função das

guias de reforço, conforme pode-se observar na figura 2.2.

Figura 2.2 - Alimentação contínua do reforço. Retirado de

www.creativepultrusions.com (2001).

O banho de resina satura (molha) o reforço com uma solução que contém a resina,

pigmento, e catalisador com o intuito de garantir uma impregnação externa cuidadosa

(saturação completa) do reforço, como mostra a figura 2.3.

Figura 2.3 - Banho de resina. Retirado de www.creativepultrusions.com (2001).

7

No final do banho de resina, o compósito está em forma de folha plana. A seguir

passa por um molde inicial que aproxima o compósito do formato final. Esta fase

elimina a resina em excesso. Conforme o produto avança no molde, a reação é ativada

pelo calor e o compósito é curado (endurecido).

No final da mesa de pultrusão, o perfil curado é puxado para ser cortado no

tamanho correto, conforme mostrado na figura 2.4. É necessário esfriar o perfil para

prevenir fissuras e deformação antes que seja retirado para armazenamento.

Figura 2.4 - Saída do perfil da forma. Retirado de www.creativepultrusions.com

(2001).

Em certas aplicações, uma unidade geradora de onda de rádio freqüência é usada

para pré-aquecer o compósito antes de entrar na fôrma. Quando em uso, o aquecedor

de rádio freqüência é posicionado entre o banho de resina e o molde inicial.

2.2 –Manuseio e utilização de pultrudados

Os pultrudados são materiais de fácil utilização e manuseio. Para se montar

estruturas com perfis de material pultrudado, podem ser usadas as mesmas ferramentas

normalmente usadas para se trabalhar, por exemplo, com madeira, alumínio ou aço.

8

Os pultrudados podem ser cortados e perfurados, desde que a espessura máxima

seja 3/16” para perfuração e ¼” para corte. Os acessórios (como discos de corte e

brocas) utilizados para estes serviços devem ser à base de carbono ou ter a região de

corte coberta com pontas de diamante. O pó produzido nessas etapas não é tóxico e

não apresenta nenhum perigo sério à saúde, mas pode causar irritação na pele, que pode

ser reduzida ou eliminada com equipamento de proteção (macacão, luvas e máscara).

Outro cuidado que deve ser observado é evitar a produção de calor excessivo em

qualquer operação com máquina. Calor excessivo amolece a resina que une as fibras

de vidro resultando em superfície de corte esfarrapada.

Por último, durante as operações de perfuração ou corte, os perfis devem ser bem

apoiados para prevenir deformações.

2.3 - Defeitos e imperfeições mais comuns em pultrudados com reforço de fibras de

vidro

Segundo LACOVARA, quando o projetista e o fabricante trabalham juntos em

um projeto, os defeitos são menos prováveis de acontecer. Usando o "conceito de

equipe" desde o princípio de um projeto, todos os elementos necessários podem ser

resolvidos antes que surjam defeitos e imperfeições irreversíveis. Alguns desses

defeitos interferem no desempenho do compósito alterando suas propriedades.

Os defeitos mais relevantes que interferem nas propriedades do compósito são:

Bolha - uma elevação arredondada em forma de bolha que pode ser superficial ou

interna. Essas bolhas podem existir dentro do pultrudado como uma área de

delaminação oca (normalmente cheia de gás) debaixo de uma elevada camada

superficial. Se essas bolhas forem de pequeno diâmetro são chamadas de poros, se

forem de diâmetro maior são chamados de vazios

Trincas - uma separação visual que acontece internamente ou penetra abaixo da

superfície de pultrudados. Pode provocar ruptura.

Fissuras -. múltiplas trincas em pultrudados. Podem ser finas como fios de

cabelo e com formato de estrelas. Essas fissuras são uma região de concentração de

tensões, e podem ser superficiais ou penetrarem no reforço. Este defeito é bastante

nocivo porque impedirá a matriz de transmitir normalmente os esforços à fibra.

9

Delaminação - é a separação de duas ou mais camadas de material ou planos de

reforço dentro de um pultrudado.

Cura insuficiente - uma anormalidade de pultrusão criada por falta de cura, ou

cura incompleta em uma seção da resina. Esta condição normalmente provoca redução

na dureza e nas propriedades físicas. Seções espessas, curadas de fora para dentro,

podem revelar cura insuficiente no centro da seção embora completamente curadas na

superfície. Esta condição pode ser causada por temperatura de cura insuficiente,

catalisador impróprio, ou deslizamento muito rápido para a temperatura de cura.

2.4 – Principais propriedades da fibra de vidro

Conforme CALLISTER (1994), uma característica importante da maioria dos

materiais, especialmente os materiais frágeis, é que a adição de fibras de pequeno

diâmetro torna esse material muito mais resistente que o material principal, que é

chamado de matriz. Com isto, a probabilidade da presença de uma falha crítica que

pode conduzir a uma fratura, diminui com o volume decrescente do material da matriz.

Esta característica é usada como vantagem nos compósitos reforçados com fibra. Por

isso, geralmente os materiais usados como fibras de reforço têm alta resistência à tração.

Materiais que são classificados como fibras têm diâmetros pequenos e podem ser

polímeros ou cerâmicos (por exemplo, o polímero de aramida, vidro, carbono, boro,

óxido de alumínio e carboneto de silicone).

Uma grande variedade de fibras é usada como reforço para compósitos. As

características desejáveis da maioria das fibras de reforço são: alta resistência, alta

dureza; e densidade relativamente baixa. Cada tipo de fibra tem suas próprias

vantagens e desvantagens. Entre as mais utilizadas na fabricação de compósitos está a

fibra de vidro que é comumente utilizada em compósitos de baixo a médio desempenho.

Fibra de vidro é um constituinte do compósito, que pode ser contínuo ou

descontínuo, contido em uma matriz plástica. Este tipo de compósito é produzido em

grandes quantidades. O vidro é o material de fibra de reforço mais usado por várias

razões, conforme descreve CALLISTER (1994):

1. É facilmente obtido em fibras de alta-resistência à partir do estado fundido.

2. É encontrado facilmente e pode ser fabricado utilizando uma grande variedade

de técnicas industriais viáveis economicamente.

10

3. Como fibra, é relativamente resistente. E quando embutida em uma matriz de

plástico, produz um compósito com uma resistência específica muito alta.

4. Quando associada a alguns tipos de plásticos, possui uma inércia química que

produz um compósito resistente à vários ambientes corrosivos.

As características de superfície das fibras de vidro são extremamente importantes

porque até mesmo pequenas imperfeições na sua superfície, podem afetar suas

propriedades elásticas. Falhas de superfície acontecem facilmente quando a superfície

da fibra de vidro entra em atrito com outro material duro. Geralmente, superfícies de

fibras de vidro expostas à atmosfera, mesmo por pequenos períodos de tempo, são

atacadas, o que interfere na união com a matriz. Ultimamente, para prevenir esses

efeitos, durante a fabricação as fibras normalmente são cobertas com um material que

protege a superfície de dano e interações indesejáveis, o que permite uma adesão melhor

entre a fibra e matriz.

Conforme indica DANIEL (1994), os dois tipos de fibra de vidro ma is usados são

E-glass e S-glass. Essas fibras têm como vantagem alta resistência e baixo custo e,

como desvantagem, baixa dureza, baixa resistência à fadiga, baixa resistência a altas

temperaturas e alta degradação quando submetidas à exposição em severas condições de

umidade. A tabela 2.1 apresenta algumas propriedades referentes aos dois tipos mais

usados de fibra de vidro.

TABELA 2.1 – PROPRIEDADES DAS FIBRAS DE VIDRO

Tipo Fabricante Resistência

à tração MPa (ksi)

Módulo de

elasticidade GPa (Msi)

Densidade (g/cm³)

E-glass Corning 3.450 (500) 72,5 (10,5) 2,54 S-glass Corning 4.480 (650) 85,6 (12,4) 2,49

2.5 – Principais propriedades da matriz

A matriz nos compósitos desempenha três funções muito importantes. Primeiro

liga as fibras, sendo o meio pelo qual uma tensão externa aplicada é transmitida e

distribuída às fibras. Só uma proporção muito pequena da carga aplicada é absorvida

pela matriz. A segunda função da matriz é proteger as fibras individuais de danos de

superfície provocados por abrasão mecânica ou ambientes agressivos. Tais interações

11

podem introduzir falhas de superfície capazes de formar fissuras que podem conduzir a

ruptura com baixos níveis de tensão de tração. Finalmente, a matriz separa as fibras e,

em virtude de sua relativa plasticidade, previne a propagação de fraturas frágeis de fibra

para fibra que poderiam resultar em ruptura catastrófica. Em outras palavras, a matriz

serve como uma barreira para propagação de fissuras, embora uma fratura completa não

ocorrerá até que um número grande de fibras adjacentes tenham falhado e tenham

formado um agrupamento de falha de tamanho crítico.

Conforme descrito em DANIEL (1994), quatro tipos de matrizes são usadas em

compósitos: polímérica, metálica, cerâmica e de carbono. As matrizes metálicas, são

recomendadas para aplicações sujeitas a altas temperaturas, aproximadamente 800° C.

Para aplicações que precisam resistir a altíssimas temperaturas, acima de 1000º C, são

usadas matrizes cerâmicas.

Normalmente, metais e polímeros são usados como materiais de matriz porque é

desejável que se tenha alguma ductilidade. Polímeros são usados como matriz na

maioria das aplicações de compósitos, em função de suas propriedades e de tornar mais

fácil a fabricação do compósito, conforme relata CALLISTER (1994).

As matrizes políméricas mais comumente usadas são: epóxi e poliéster. As que

mais se desenvolveram são do tipo epóxi, podendo ser formuladas com alta dureza. Há

dois tipos de epóxis: os que curam a baixa temperatura (120°C) e são usados em

componentes expostos à baixa ou moderada variação de temperatura (por exemplo,

materiais esportivos), e os que curam a uma temperatura mais alta (175°C) e são usados

em componentes de alto desempenho e expostos a temperaturas mais elevadas e grandes

variações de umidade (por exemplo, estrutura de aeronave).

As matrizes de poliéster são extensamente usadas para aplicações em regiões

marítimas e industrias químicas. Suas vantagens são baixo custo e flexibilidade na

formulação.

O principal uso de resinas de poliéster é em compósitos reforçados com fibra de

vidro. Uma quantidade enorme de resinas de poliéster pode ser produzida variando-se

as proporções de seus componentes. O EUROCOMP (1997) indica que, poliésteres

reforçados com fibras de vidro são usados desde o início dos anos 60 na fabricação de

barcos. Na indústria da construção se tornaram extensamente utilizados em painéis

pré-fabricados para forros e banheiras.

