Ensaios Mecânicos 5b4pi

UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

ENSAIOS MECÂNICOS DE POLÍMEROS A LUNOS : ELAINE PEREIRA DOS SANTOS AL FREDO DE ANDRADE ALBUQUERQUE NETO

Jo ão Pe s s o a, 0 6 d e d eze m b ro d e 2 0 1 7 1

INTRODUÇÃO  As propriedades mecânicas dos materiais poliméricos são de grande importância e interesse científico e tecnológico, devido aos requisitos e/ou exigências que os diversos polímeros existentes devem atender na maior parte de suas aplicações.  Os valores de propriedades mecânicas são obtidos através de ensaios mecânicos padronizados, dentre os quais se destacam os ensaios de solicitação mecânica sob: TRAÇÃO

FLEXÃO

COMPRESSÃO

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CLASSIFICAÇÃO DOS ENSAIOS MECÂNICOS

RUCKERT, C. O. F. T. Ensaios Mecânicos dos Materiais: Tração. 2010. Universidade de São Paulo. Escola de Engenharia de São Carlos. Departamento de Engenharia de materiais, Aeronáutica e Automobilística. Disponível em: . o em: 27 nov. 2017.

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FATORES QUE AFETAM AS PROPRIEDADES MECÂNICAS PARÂMETROS ESTRUTURAIS

PARÂMETROS EXTERNOS

 Estrutura Química;

 Presença de plastificante;

 Presença de grupos polares;

 Reforço com fibras;

 Massa Molar;

 Absorção de água.

 Copolimerização;  Ligações cruzadas;  Grau de cristalinidade;  Pré-deformação por estiramento;

RUCKERT, C. O. F. T. Ensaio Tração Polímero. 2010. Universidade de São Paulo. Escola de Engenharia de São Carlos. Departamento de Engenharia de materiais, Aeronáutica e Automobilística. Disponível em: . o em: 27 nov. 2017.

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INTRODUÇÃO  Os resultados dos ensaios de resistência mecânica sob tração, flexão e compressão são obtidos como curvas do tipo tensão versus deformação.  A resistência mecânica dos polímeros em relação aos metais e as cerâmicas: METAIS POLÍMEROS CERÂMICAS

CALLISTER JÚNIOR, W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: uma introdução. 5 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002, 589 p.

Figura 1: Curva tensão versus deformação de materiais poliméricos Fonte: CALLISTER JR (2002). 5

MÁQUINA UNIVERSAL DE ENSAIOS  A máquina de ensaios deve ter a capacidade de manter: - Velocidades constantes em um intervalo de 1 a 500 milímetros/ segundo, com tolerância de erro pequena (<menor que 20%);

- A célula de carga deve ter uma precisão maior que 99% do valor real da carga;

 As máquinas mais sofisticadas da atualidade são acopladas a um micro-computador provido de um software para programação, aquisição e tratamento dos dados.

Figura 2: Máquina universal de ensaios mecânicos Fonte: SOLUÇÕES INDUSTRIAIS (2017)

SOLUÇÕES INDUSTRIAIS. Máquina Universal de Ensaios Mecânicos. 2017. Disponível em: . o em: 28 nov. 2017.

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MÁQUINA UNIVERSAL DE ENSAIOS TRAÇÃO

FLEXÃO

COMPRESSÃO

Figura 3: Ensaio de tração Fonte: AFINKO (2015)

Figura 4: Ensaio de flexão Fonte: AFINKO (2015)

Figura 5: Ensaio de flexão Fonte: AFINKO (2015)

AFINKO SOLUÇÕES EM POLÍMEROS. Ensaios Mecânicos. 2015. Disponível em: . o em: 28 nov. 2017.

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TESTES PADRONIZADOS PARA OS ENSAIOS MECÂNICOS Normas técnicas ASTM, ISO, ABNT, etc. Utilizam corpos de prova com geometrias, dimensões e tolerâncias dimensionais específicas. Um número mínimo de cinco corpos de prova é exigido para um ensaio mecânico. Quanto às condições ambientais de armazenagem e teste, as normas ISO não estabelecem um critério próprio, entretanto, as normas ASTM sim.

Acondicionamento: temperatura 23 ± 2 °C e umidade de 50 ± 5% por pelo menos 40h antes do teste. Os testes deverão ser exectados na mesma Temperatura e umidade. 8

Propriedades mecânicas sob TRAÇÃO Normas ASTM D638 e ISO 527-1 Um dos ensaios mecânicos de tensãodeformação mais usados é executado sobre carga de tração.

Figura 6: Representação esquemática do dispositivo de ensaio de tração uniaxial Fonte: CANEVAROLO JÚNIOR (2007). CANEVAROLO JUNIOR, S.V. Técnicas de Caracterização de Polímeros