12

2.6 – Compósitos reforçados com fibra de vidro

Plásticos reforçados com fibra de vidro são referidos, freqüentemente,

simplesmente como "fibra de vidro" (como em tanques de fibra de vidro, formas

estruturais de fibra de vidro, barcos de fibra de vidro, etc.). O que é usado neste

contexto “fibra de vidro”, consiste num compósito de matriz de resina plástica,

reforçada através de fibras de vidro embutidas. A resistência do reforço de fibra de

vidro é principalmente determinada pelo tipo, orientação, quantidade, e localização das

fibras no interior da matriz.

A resina une o reforço de fibras de vidro, sendo este o principal responsável pela

rigidez da peça. A resina usada determina ainda a resistência à corrosão, resistência à

chama e temperatura máxima operacional, como também contribui significativamente

para certas características de resistência, inclusive resistência ao impacto e resistência à

fadiga.

2.7 – Propriedades físicas dos compósitos

A caracterização física de compósitos inclui a determinação da densidade, do peso

específico, das frações volumétricas de fibra, de matriz e de vazios, entre outras. Cada

uma dessas propriedades serão comentadas a seguir.

2.7.1 – Massa específica e peso específico

Segundo CHAWLA (1987), se considerarmos um compósito de massa mc, a

massa total do compósito será o total de soma das massas de fibra e matriz, ou seja:

mfc mmm += (2.1)

Os índices c, f e m indicam respectivamente compósito, fibra e matriz, sendo a Eq.

(2.1) válida para qualquer porcentagem de vazios. O mesmo não ocorre com o volume

(vc), onde a porcentagem de vazios tem que ser incluída, e teríamos então:

vmfc vvvv ++= (2.2)

Sabendo-se que vm

=ρ , se relacionarmos com a Eq. (2.1) teremos:

13

c

mmff

c

mf

c

cc v

vv

v

mm

vm ρρ

ρ+

=+

== (2.3)

Também podemos usar uma expressão derivada em termos de frações de massa

obtida através da equação c

cc v

m=ρ . Assim,

=++

=++

==

vm

m

f

f

c

vmf

c

c

cc

vmmm

vvvm

vm

ρρ

ρ ( )cm÷

c

v

m

m

f

f

cc

v

m

m

f

f

c

v

m

m

f

f VMM

vvMM

mvMM

ρρρρρρρρ++

=++

=++

=111

( )cρ×

vm

m

f

fc

cc

VMM

+

+

=

ρρρ

ρρ (2.4)

ou, se agora tirarmos o valor de Vv da Eq. (2.4), teremos:

1==+

+

c

cv

m

m

f

fc V

MM

ρρ

ρρρ

+−=

m

m

f

fcv

MMV

ρρρ1 (2.5)

Freqüentemente, os conceitos de massa específica, peso específico e densidade,

são facilmente confundidos conforme podemos ver a seguir BAUER (1982).

Massa é a quantidade de matéria , e é constante para o mesmo corpo, esteja onde

estiver. Peso é a força com que a massa é atraída para o centro da terra; varia de local

para local. E chama-se densidade de um material a relação entre a sua massa e a massa

de mesmo volume de água destilada a 4° C, no vácuo.

Se agora considerarmos, não a massa, mas o peso total do compósito (pc), teremos

o peso específico que é dado pela expressão:

c

cc v

W=γ (2.6)

14

2.7.2 – Fração volumétrica de fibra

Existem vários métodos para a determinação da fração volumétrica de fibra, que é

uma propriedade importante do compósito. Segundo DANIEL (1994), quando se pode

garantir que o material compósito tem uma quantidade desprezível (menos que 1%) ou

nula de porosidade, a fração volumétrica de fibra pode ser obtida em função das

densidades do compósito e dos seus componentes pela seguinte relação:

mf

mcfV

ρρρρ

−−

= (2.7)

onde cρ , mρ e fρ são as massas específicas do compósito, da matriz e da fibra,

respectivamente. Segundo CHAWLA (1987), se o volume de vazios é considerável

teremos:

vmf VVV −−= 1 (2.8)

onde Vf, Vm e Vv são frações volumétricas de fibra, matriz e vazios

respectivamente.

Os métodos de queima ASTM D 2584 (1990) e D 297 (1975), podem ser

aplicados a compósitos que têm fibras inorgânicas em uma matriz orgânica, como

vidro/epóxi. Uma amostra do material compósito é seca em estufa e pesada, sendo

então aquecida até a matriz estar completamente queimada. O resíduo das cinzas é

lavado, seco e pesado. A relação de volume de fibra é obtida como:

cc

fff W

WV

γ

γ= (2.9)

onde: Wc e Wf são os pesos do compósito e fibras, respectivamente.

A relação do volume de fibra também pode ser determinada através de técnicas

óticas baseadas em análise de imagem de fotomicrografia de seções transversais às

fibras no compósito. Uma aproximação elementar consiste em contar o número de

fibras da seção transversal de uma fração dentro da região da fotomicrografia, calcular a

área total das seções de fibra e dividir pela área total fotografada. Técnicas de análise

de imagem mais sofisticadas também são usadas e podem determinar a fração

volumétrica de fibra, de matriz e de vazios, conforme LI et al. (1992) e RUDNAYOVÁ

et al (2000).

15

2.7.3 – Fração volumétrica de Vazios (Porosidade)

A relação de volume de vazios (ou relação de porosidade) pode ser obtida como

descrito na norma ASTM D 2734-70, isto é, expresso em termos das quantidades

medidas na dissolução ácida ou métodos de queima, ASTM D 2584 (1990):

( )cc

mfcffv W

WWWV

γ

γγ −+−= 1 (2.10)

ou, segundo CHAWLA (1987), através da seguinte equação:

+−=

m

m

f

fcv

MMV

ρρρ1 (2.11)

Segundo DANIEL (1994), o método preferido para determinação de porosidade

em um compósito é o método de análise de imagem mencionado anteriormente. A

fotomicrografia da seção transversal de um compósito, mostra as fibras, matriz e vazios

com tonalidades cinza claro, cinza escuro, e negro, respectivamente, conforme se

observa na figura 2.5. No procedimento de análise de imagem, a seção transversal é

registrada por uma máquina fotográfica digital, acoplada a um microscópio eletrônico

que transmite a imagem em forma digital para um computador. Esta imagem é

convertida em uma imagem retangular inteira no modo escala de cinza, que

corresponderá ao tom cinzento de cada elemento de quadro (pixel). A imagem digital é

processada e representada num histograma de níveis de cinza. Este histograma resume

o conteúdo do nível de cinza da imagem e mostra para cada nível o número de pixels na

imagem.

Para exemplificar o procedimento, foi realizada metalografia de uma seção

transversal retirada de um perfil “U”, com um volume de fibra de 60% indicado pelo

fabricante. Processando a imagem , obteve-se um histograma com três regiões distintas

de pico, alto médio e baixo. Essas três regiões de pico do histograma, são

representadas nas figuras 2.6, 2.7 e 2.8, e correspondem à porosidade, matriz, e fibras,

respectivamente. Os pixels são separados em três grupos que correspondem à

porosidade, matriz, e fibras. São assim obtidas as frações volumétricas de vazios, de

matriz e de fibras como a seguir :

Nn

Vv1= (2.12)

16

Nn

Vm2= (2.13)

Nn

V f3= (2.14)

onde: n1, n2 e n3 correspondem aos números de pixels dos níveis de cinza

associados com porosidade, matriz, e fibras, respectivamente, e N é o número total de

pixels.

Figura 2.5 – Imagem digitalizada de material compósito de vidro/poliéster (perfil

“U”). Seção transversal usada para determinar fração volumétrica de vazios, de matriz

e fibras.

17


menor pico, que corresponde aos vazios e cuja fração volumétrica é de 6,83%.

Figura 2.7 - Histograma da figura 2.5 mostrando o número de pixels relativos à área de

médio pico, que corresponde à matriz e cuja fração volumétrica é de 33,17%.

18


maior pico, que corresponde à fibra e cuja fração volumétrica é de 60,00%.

2.8 - Propriedades mecânicas dos compósitos

Neste item consideraremos os resultados da incorporação de fibras em uma matriz

polimérica. Conforme citado anteriormente no item 2.5, a matriz, além de unir as

fibras, tem a função importante de transferir a carga aplicada para as fibras. É de

grande importância a possibilidade de se poder prever as propriedades de um

compósito, determinando as propriedades dos componentes e o arranjo geométrico a ser

adotado. Poderíamos examinar vários aspectos da micromecânica dos compósitos

fibrosos. No caso de propriedades mecânicas, podemos utilizar a regra das misturas

CHAWLA (1987); DANIEL (1994) como uma simplificação se o compósito é

unidirecional, porém, se quisermos levar em conta características como empacotamento

das fibras (arranjo das fibras unidirecionais, que podem ser por exemplo quadrado ou

hexagonal) e interação fibra/matriz, é melhor usar aproximações mais sofisticadas

baseadas na teoria de elasticidade que resultam em informação mais precisa.

19

Conforme descreve DANIEL (1994), estas propriedades podem apresentar

variação importante para o mesmo material, conforme acontece por exemplo, em

diferentes partidas de aço.

Nem sempre é prático caracterizar cada grupo de material experimentalmente. É

desejável realizar avaliações realistas das propriedades do compósito, como uma função

das propriedades de seus constituintes e características geométricas, como relação de

volume de fibra e parâmetros de empacotamento geométrico.

Uma variedade de métodos tem sido usados para avaliar as propriedades

mecânicas de materiais compósitos. Alguns métodos podem ser agrupados com base

nos seguintes princípios e áreas de conhecimento:

- Mecânica de materiais ;

- Análise numérica;

- Métodos semi-empíricos;

- Métodos experimentais.

As avaliações mecânicas de materiais estão baseadas em suposições simplificadas

de tensão uniforme ou deformação uniforme nos componentes. Essas suposições são

adequadas para propriedades longitudinais como módulo de elasticidade (E1) e o

coeficiente de Poisson principal ( 12ν ).

Aproximações numéricas usam diferenças finitas, elementos finitos ou métodos

de elemento de contorno, porém consomem algum tempo e não são aplicáveis na forma

de expressões fechadas. Normalmente são apresentados resultados na forma de

famílias de curvas, ADAMS e DONER (1967).

HALPIN and TSAI (1967), desenvolveram relações semi-empíricas para evitar as

dificuldades com as aproximações teóricas e facilitar a computação. Estas relações são

expressas em termos da medida da eficiência do reforço (ou transferência de carga) e é

determinado com a ajuda experimental.

2.8.1 – Módulo de elasticidade longitudinal na tração

Propriedades relacionadas a carregamento na direção das fibras, E1 e 12ν , são

dominadas pelas fibras que são normalmente mais resistentes, rígidas, e tem uma

deformação última mais baixa. Todas as avaliações e resultados experimentais, neste

20

caso, estão muito próximos dos resultados obtidos pela regra das misturas, onde o

módulo longitudinal ctE é determinado por:

mmffct EVEVE += (2.15)

onde Ef e Em são o modulo longitudinal da fibra e da matriz, respectivamente, e Vf

e Vm são as relações de volume de fibra e matriz, respectivamente. Nesta relação, é

assumido que a fibra pode ser anisotrópica, com propriedades diferentes nas direções

axial e transversal e que a matriz é isotrópica.

Usando um princípio de analogia podemos obter igualmente a resistência à tração

através da fórmula:

mmffct VV σσσ += (2.16)

Para compósitos com fibras muito rígidas, i.e., quando Ef >>Em, e valores

significativos de Vf, o compósito falha quando sua tensão longitudinal alcança a tensão

última da matriz. Então, a resistência à tração longitudinal do compósito pode ser

calculada aproximadamente pela relação:

+×≅ m

m

ffmct V

E

EVσσ (2.17)

Ainda, usando o mesmo princípio, podemos obter o alongamento pela fórmula:

mmffct VV εεε += (2.18)

Como simplificação, VOIGT (1910) elaborou a seguinte hipótese: considerando

um compósito unidirecional, assumimos que as seções transversais deste compósito

permanecem planas depois de deformadas, ao aplicar-se uma força P na direção da

fibra. Considerando-se que os dois componentes aderem perfeitamente e se,

adicionalmente, esses componentes apresentarem o mesmo valor do Coeficiente de

Poisson, então, cada componente sofrerá o mesmo alongamento longitudinal l∆ .

Assim, podemos escrever para a tensão em cada componente:

ll

ctmf∆

=== εεε (2.19)

onde ctε é a deformação no compósito na direção longitudinal. Esta propriedade

é denominada isodeformação. Se fibra e matriz são elásticas, podemos relacionar a

tensão σ nos dois componentes para a deformação tε , através do modulo de Young

(E). Assim, teremos como tradicionalmente se adota:

21

ct

ctctE

εσ

= (2.20)

2.8.2 – Módulo de elasticidade longitudinal na flexão

O teste de flexão em uma pequena viga é o teste de execução mais simples, sendo

por isso muito empregado. Num ensaio de flexão a viga sofre dois estados de tensão

distintos: o estado de tensão na face superior da viga é compressão, enquanto que na

face inferior é de tração.

Conforme apresentado em EUROCOMP (1997), devemos notar que o módulo de

elasticidade na flexão não apresenta o mesmo valor que os módulos de tração ou de

compressão que podem ser determinados por métodos teóricos.

Embora testes de flexão não forneçam dados básicos para projeto, seu uso é

freqüente em função do material estar sujeito a carregamento de flexão em serviço.

No ensaio de flexão, se o objetivo é analisar o modo de falha em serviço, é

necessário que a relação comprimento/espessura do corpo de prova, seja semelhante à

da peça estrutural a ser usada in situ, a qual se deseja qualificar. Se esta relação não for

similar, o modo de falha em serviço pode ser diferente do que se obteve no teste de

laboratório. Mas, se o objetivo é apenas a avaliação do módulo de elasticidade na

flexão, a relação comprimento/espesura não é importante.

Conforme a norma ASTM D 790-70 (1970), podem ser usados três pontos (figura

2.9) ou quatro pontos de carregamento (figura 2.10), ou seja, um ou dois pontos de

carga, mais o número de pontos de apoio que são dois em qualquer caso.

Figura 2.9 – Flexão por 3 pontos de carregamento (um ponto de aplicação de

carga e dois apoios.

22

Figura 2.10 – Flexão por 4 pontos de carregamento (dois pontos de aplicação de

carga e dois apoios).

Conforme relata DONALD, o momento de carregamento máximo para flexão por

3 pontos é igual ao momento de carregamento máximo para flexão por 4 pontos,

conforme mostrado a seguir:

( ) 422max PLLPM == (2.21)

( ) 44max PLLPM == (2.22)

Três pontos de carregamento resultam em um momento de flexão que aumenta

linearmente até um máximo no centro da viga. Quatro pontos de carregamento,

resultam em um momento de flexão que aumenta linearmente até um máximo nos

pontos de carregamento, e permanece constante entre eles. Assim, um maior volume

de material é sujeito ao momento máximo no caso de quatro pontos de carregamento.

Com base nas considerações anteriores, comparando os dois procedimentos, não

parece haver nenhuma vantagem distinta entre uma configuração ou outra que não seja

23

a possibilidade de realizar mais facilmente a leitura da deflexão máxima. Parece-nos,

portanto, mais apropriado a adoção do modelo de ensaio com quatro pontos de carga.

2.8.3 – Deformação lenta à temperatura ambiente

Deformação lenta é a deformação de um material (ou estrutura) dependente do

tempo, em função de uma carga constante. A deformação lenta pode ser definida como

a deformação adicional exibida por um material depois um determinado tempo

decorrido.

Fibras como vidro, boro, ou carbono apresentam pouquíssima deformação lenta às

temperaturas de trabalho em compósitos de matriz polimérica. Igualmente, a matriz

polimérica de uso comum na maioria dos compósitos de alto desempenho, exibe

relativamente baixas taxas de deformação lenta em baixas temperaturas. Assim,

quando as propriedades são dominadas pelas fibras, os compósitos apresentam

freqüentemente pequena ou nenhuma deformação lenta mensurável e, quando as

propriedades são dominadas pela matriz, apresentam muito pouca deformação lenta.

Em compósitos de fibras alinhadas, onde o carregamento ocorre ao longo da

direção de fibra, é improvável que ocorram problemas de deformação lenta

significativos. Por outro lado, se o carregamento for perpendicular em relação à

direção da fibra, pode resultar em deformação excessiva.

A natureza e a quantidade do reforço são fatores importantes na deformação lenta.

No documento EUROCOMP (1997), verificamos que compósitos com fração

volumétrica de fibras com níveis altos têm pequena deformação lenta. Igualmente,

pequenas relaxações são obtidas para compósitos de fibras contínuas paralelas à carga

externa. Em materiais reforçados com tecidos, o enrugamento pode causar fratura

interlaminar, contribuindo para a deformação lenta. De todos os reforços potenciais,

tapete de fios cortados e tapetes de filamentos contínuos são os menos resistentes à

deformação lenta.

Há dificuldades para se extrair dados de deformação lenta na literatura publicada.

Obter-se dados confiáveis é difícil, pela variedade de materiais compósitos e freqüente

ausência de detalhes que descrevam o material na maioria das fontes de informação.

Freqüentemente, tais resultados são limitados, e só podem ser usados para indicar

tendências.

24

2.8.3.1 - Fatores que afetam magnitude da deformação lenta

Segundo o EUROCOMP (1997), a deformação lenta é essencialmente um

fenômeno dominado pela matriz, para o qual os seguintes fatores determinarão o grau

de deformação lenta em um determinado momento:

(a) Materiais:

- Tipo de resina e grau de cura.

- Interface entre fibra e matriz.

- Fração de volume de fibras.

- Forma do reforço (tecido, fibras, tapetes, etc).

- Orientação das fibras com respeito à carga aplicada.

- Método de fabricação.

(b) Ambiente:

- Temperatura.

- Regime de carregamento (particularmente compressão, flexão e todos os modos

de fratura).

- Substâncias químicas agressivas.

- Conteúdo de umidade.

- Carregamento cíclico e intermitente.

Geralmente, a matriz polimérica é o elemento de menor resistência mecânica de

qualquer material compósito e determinará o desempenho global e uso em serviço. A

matriz tem um papel crítico, transferindo carga para a fibra e estabilizando a fibra local

em compressão e tração, fornecendo igualmente proteção contra ambientes agressivos.

Entre os fatores listados acima, a temperatura tem uma das influências mais

significativas em comportamento de deformação lenta dos compósitos, em função do

comportamento da matriz. Em função dos fatores descritos acima, se houver

necessidade de controlar os efeitos da deformação lenta, é essencial fazer uma boa

seleção do polímero a ser usado na fabricação do compósito.

25

2.8.3.2 – Condições ideais para projeto de pultrudados reforçados com fibra de

vidro

Segundo o EUROCOMP (1997) a metodologia para projeto de pultrudados

reforçados com fibra de vidro que satisfaça a resistência à deformação lenta deveria,

fundamentalmente, estar baseada em limitar as tensões iniciais na matriz. Isto deveria

ser aplicado a todas as direções primárias de carregamento, onde deformação lenta e

deflexões são críticas. Os reforços deveriam ser contínuos, não enrugados, e materiais

fabricados para resistência e rigidez altas. Em geral, isto implica em materiais com

frações de volume altas, acima de 50% para as fibras. É necessário selecionar um

sistema de resina para satisfazer efeitos de altas temperaturas, permitindo uma margem

conservadora de pelo menos 50°C entre a temperatura de serviço e a temperatura de

amolecimento do compósito, e também apresentar uma redução dos efeitos de umidade.

As fibras devem ser alinhadas em relação às tensões principais, para limitar as

deformações e minimizar a ruptura na resina. Como já foi dito, as fibras deveriam ser

contínuas, porém, se for necessário o uso de tecidos, deve-se garantir que haja pouco

enrugamento, para minimizar sua influência na deformação lenta. A deformação lenta

das fibras é secundária em relação ao polímero. No entanto, se fibras individuais

falham, haverá uma redistribuição de carga que resultará em um aumento da

deformação lenta.

26

Capítulo 3

ANÁLISE EXPERIMENTAL

O objetivo deste capítulo é apresentar com detalhes os ensaios realizados, assim

como os resultados obtidos, sendo que a análise e discussão serão apresentadas no

capítulo 4.

3.1 – Dados relativos ao material estudado

Foram indicadas pelo fabricante para o perfil utilizado (perfil I), as porcentagens

de fibra e de matriz, iguais a 55% e 45% respectivamente. Não foi indicado o volume

de vazios. A resina utilizada é poliéster isoftálica resistente a altas temperaturas e a

fibra de vidro é do tipo E-glass.

As dimensões do perfil estudado são indicadas na figura 3.1.

Figura 3.1 – Dimensões e geometria do perfil estudado.

3.1.1 – Matérias primas usadas no perfil estudado

No perfil analisado foram utilizados pelo fabricante os seguintes tipos de matérias

primas:

27

- Resinas poliéster de alto desempenho, misturadas com catalisadores e

pigmentos.

- Mantas de fibras de vidro, posicionadas entre as camadas de fibras contínuas.

As mantas são fornecidas em rolos largos que, para serem processados, são cortados em

rolos menores, com larguras adequadas a cada perfil.

- Fibras de vidro contínuas “ROVINS” - encontradas em maior quantidade.

- Véu de superfície - se posicionam na superfície, para produzir camada externa

rica em resina com bom acabamento.

3.1.2 – Propriedades indicadas pelo fabricante

Os dados de propriedades dos materiais usados na pultrusão, informados pela

Cogumelo Pultrudados em Fibra de Vidro, são apresentados na tabela 3.1.

TABELA 3.1 - PROPRIEDADES MECÂNICAS E FÍSICAS POLIÉSTER DE VIDRO 45% a 55% de fibras de vidro

Longitudinal Transversal Propriedades Unidades

Mínimo Máximo Mínimo Máximo

75% de

fibras de

vidro Resistência à tração MPa 210 260 49 70 700

Módulo de elasticidade à tração MPa 17500 21000 5600 7000 42000

Resistência à flexão MPa 210 260 70 98 700 Módulo de elasticidade

à flexão MPa 11200 14000 5600 7000 42000

Resistência à compressão MPa 210 260 105 140 420

Módulo de elasticidade à compressão MPa 17500 17500 7000 8400 27300

Resistência ao impacto MPa 3,9 4,2 5,6 7,0 5,6 Alongamento na

ruptura (%) 2

Peso Específico (g/cm³) 1,4 a 1,8 Coeficiente de

dilatação térmica cm/cm.°C 5,2x10-6

Absorção de água max % 0,6 Resistência ao arco segundos 120 Rigidez dielétrica kv/mm 16 Dureza BARCOL - 50

28

3.2 – Análise de peso específico

Através da fórmula tradicional para obtenção de peso específico:

ccc vW=γ (3.1)

foi feita avaliação do material em estudo, utilizando balança digital marca Bell Mark,

com capacidade de 4000 gf e sensibilidade de 0,01 gf/div, além de um paquímetro

marca Mitutoyo de sensibilidade 0,02 mm/div. Para este levantamento foram utilizados

10 corpos de prova anteriormente confeccionados para ensaios de tração, mostrados na

figura 3.2, cujos dados são descritos na tabela 3.2.

Figura 3.2 – Corpo de prova utilizado para obtenção do peso específico.

TABELA 3.2 – AVALIAÇÃO DE DENSIDADE Peso (gf)

Dimensões (cm)

Volume (cm³)

Peso Específico γ (gf/cm³)

46,92 25,078x1,540x0,780 30,124 1,6 42,18 25,006x1,550x0,720 27,907 1,5 35,19 24,930x1,520x0,770 29,178 1,2 33,13 25,040x1,510x0,724 27,375 1,2 46,05 25,010x1,540x0,790 30,427 1,5 42,34 25,010x1,540x0,800 30,812 1,4 41,63 25,080x1,510x0,750 28,403 1,5 36,22 25,008x1,540x0,740 28,499 1,3 35,25 25,010x1,508x0,750 28,286 1,3 40,63 25,088x1,510x0,764 28,943 1,4

MÉDIA 1,4 DESVIO PADRÃO (%) 9,85

29

3.3 – Análise do volume de fibra

Foram realizadas no Instituto de Macromoléculas da UFRJ análises da fração

volumétrica de fibras pelo processo de queima ASTM D 297 (1975), em quatro

amostras, cujos resultados são apresentados na tabela 3.3.

TABELA 3.3 – VOLUME DE FIBRAS Amostra Volume (%)

1A 65,7 Cog2 59,2 T2 62,7

Cog4 57,9 MÉDIA 61,4

Na amostra T2, foi também realizada avaliação por análise de imagem, sendo

estabelecido não só o volume de fibra, mas também os volumes de matriz e vazios. O

procedimento é o mesmo descrito no ANEXO B e o programa de tratamento de imagem

utilizado é Photoshop 7.0. A imagem da seção analisada está na figura 3.3 e os

resultados encontrados estão nas figuras 3.4, a 3.6.

Figura 3.3 – Imagem digitalizada de fibra de vidro/poliéster da amostra T2.

Seção transversal usada para determinar fração volumétrica de vazios, matriz e fibras.

30


maior pico, que corresponde à fibra e cuja fração volumétrica encontrada foi de 59,19%.


médio pico, que corresponde à matriz e cuja fração volumétrica encontrada foi de 38,17%.

31


menor pico, que corresponde aos vazios e cuja fração volumétrica encontrada foi de 2,64%.

Observa-se, portanto, frações volumétricas para as fibras, matriz e vazios, iguais a

59,19%, 38,17% e 2,64% respectivamente.

3.4 – Análise dos ensaios de tração

Foram realizados ensaios de tração convencional em sete corpos de prova e

obtidas as seguintes propriedades:

- Tensão máxima;

- Módulo de elasticidade;

- Alongamento na ruptura.

Nos CPs 1A, T1, T2 e T3, foram realizados ensaios de tração simples em máquina

de ensaios Shimadzu, servo controlada com capacidade de carregamento máximo de

100 tf. Nos CPs COG 2, COG 3 e COG 4 foram realizados ensaios de tração cíclica

com cinco ciclos parciais e um ciclo completo, cada um dos ciclos parciais foi

estabelecido em função da carga máxima de tração avaliada em ensaio anterior. O 1°

ciclo com 10% desta carga (2,5 KN), o 2° ciclo com 20% (5 KN), o 3° ciclo com 30%

32

(7,5 KN), o 4° ciclo com 40% (10 KN), 5° ciclo com 50% (12,5 KN) e o último um

ciclo completo até a ruptura, todos realizados em uma máquina Instron 8802 com

controle de carga e capacidade de carga de 25 tf. A intenção deste tipo de ensaio era

verificar se os ciclos consecutivos alterariam as propriedades do material.

Os corpos de prova foram confeccionados com base na tabela 2 da ASTM D

3039, apresentada no ANEXO B, cujas dimensões são retiradas de acordo com a

espessura disponível no material de origem. Como o perfil estudado tem a orientação

das fibras a 0°, os corpos de prova confeccionados tem as seguintes dimensões: 15 mm

de largura, 250 mm de comprimento e espessura de 7,5 mm que corresponde à

espessura das paredes do perfil.

Conforme recomendado pela ASTM D 3039 (1995), para os ensaios de tração foi

colocada uma proteção, nas extremidades do corpo de prova, 1A, T1, T2 e T3, para

possibilitar maior aderência e minimizar os efeitos da pressão da garra no corpo de

prova, figura 3.7. Os corpos de prova COG2, COG3 e COG4 não foram ensaiados

com proteção das extremidades porque a máquina Instron utilizada não apresentava

espaço entre as garras para utilização desta proteção. Em compensação, a aplicação de

carga transversal de fixação nas garras se dá suavemente, sem prejudicar o corpo de

prova.

O módulo de elasticidade médio das amostras 1A, T1, T2 e T3, foi obtido

utilizando-se dois pontos contidos na reta de tendência vermelha, constantes das figuras

3.8 a 3.11, correspondente ao trecho reto inicial dos gráficos tensão x deformação,

desprezando-se todos os dados restantes. Para as amostras COG2, COG3 e COG4,

foram utilizados para cálculo do módulo de elasticidade médio dos ciclos 1 a 5, todos os

pontos disponíveis, pois conforme mostram as figuras 3.12, 3.14 e 3.16, o

comportamento dos materiais estudados seguem um comportamento elástico.

O desvio padrão das amostras COG2, COG3 e COG4, foi calculado utilizando-se

todos os pontos contidos em cada ciclo, com o número de pontos usados indicados na

tabela 3.4.

Os resultados obtidos estão indicados na tabela 3.4 e nas figuras 3.8 a 3.17.

Em todos os corpos de prova foram realizadas metalografias próximo da região de

ruptura e em região mais afastada da ruptura. Como amostra representativa foram

registradas as imagens de seção transversal do CP T2 na região de ruptura, figura 3.18 e

no topo do corpo de prova, figura 3.19.

33

Figura 3.7 – Reforço do corpo de prova de tração.

TABELA 3.4 – RESULTADOS DOS ENSAIOS DE TRAÇÃO Módulo de elasticidade

Amostra

Tensão máxima

de tração (MPa)

Ect (MPa) N° de resultados

Desvio Padrão

(%)

Alongamento (%)

1A 222,7 20482 02 1,3 T1 143,16 12984 02 3,6 T2 228,42 21429 02 3,65 T3 116,26 18366 02

2,19 1° ciclo 23 22451 1935 36,0 2° ciclo 46 26439 2708 21,2 3° ciclo 68 26498 4328 11,9 4° ciclo 90 21527 5995 32,8 5° ciclo 112 23517 7366 29,5 C

OG

2

COM-PLETO

183,91

4,84

1° ciclo 22 18665 1856 12,4 2° ciclo 45 18223 3162 10,8 3° ciclo 67 17761 4699 10,2 4° ciclo 89 17534 5751 7,4 5° ciclo 111 17028 6721 9,9 C

OG

3

COM-PLETO 201,72

3,68

1° ciclo 21 14801 1265 10,3 2° ciclo 41 14918 2620 6,1 3° ciclo 62 14697 4083 7,0 4° ciclo 83 13991 5510 12,6 5° ciclo 104 13644 6796 14,4 C

OG

4

COM-PLETO 119,87

8,79

34

Figura 3.8 – Gráfico Tensão x Deformação do CP 1A.

Figura 3.9 – Gráfico Tensão x Deformação do CP T1.

35



36

Figura 3.12 – Gráfico Tensão x Deformação dos cinco ciclos do CP COG 2.

Figura 3.13 – Gráfico Tensão x Deformação completo do CP COG 2.

37



38



39

Figura 3.18 – Seção

transversal do CP T2 mostrando

a região de ruptura (50 X) e dois

aumentos onde se concentram as

fibras longitudinais, (100 X e

200 X).

40

Figura 3.19 –

Seção transversal do

CP T2 mostrando a

região afastada da

ruptura (50 X) e dois

aumentos nas seções

onde se concentram

as fibras longitudinais,

(100 X e 200 X).

41

3.5 – Análise dos ensaios de flexão

Foram realizados nove ensaios de flexão por quatro pontos com o protótipo

idealizado e caracterizado no ANEXO A. Para se chegar a este protótipo partiu-se das

seguintes considerações: a estrutura deveria ser a mais leve possível, deveria ser estável

e precisaria suportar a carga calculada para o ensaio. Projetou-se então o protótipo

mostrado na figura 3.20, com montagem apresentada na figura 3.21. Os corpos de

prova utilizados tem o mesmo formato e dimensões dos corpos de prova de tração,

apenas não necessitam de proteção nas extremidades.

Nos nove ensaios as medições de carga e descarga foram realizadas com

carregamentos iguais colocados nos dois suportes de carga do protótipo.

Esses carregamentos foram efetuados com massas calibradas em balança digital

marca Bell Mark, com capacidade de 4000 gf e sensibilidade de 0,01 gf/div.

Foi calculada uma carga básica para uma flecha de no máximo 2 mm através da

seguinte fórmula:

3

max48

L

IEfP ct= (3.2)

12

3bhI = (3.3)

onde:

P = carga total a ser colocada no ensaio.

fmax = flecha máxima que se deseja no ensaio.

Ect = módulo de elasticidade médio do material = 17,5 GPa (informado pelo

fabricante).

I = momento de inércia do corpo de prova.

L = distância entre os apoios = 200 mm.

b = largura do corpo de prova em mm.

h = espessura do corpo de prova em mm.

Os dados obtidos nestes ensaios estão descritos na tabela 3.5, e os resultados são

apresentados na tabela 3.6 e figura 3.22, cujos cálculos seguem as prescrições da

norma ASTM D 790 (1970).

Para a tensão de flexão temos a seguinte fórmula:

42

223bhPL

=σ (3.4)

onde:

σ = tensão aplicada a cada leitura.

P = carga aplicada a cada ponto.

L = vão entre apoios (200 mm).

b = largura do corpo de prova.

h = espessura do corpo de prova

Para o módulo de elasticidade temos:

2

325,0hbfPL

E = (3.5)

onde:




f = flecha a cada leitura.



Figura 3.20 – Dispositivo para aplicação de carga no ensaio de flexão por quatro

pontos.

43

Figura 3.21 – Montagem utilizada no ensaio de flexão com indicação de

carregamento.

TABELA 3.5 – DADOS DO ENSAIO DE FLEXÃO CORPO DE PROVA 1M16

Cargas iguais de cada lado do suporte

FLECHA (mm) CARRE-GAMEN-

TO (gf)

ensaio 1

ensaio 2

ensaio 3

ensaio 4

ensaio 5

ensaio 6

ensaio 7

ensaio 8

ensaio 9

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 855 0,153 0,176 0,165 0,16 0,161 0,165 0,165 0,164 0,159 2855 0,544 0,552 0,558 0,549 0,562 0,539 0,559 0,545 0,551 4855 0,912 0,922 0,926 0,918 0,918 0,92 0,897 0,879 0,907 C

AR

GA

7215 1,402 1,379 1,365 1,359 1,363 1,354 1,345 1,328 1,334 7215 _ 1,339 1,345 1,351 1,367 1,342 1,334 1,329 1,335 4855 _ 0,938 0,96 0,949 0,979 0,949 0,94 0,939 0,941 2855 _ 0,566 0,583 0,586 0,595 0,584 0,583 0,572 0,57 855 _ 0,184 0,18 0,176 0,192 0,183 0,176 0,18 0,174

DE

SCA

RG

A

0 _ 0 0 0 0 0 0 0 0

44

TABELA 3.6 – RESULTADOS DO ENSAIO DE FLEXÃO CORPO DE PROVA 1M16

Cargas iguais de cada lado do suporte

MÓDULO DE ELASTICIDADE (MPa) Q

(gf) σ

(MPa) En-saio

1

En-saio

2

En-saio

3

En-saio

4

En-saio

5

En-saio

6

En- saio

7

En-saio

8

En-saio

9 855 3,0 10680 15353 16377 16888 16783 16377 16377 16476 16995

2855 10,1 20322 16346 16170 16435 16055 16740 16141 16556 16376 4855 17,2 18896 16642 16570 16714 16714 16678 17106 17456 16917 7215 25,6 16264 16535 16705 16779 16729 16841 16953 17170 17093 7215 25,6 _ 17029 16953 16878 16681 16991 17093 17157 17080 4855 17,2 _ 16358 15983 16168 15673 16168 16323 16340 16306 2855 10,1 _ 15942 15477 15397 15165 15450 15477 15774 15830 855 3,0 _ 14685 15012 15353 14074 14766 15353 15012 15530 E Médio 16541 16111 16156 16327 15984 16319 16366 16483 16601 Desvio

Padrão (%) 4,29 4,23 4,23 4,22 4,25 4,23 4,23 4,25 4,29

Média Geral de E 16336 Desvio Padrão Geral (%) 4,42

Figura 3.22 - Gráfico Tensão x Flecha do ensaio de flexão com carga igual nos

dois lados do suporte.

45

3.6 – Análise dos ensaios de deformação lenta

Foram realizados dois ensaios com carga constante ao longo do tempo e à

temperatura ambiente (cerca de 28°C). Para se chegar a um modelo de corpo de prova

que pudesse ser ensaiado, foi utilizado primeiramente o CP de tração sem proteção e sua

largura foi reduzida para 7,5 mm através de usinagem no laboratório, com um formato

que não produzisse concentração de tensões, figura 3.23 (a). A análise das condições

necessárias para o ensaio mostrou que este formato não era possível, pois não

apresentava área suficiente para fixação. Para viabilizar esta área pensou-se em

princípio no reforço por meio de resina, mas no primeiro teste a resina utilizada não

resistiu à tensão, tendo se rompido, figura 3.23 (b). Foi então confeccionado um novo

corpo de prova com o formato e dimensões apresentados nas figuras 3.23(c) e 3.24,

sendo colocado neste CP um reforço colado, utilizando a mesma cola empregada na

indústria entre peças estruturais pultrudadas. Este reforço tem o objetivo de evitar a

propagação de fissura em torno do orifício de fixação, figura 3.23 (c).

O ensaio foi realizado com a seguinte configuração: um corpo de prova pendurado

em uma célula de carga presa a um pórtico rígido, atuando sobre este um carregamento

de gravidade, composto de uma placa de aço com 1,5 m de comprimento, 0,75 m de

largura e 0,05 m de espessura a qual produziu uma tensão de 127,5 MPa no corpo de

prova no primeiro ensaio e duas placas iguais, que produziram uma tensão de 255 MPa

no corpo de prova, no segundo ensaio. A montagem realizada se encontra representada

na figura 3.25.

Para registro dos dados de deformação lenta foram utilizados dois dispositivos: (a)

Clip-gage marca MTS com transdutor modelo n° 632.12C-20 com base de medida de

25 mm e (b) dois EERs colados nas laterais do corpo de prova, sendo que um deles teve

seu fio partido e ficou sem registro, figura 3.26. Estes sensores foram ligados a um

sistema de aquisição de dados marca Lynx e um condicionador de sinal dinâmico

resistivo marca Kywoa.

Os resultados obtidos são apresentados nas figuras 3.27 e 3.28.

46

Figura 3.23 – Corpos de prova dos ensaios. (a) primeiro CP idealizado. (b) CP

anterior com seção aumentada por resina. (c) .CP utilizado no ensaio de deformação

lenta.

47

Figura 3.24 – Esquema para confecção do CP utilizado no ensaio de deformação

lenta.

48

Figura 3.25 – Montagem realizada para o ensaio de deformação lenta.

49

Figura 3.26 – Instrumentos de registro da deformação por deformação lenta.

50

Figura 3.27 – Gráfico deformação lenta versus tempo correspondente à tensão de

127,5 MPa.

Figura 3.28 – Gráfico deformação lenta versus tempo correspondente à tensão de

255 MPa.

51

Capítulo 4

DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

EXPERIMENTAIS

No presente capítulo são apresentadas as discussões dos resultados apresentados

no capítulo 3.

4.1 – Peso específico

Conforme o método das misturas e usando a equação 2.3 temos:

c

mmff

c

mf

c

cc v

vv

v

mm

vm γγ

γ+

=+

==

Usando os dados de volume de fibra fornecidos pelo fabricante (COGUMELO) e

os dados de densidade retirados do EUROCOMP (1997), sem levar em consideração o

volume de vazios obtido pelo processo de análise de imagem temos:

89,1189,1

145,01,155,054,2

==×+×

=cγ g/cm³

Usando os mesmos dados apenas levando em consideração o volume de vazios

obtido pelo processo de análise de imagem que foi de 2, 54 %, temos:

86,1186,1

14236,01,155,054,2

==×+×

=cγ g/cm³

De acordo com os pesos específicos avaliados, 60% estão acima e 40% estão

abaixo da faixa indicada pelo fabricante (1,4 a 1,8 g/cm³), sendo que a média se

apresentou no limite mínimo da faixa. O peso específico nos dá uma base da densidade

do compósito que varia com a fração volumétrica de fibra existente e com a fração

volumétrica de vazios. Comparando com o método das misturas (1,86 g/cm³) e

levando em consideração o volume de vazios (valor mais real), a diferença entre a

média dos experimentos (1,4 g/cm³) e o valor indicado pelo fabricante(1,6 g/cm³), é de

33%. Comparação com a bibliografia não foi possível, pois propriedades para o

conjunto resina isoftálica/fibra de vidro não foram encontradas.

52

4.2 – Fração volumétrica de fibras

Comparando os dados obtidos pelos dois métodos (queima e análise de imagem)

para o volume de fibras, vemos que os resultados são bastante dispersos se comparados

com os 55 % indicados pelo fabricante: média de 61 % entre as quatro amostras

analisadas pelo processo de queima, que é bastante preciso, e 59% na amostra analisada

por tratamento de imagem, sendo este dado obtido através da equação 2.11:

19,59100786432465494

1003 =×=×=Nn

V f

Este processo apresenta uma avaliação mais completa, possibilitando também a

quantificação dos volumes de matriz e vazios. O resultado obtido para fração

volumétrica de fibras através de análise de imagem comparado com a média obtida pelo

ensaio de queima, valida o procedimento apresentado no Anexo B. Em relação à

fração volumétrica de fibras informada pelo fabricante, podemos afirmar que a média

obtida pela queima apresentou uma diferença de 10,9%. Se considerarmos apenas a

amostra T2, que foi objeto da análise de imagem, podemos observar que a diferença

com o ensaio de queima foi de 4,5% e por tratamento de imagem de 7,2%, em relação

ao informado pelo fabricante. Como foi comprovado pela análise de imagem, a fração

volumétrica de vazios (2,64 %), não se encontra numa faixa aceitável segundo DANIEL

(1994), que é de no máximo 1%, então, não podemos obter um valor calculado para

fração volumétrica de fibra em função das densidades dos componentes do compósito

(equação 2.7).

Em relação aos valores obtidos em cada amostra, o desvio padrão obtido foi de

9,85%. Se levarmos em conta que todas as amostras foram retiradas de um mesmo

perfil, podemos dizer que esta diferença é muito alta.

Conforme mostrado nas metalografias das figuras 3.18 e 3.19 podemos observar

que a distribuição das fibras se encontra completamente irregular, estas irregularidades

associadas ao volume de vazios na amostra, interferem em várias propriedades como

por exemplo, deformação lenta, densidade e flexão.

Quanto à avaliação pelo processo de análise de imagem para a amostra T2,

observou-se uma fração volumétrica de vazios de 2,64% e de matriz 38,17%. Estes

valores foram obtidos pelas fórmulas 2.12 e 2.13:

53

17,38100786432300195

1002 =×=×=Nn

Vm

64,210078643220743

1001 =×=×=Nn

Vv

De acordo com o valor considerado ideal por DANIEL (1994), máximo de 1%, a

fração volumétrica de vazios está acima. Em conseqüência, a fração volumétrica de

matriz se encontra abaixo do mínimo que deveria ser 39,1% para uma fração

volumétrica de vazios máxima de 1%. Estas porcentagens influem não só na densidade

do material como também nas propriedades que dependem da fração volumétrica de

matriz, o qual é responsável pela transmissão das tensões ext ernas para as fibras.

4.3 – Comportamento na tração

Se o compósito em estudo apresentasse apenas reforço unidirecional, o cálculo do

módulo de elasticidade seguiria a regra das misturas (fórmula 2.15), a tensão máxima

de tração seria obtida através da fórmula 2.17 e a deformação última pela fórmula 2.18,

todas oriundas da regra das misturas. Como o nosso compósito apresenta reforço

contínuo associado à manta, com proporções não indicadas pelo fabricante, só podemos

comparar os resultados experimentais com o valor indicado pelo fabricante informado

na tabela 3.1.

Comparando o módulo de elasticidade médio dos quatro ensaios de tração

simples, cujo valor é 18,06 GPa, com a faixa de variação informada pelo fabricante, de

17,5 a 21 GPa para frações volumétricas de fibra de 45 a 55% e, ainda, um valor de

referência obtido no EUROCOMP (1997) para pultrudados com 36% de fibras, manta

mais reforço contínuo e resina poliéster (17,2 GPa), podemos constatar que os valores

experimentais se encontram dentro da faixa esperada. Com relação ao ensaio com os 6

ciclos de carga-descarga, as médias foram: 1° ciclo 18,64 GPa com tensão máxima

média de 22 MPa; 2° ciclo 19,86 GPa com tensão máxima média de 44 MPa; 3° ciclo

19,65 GPa com tensão máxima média de 65,6 MPa; 4° ciclo 17,68 GPa com tensão

máxima média de 87,3 MPa e 5° ciclo 18,06 GPa com tensão máxima média de 109

MPa, podemos observar que os módulos de elasticidade também se encontram dentro da

faixa indicada pelo fabricante. Se compararmos os valores médios dos ciclos entre si,

encontramos um desvio padrão de 5,11% e, se a comparação for em relação ao valor

54

médio encontrado para os ensaios de tração simples, obtemos um desvio padrão de

5,45%, o que nos indica que ensaios realizados a vários níveis de tensão produzem

resultados de módulo de elasticidade confiáveis.

O valor médio da tensão máxima de tração nas quatro primeiras amostras foi de

178 MPa e do ensaio cíclico foi de 169 MPa. Esses valores, ficaram cerca de 15 a 35%

inferiores se comparados com a faixa ind icada pelo fabricante que é de 210 a 260 MPa.

Individualmente apenas duas das amostras estudadas apresentaram-se dentro da faixa

indicada pelo fabricante. O valor médio da tensão máxima de tração entre os ensaios

de tração simples e os ensaios cíclicos foi de 173,5 MPa o que resultou em um desvio

padrão de 27,21% em relação aos valores de tensão máxima obtidos em cada ensaio

realizado.

Os valores médios para o alongamento máximo na ruptura foram de: 4,0% para os

ensaios de tração simples, 5,8% para os ensaios cíclicos e 4,9% para média geral de

todos os ensaios. Este alongamento se encontra bem acima do informado pelo

fabricante que é de 2%. Se utilizarmos a regra das misturas como indicado no item

2.8.1 (fórmula 2.18), e as frações volumétricas obtidas no ensaio de queima para as

amostras 1A, T2, COG2 E COG4 (tabela 3.3), podemos estabelecer valores calculados

para essas amostras que podem ser comparados com os valores encontrados nos ensaios

de tração. Esses resultados se encontram relacionados na tabela 4.1. Analisando a

tabela 4.1, podemos observar que os valores obtidos para o alongamento máximo na

ruptura através dos ensaios de tração se comparados com os valores calculados, se

encontram bastante dispersos. Podemos notar também que os valores obtidos nos

ensaios de tração se encontram bem superiores ao indicado pelo fabricante que é de 2%.

TABELA 4.1 – VALORES PARA ALONGAMENTO MÁXIMO NA

RUPTURA

AMOSTRA ALONGAMENTO

CALCULADO (%)

ALONGAMENTO

ENCONTRADO (%)

1A 3,67 1,3

T2 3,52 3,65

COG2 3,45 4,8

COG4 3,41 8,79

MÉDIA 3,51 4,64

55

Se compararmos os valores obtidos para os módulos de elasticidade e para as

tensões máximas de tração das amostras 1A, T2, Cog2 e Cog 4 com a fração

volumétrica obtida pelo ensaio de queima, para as mesmas amostras, podemos observar

que a variação do módulo de elasticidade é compatível, de acordo com o EUROCOMP

(1997), com a variação da fração volumétrica de fibras conforme podemos observar na

tabela 4.2 e nas Figuras 4.1 e 4.2.

TABELA 4.2 – VALORES PARA MÓDULO DE ELASTICIDADE E TENSÃO

MÁXIMA NA TRAÇÃO

AMOSTRA

FRAÇÃO

VOLUMÉTRICA DE

FIBRAS (%)

MÓDULO DE

ELASTICIDADE

(GPa)

TENSÃO

MÁXIMA DE

TRAÇÃO (MPa)

1A 65,7 20,482 222,7

T2 62,7 21,429 228,42

COG2 59,2 19,135 183,91

COG4 57,9 13,378 119,87

Figura 4.1 – Relação entre fração volumétrica de fibras e módulo de elasticidade

na tração.

56

Figura 4.2 – Relação entre fração volumétrica de fibras e tensão máxima de

tração.

A ruptura desses corpos de prova depende das propriedades dos componentes.

Os corpos de prova ensaiados apresentaram ruptura por delaminação entre as fases do

compósito, o que caracteriza, segundo DANIEL (1994), uma interface relativamente

fraca e uma tensão última de fibra relativamente alta. As figuras de 4.3 a 4.9

representam as fraturas nos corpos de prova ensaiados à tração.

Os corpos de prova COG2 e COG3, apresentam um comportamento diferenciado

dos demais. Se observarmos as figuras 3.13 e 3.14, podemos notar um patamar atípico

para essa classe de material, comportamento este que deverá ser melhor estudado em

trabalhos futuros.

57

Figura 4.3 – Aspecto da fratura do corpo de prova 1A.

Figura 4.4 – Aspecto da fratura do corpo de prova T1.

58



59

Figura 4.7 – Aspecto da fratura do corpo de prova Cog 2.


60


Em todos os corpos de prova foram realizadas metalografia em região próxima da

região de ruptura e em região mais afastada da ruptura, constatando-se em todas elas as

mesmas características. Conforme já foi comentado anteriormente, amostra

representativa do corpo de prova T2 se encontra registrada nas figuras 3.17 e 3.18, onde

se observa várias irregularidades. Conforme já discutido no item 4.2, estes tipos de

irregularidades interferem diretamente nas propriedades mecânicas do material e,

conseqüentemente, no desempenho do compósito.

4.4 – Comportamento na flexão

Nosso objetivo neste item, utilizando método de ensaio e protótipo projetado

conforme o ANEXO A, é produzir avaliação do módulo de elasticidade à flexão, nas

61

dependências da indústria, sem necessidade de equipamento para tração direta (prensa

de ensaio).

Conforme descrito no item 2.8.2, para obtenção apenas do módulo de elasticidade

não é necessário preocupação com a relação comprimento/espessura.

O cálculo da carga total a ser aplicada é realizado para uma flecha máxima de 2

mm, utilizando as fórmulas 3.2 e 3.3.

3

max48

L

IEfP ct=

12

3bhI =

34375,52712

5,715 3

=×

=I mm4

kgfNP 117,110200

34375,527175002483

≅=×××

=

Os resultados encontrados nas nove amostras testadas apresentaram valores muito

próximos para o módulo de elasticidade à flexão, variando entre 15,9 e 16,6 GPa, e o

valor médio igual a 16,3 GPa.

Comparando os valores encontrados no ensaio com o material de mesmas

características, mas com 36% de volume de fibras apresentado pelo EUROCOMP

(1997), cujo valor é 13,8 GPa, podemos verificar que é bastante razoável. A faixa

indicada pelo fabricante que é de 11,2 a 14 GPa, também se encontra próxima dos

valores medidos.

4.5 – Comportamento na deformação lenta à temperatura ambiente

Conforme descrito no item 2.8.3, os resultados obtidos do ensaio de deformação

lenta freqüentemente são usados para indicar apenas tendências.

A análise dos dados obtidos nos dois ensaios mostrou que não houve deformação

lenta do material, após cerca de duas horas de ensaio. Conforme indicado pelo

EUROCOMP (1997), propriedades de compósitos dominadas pelas fibras exibem

freqüentemente pequena ou nenhuma deformação lenta. Resultados experimentais

confirmam esta previsão.

62

Ainda segundo o EUROCOMP (1997), para que a deformação lenta seja mínima

ou nula, o projeto do compósito deve ser baseado em: alta porcentagem de fibras (>

50%); fibras contínuas na mesma direção do carregamento; matriz de alto desempenho;

matriz resistente a altas temperaturas e fibras de alta resistência, condições essas que

correspondem ao material avaliado experimentalmente.

63

Capítulo 5

CONCLUSÕES

5.1 – Conclusão

Com o aumento expressivo da utilização de compósitos pultrudados reforçados

com fibra de vidro no Brasil, principalmente na indústria do petróleo, se torna cada vez

mais imperativo que os produtos utilizados no país sejam completamente conhecidos e

caracterizados, de modo a aprimorar o controle de qualidade. Foi pensando nessas

necessidades que essa pesquisa foi desenvolvida, focando seus objetivos no

desenvolvimento de procedimentos simplificados para aprimorar o controle de

qualidade na indústria.

Esses objetivos foram plenamente alcançados com a elaboração de duas

metodologias de ensaio :

1 - ensaio de flexão utilizando estrutura de pequeno porte apresentada no ANEXO

A;

2 - avaliação da fração volumétrica de fibra, matriz e vazios através de análise de

imagem apresentada no ANEXO B.

Na comprovação de algumas propriedades indicadas pelo fabricante, observamos

que as variações dos resultados entre esses valores e as amostras estudadas foram

bastante significativas. Esta constatação aponta para a necessidade de se qualificar

melhor o produto oferecido ao consumidor.

O valor encontrado para fração volumétrica obtida pela técnica de análise de

imagem, foi comparado com o resultado encontrado no ensaio de queima, que é

bastante preciso. Esta comparação mostrou que esta técnica possibilita não só a

avaliação da fração volumétrica de fibras com grande precisão, como também a

avaliação das frações volumétricas de matriz e vazios de maneira bastante simples e

rápida.

A caracterização metalográfica da seção transversal do perfil estudado mostrou

que, nas duas extremidades, temos um véu de superfície irregular e muitos espaços

livres. As fibras contínuas apresentam dimensões distintas e distribuição irregular, a

64

manta não se encontra simétrica na figura 3.17, em comparação com a figura 3.18,

apesar de ambas serem paralelas. Nessas amostras, podemos observar muitos vazios,

acima do nível aceitável de 1%. Estes tipos de irregularidades interferem diretamente

nas propriedades mecânicas e físicas do material e, conseqüentemente, no desempenho

do compósito. Por exemplo, na avaliação do peso específico encontramos 4 amostras

com resultados abaixo do valor mínimo indicado pelo fabricante.

De acordo com os valores encontrados para os módulos de elasticidade médios

nos vários ciclos introduzidos no ensaio de tração, concluiu-se que podemos avaliar

com precisão o módulo de elasticidade à tração utilizando diferentes níveis de tensão.

Concluiu-se também que nas amostras em que se realizou ensaio de queima para

obtenção da fração volumétrica de fibras, o módulo de elasticidade médio e a tensão

máxima de tração, apresentam comportamento esperado, ou seja, aumenta

proporcionalmente com o aumento da fração volumétrica de fibras conforme registrado

nas figuras 4.1 e 4.2.

O desvio padrão alto para as frações volumétricas de fibras, a grande incidência de

defeitos e a redução da tensão máxima de resistência, influencia diretamente o módulo

de elasticidade à tração.

Os patamares encontrados em dois ensaios de tração, figuras 3.13 e 3.14,

denotam um comportamento atípico que deve ser investigado para podermos saber a

influência deste comportamento nas propriedades.

Todas estas observações apontam como causa o controle do processo de

fabricação, produzindo um aumento do volume de fibra e desalinhamento da manta,

conseqüentemente conduzindo a uma redução de matriz, que se agrava com a

quantidade de vazios existentes, provocando interferência no mecanismo de

transferência de cargas pela matriz.

O ensaio de deformação lenta a temperatura ambiente apresentou deformação

praticamente nula, como se esperava. Fica portanto comprovada a hipótese segundo a

qual compósitos fabricados: (i) com alta porcentagem de fibras (> 50%); (ii) fibras

contínuas na mesma direção do carregamento; (iii) matriz de alto desempenho; (iv)

matriz resistente a altas temperaturas; e (v) fibras de alta resistência a deformação lenta,

apresentam deformação lenta desprezível.

O módulo de elasticidade à flexão, avaliado utilizando o protótipo projetado

segundo as características da figura 5.1 em corpo de prova com dimensões e

características de aplicação de carga indicadas na figura 5.2, apresentou valores

65

razoáveis e bastante constantes apesar de todos os defeitos encontrados e das grandes

diferenças na tensão limite de resistência. Esses resultados mostram que é possível

avaliar o módulo de elasticidade por flexão de compósitos reforçados com fibra de

vidro, utilizando ensaios simples, com bastante precisão.

Conforme apresentado no capítulo 3 e discutido no capítulo 4, podemos

considerar que o protótipo e o método de ensaio de flexão por quatro pontos e o método

de avaliação da fração volumétrica de fibra, matriz e vazios através de análise de

imagem, são bastante simples e satisfatórios, podendo ser adotados como ferramenta de

avaliação de grande poder e simplicidade, para utilização na indústria. Essa

providência reforçaria o controle de qualidade do produto acabado, permitindo gerar

informações de grande valia para projetistas de estruturas e oferecer, aos clientes finais,

uma situação confortável devido ao aumento da confiança no produto adquirido para

fins estruturais.

66

Figura 5.1 – Projeto para construção do protótipo a ser utilizado no ensaio de

flexão por quatro pontos.

67

Figura 5.2 - Dimensões do corpo de prova e características de aplicação de carga

do ensaio de flexão.

5.2 – Proposta para trabalhos futuros

Como proposta para trabalhos futuros, tendo como ótica as necessidades relatadas

no início do item 5.1 e a utilização crescente desses materiais na indústria do petróleo

(sujeitos a condições adversas como altas temperaturas, umidade excessiva, agressões

químicas, etc.), podemos sugerir, em relação à caracterização e controle de qualidade

dos perfis disponíveis no mercado, que sejam programados os seguintes estudos:

1 – Caracterização individual de todos os perfis oferecidos pelo fabricante quanto

às propriedades mecânicas e físicas para possibilitar segurança em sua utilização como

material estrutural;

2 – Estudo do efeito da temperatura na flexão, com criação de sistema de

aquecimento e estrutura de carregamento resistente à temperatura que gere uma

metodologia para ser usada na indústria, semelhante ao que foi elaborado no ANEXO

A;

68

3 – Estudo para avaliação da deformação lenta a altas temperaturas com descrição

detalhada do procedimento utilizado e do material ensaiado para que junto com a

avaliação da influência da alta temperatura na flexão seja possível qualificar o

comportamento do compósito a altas temperaturas.

4 – Produzir metodologia através de análise de imagem, para medição do diâmetro

das fibras e controle da disposição das diversas camadas de reforço, que auxiliem no

controle de qualidade do processo de fabricação. Esta metodologia pode servir de base

não só para o controle de qualidade do processo em si (por exemplo, ajuste no

posicionamento das guias de reforço, controle do nivelamento na pré-forma e na forma

para evitar desvios das camadas de reforço no interior do compósito e controle no banho

de resina para evitar uma porcentagem grande de vazios) como também para controle de

qualidade do material de reforço adquirido no mercado.

69

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ADAMS, D. F.; DONER, D. R., “Tansverse Normal Loading of a unidirectional

Composite”, J. Composite Materials, Vol. 1, pp. 152-164 (1967).

ASHBY, M. F., “Technology of the 1990s: Advanced Materials and Predictive

Design”, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, A322, 393-

407 (1987).

ASTM D 297-74, “Standards Methods of Chemical Analysis of Rubber Products”,

American Society for Testing and Materials, Philagelphia, PA, (1975).

ASTM D 790-70, “Standards Methods of Test for Flexural Properties of Plastics”,


ASTM D 2584-68, “Standards and Literature References for Composite Materials”,

2nd Ed., American Society for Testing and Materials, Philagelphia, PA, (1990).

ASTM D 2734-70, “Standard Test Methods for Void Content of Reinforced Plastics”,


ASTM D 3039 / D 3039 M-95, “Test Methods for Tensile Properties of Polymer

Matrix Composite Materials”, American Society for Testing and Materials,

Philagelphia, PA, (1995).

BAUER, L. A. F., “Materiais de Construção”, Livros Técnicos e Científicos Editora

S.A., Rio de Janeiro (1982).

CALLISTER JR., W.D., “Materials Science and Engineering and Introduction”, 3rd

edition, John Wiley & Sons (1994).

CHAWLA, K. K., “Composite Materials Science and Engineering”, Springer-Verlag

New York Inc. (1987).

Cogumelo Pultrudados, “Pultrudados Perfis Estruturais em Fibras de Vidro – Guia

de Engenharia”

DANIEL, I. M.; ISHA, O., “Engineering Mechanics of Composite Materials”, Oxford

University Press (1994)

DONALD, F. A., “Test Methods for Composite Materials”. Technomic Publishing

Company, Lancaster, Pennsylvania

70

EUROCOMP DESIGN CODE AND HANDBOOK, “Structural Design of Polymer

Composites”, Edited by John L. Clarke (1997).

GIBSON, R. F., “Principles of Composite Material Mechanics”, Ed. McGraw-Hill,

New York (1994)

HALPIN, J. C.; TSAI, S. W., “Effects of Environmental Factors on Composite

Materials”, Air Force Technical Report AFML-TR-67-423, Wright Aeronautical

Labs., Dayton, OH (1967).

LACOVARA, B., “What Every Engineer Should Know About Composites”, CFA

Technical Co.

LI, Q. F.; SMITH, R. and McCARTNEY, D. G., “Quantitative Evaluation of Fiber

Distributions in a Continuously Reinforced Aluminum Alloy Using Automatic Image

Analysis”, Materials Characterization 28, 189-203 (1992).

PROPERTIES OF A GRP PULTRUDED SECTION, Sims, G. D., Johnson, A. F.,

and Hill, R. D. “Composite Structures 8”.

REINHART, T. J. et al., “Engineered Materials Handbook – Volume 1 Composites,

ASM Intenational, Materials Park, OH (1987).

RUDNAYOVÁ, E.; GLOGAR, P. and KOHÚTEK, I., “Qualitative Microstructure

Study of the Unidirectional Carbon Fiber Reinforced Carbon Composites”, Prakt.

Metallogr. 37, 452-467 (2000).

VOIGT, W., “Lehrbuch der Kristallphysik”, Teubner, Leipzig (1910).

71

ANEXO A

METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DO

MÓDULO DE ELASTICIDADE DE MATERIAL

PULTRUDADO EM RESINA REFORÇADA COM

FIBRA DE VIDRO ATRAVÉS DE ENSAIO DE

FLEXÃO UTILIZANDO PROTÓTIPO DE

PEQUENO PORTE

CONTEÚDO

1 - Objetivo

2 - Aplicação

3 - Limitações

4 - Documentos Relacionados

5 – Formato e Dimensões dos Corpos de Prova

6 – Equipamentos Utilizados

7 – Cálculo da Carga Necessária ao Ensaio

8 – Execução do Ensaio

9 – Folha de Dados

10 – Cálculo da Tensão Aplicada

11 – Cálculo do Módulo de Elasticidade à Flexão

1 - OBJETIVO

Este procedimento destina-se a servir como guia na execução de ensaio de flexão

simples por quatro pontos através de protótipo de pequeno porte para avaliação do

módulo de elasticidade na flexão, nas dependências da indústria.

72

2 - APLICAÇÃO

Este procedimento é aplicável a materiais pultrudados de resina reforçados com

fibra de vidro.

3 – LIMITAÇÕES

Este procedimento está limitado a peças onde sejam possíveis a retirada de corpos

de prova planos e de dimensões padronizadas conforme item 5.

4 - DOCUMENTOS RELACIONADOS

4.1 – ASTM D 3039 / D 3039M – 95 – Test Method for Tensile Properties of

Polymer Matrix Composite Materials;

4.2 – ASTM D 790 – 70 – Methods of Test for Flexural Properties of Plastics.

5 – FORMATO E DIMENSÕES DOS CORPOS DE PROVA

As dimensões são descritas na tabela abaixo baseadas na norma ASTM D 3039, e

o formato é apresentado na Figura 1.

RECOMENDAÇÕES DAS DIMENSÕES DOS CORPOS DE PROVA

ORIENTAÇÃO DAS

FIBRAS

LARGURA

mm (polegadas)

COMPRIMENTO

TOTAL

mm (polegadas)

0° unidirecional 15 (0,5) 250 (10,0)

90° unidirecional 25 (1,0) 175 (7,0)

Balanceada e simétrica 25 (1,0) 250 (10,0)

Randômica-descontínua 25 (1,0) 250 (10,0)

73

Figura 1 – Formato e dimensões do corpo de prova de flexão.

6 – EQUIPAMENTOS UTILIZADOS

Neste ensaio são necessários os seguintes equipamentos:

- Balança com sensibilidade de no mínimo 5g.

- Massas calibradas em quantidade suficiente para realização do ensaio.

- Protótipo de alumínio e complementos apresentados nas Figuras 2, 3 e 4.

- Relógio comparador com sensibilidade de 0,002 mm/div.

74

Figura 2 – Dimensões do protótipo de alumínio

75

Figura 3 – Foto do protótipo já construído

Figura 4 – Dimensões e esquema dos suportes.

76

7 – CÁLCULO APROXIMADO DA CARGA NECESSÁRIA AO ENSAIO

3

max48

L

IEfP ct=

12

3bhI =

onde:

P = carga total a ser colocada no ensaio, em kgf.

fmax = flecha máxima que se deseja no ensaio, em mm.

Ect = módulo de elasticidade médio do material = 17,5 GPa (informado pelo

fabricante).

I = momento de inércia do corpo de prova.

L = distância entre os apoios = 200 mm.

b = largura do corpo de prova em mm.

h = espessura do corpo de prova em mm.

OBS 1 – Deve-se usar o inteiro múltiplo de dois mais próximo.

OBS 2 – A carga encontrada deve ser colocada metade em cada haste do

protótipo.

OBS 3 – Devem ser usadas massas de 1 kg para aplicação da carga.

OBS 4 – As massas devem ser calibradas em balança com boa sensibilidade.

8 – EXECUÇÃO DO ENSAIO

- Colocar os suportes posicionados sobre os apoios e verificar a distância entre

eles que deve ser de 200 mm entre os centros dos roletes.

- Pesar o protótipo e anotar na folha de dados

- Colocar o corpo de prova junto com o protótipo centralizando o conjunto,

Figura 5.

- Colocar o relógio comparador no centro co corpo de prova, Figura 6.

- Levantar o protótipo e zerar o relógio.

- Recolocar o protótipo, fazer a primeira leitura e anotar na folha de dados.

77

- Colocar as massas uma de cada vez e fazer as leituras referentes a cada

carregamento, anotando na folha de dados, Figura 7.

OBS 1 – As massas devem ser colocadas uma a uma em lados alternados do

protótipo para que a cada leitura seja colocado carga igual nos dois ramos do protótipo.

OBS 2 – Para confirmação das leituras efetuadas podemos usar o processo inverso

(retirada de carga) e anotar as leituras na folha de dados.

Figura 5 – Colocação e posicionamento de todo o conjunto para realização do

ensaio.

78

Figura 6 – Centralização do relógio comparador para obtenção da flecha.

Figura 7 – Colocação das massas calibradas sobre o suporte e realização das

medições.

79

9 – FOLHA DE DADOS

FOLHA DE DADOS

CARREGAMENTO

(kg)

ENSAIO

1

ENSAIO

2

ENSAIO

3

s

(kgf/mm²)

E

(kgf/mm²)

CA

RG

A

DE

SCA

RG

A

VALOR MÉDIO

Seção Retangular: _____ x _____ mm

2

325,0fbh

PLE =

223bhPL

=σ

80

10 – CÁLCULO DA TENSÃO APLICADA

A tensão aplicada a cada leitura deve ser calculada através da seguinte fórmula:

223bhPL

=σ

onde:

σ = tensão aplicada a cada leitura.





OBS – Tirar a média de todos os pontos.

11 – CÁLCULO DO MÓDULO DE ELASTICIDADE À FLEXÃO

O módulo de elasticidade à flexão a cada leitura deve ser calculada através da

seguinte fórmula:

2

325,0hbfPL

E =

onde:




f = flecha a cada leitura em mm.



OBS – Tirar a média de todos os pontos.

81

ANEXO B

METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DA FRAÇÃO

VOLUMÉTRICA DE FIBRAS, MATRIZ E VAZIOS

DE COMPÓSITOS PULTRUDADOS DE RESINA

REFORÇADA COM FIBRA DE VIDRO ATRAVÉS

DE ANÁLISE DE IMAGEM

CONTEÚDO

1 - Objetivo

2 - Aplicação

3 - Documentos Relacionados

4 – Retirada e Embutimento da Amostra

5 – Preparação da Amostra

5.1 – Lixamento

5.2 – Polimento Fino

5.3 – Registro da Imagem

6 – Equipamentos Utilizados

7 – Execução do Procedimento

1 - OBJETIVO

Este procedimento destina-se a servir como guia na avaliação da porcentagem de

matriz e fibra em compósitos através de análise de imagens, nas dependências da

indústria.

82

2 - APLICAÇÃO

Este procedimento é aplicável a materiais pultrudados de resina reforçados com

fibra de vidro.

3 - DOCUMENTOS RELACIONADOS

3.1 – SAMUELS, L. A. – Metallographic Polishing by Mechanical Methods, 3ª

ed., ASM; Metals Park; 1982.

3.2 - LI, Q. F.; SMITH, R.; McCARTNEY, D. G. – Quantitative Evaluation of Fiber

Distributions in a Continous ly Reinforced Aluminium Alloy Using Automatic Image Analysis.

Materials Characterizations, vol 28 nº 3, April 1992.

4 – RETIRADA E EMBUTIMENTO DA AMOSTRA

A amostra deve ser retirada em seção transversal às fibras centrais, responsáveis

pela resistência do perfil pultrudado.

O embutimento deve ser feito a frio, ou seja, utilizando-se resina do tipo Resipox

LF/531 Gr11 (resina R 331 e endurecedor RE 201), conforme Figura 1.

Figura 1 – Embutimento feito com resina.

83

5 – PREPARAÇÃO DA AMOSTRA

A preparação de amostras envolve três operações básicas:

- Lixamento.

- Polimento fino.

- Registro da imagem.

5.1 - LIXAMENTO

Neste estágio a superfície da amostra é lixada em seis classes de abrasivos

diferentes:

Lixa 100, 220, 320, 400, 500 e 600. Em cada um desses estágios de lixamento, o

corpo de prova é movimentado sobre a superfície de tal maneira que os riscos sejam

formados apenas em uma direção. Na passagem de um abrasivo para o outro, o corpo

de prova é girado de um ângulo de 90°, de forma que os riscos se disponham agora

segundo esta direção. O lixamento é efetuado numa mesma lixa enquanto os riscos do

estágio anterior permanecerem.

5.2 – POLIMENTO FINO

Neste estágio são removidos os riscos e a fina camada deformada proveniente do

estágio de lixamento. O composto de polimento usado é a Alumina, (óxido de

alumínio Al2O3 – forma gama) diluído em água destilada, com tamanho de partícula de

1µ. Este composto é colocado sobre um disco coberto com pano felpudo e o corpo de

prova é pressionado contra o pano com uma pressão leve e realizando movimento

rotativo no sentido contrário ao do giro do prato.

5.3 – REGISTRO DA IMAGEM

A amostra deve ser colocada num microscópio com máquina fotográfica acoplada.

Utilizando a lente de aumento de 50x deve-se posicionar a imagem para registro na

região mais característica da amostra acertando o foco e então registrar a imagem.

84

6 – EQUIPAMENTOS UTILIZADOS

Nesta análise são necessários os seguintes equipamentos:

- Lixadeira.

- Politriz.

- Microscópio com máquina fotográfica acoplada.

- Computador com programa de tratamento de imagem que tenha opção de ajuste

de brilho e contraste e análise de histograma.

7 – EXECUÇÃO DO PROCEDIMENTO

- Abrir a imagem obtida e convertê- la para o modo escala de cinza.

- Ajustar brilho e contraste se necessário Figura 2.

- Regravar a imagem com outro nome (para que a imagem original seja

preservada).

- Acionar a análise por histograma Figura 3.

- Analisar o histograma marcando as regiões correspondentes aos três picos

distintos que correspondem as frações volumétricas de fibra, matriz e vazios, Figuras 4

a 6.

OBS – A marcação das regiões deve levar em conta picos e planos no gráfico do

histograma em relação aos tons de cinza da imagem.

85

Figura 2 - Micrografia 50x (escala de cinza).

Figura 3 - Histograma da figura 2 (50x) mostrando o número de pixels totais da

imagem.

86

Figura 4 - Histograma da figura 2 mostrando o número de pixels relativos à área de

maior pico, que corresponde às fibras cuja fração volumétrica é de 59,19%.


médio pico, que corresponde à matriz mais os vazios cuja fração volumétrica é de 38,17%.

87


menor pico, que corresponde à matriz mais os vazios cuja fração volumétrica é de 2,64%.

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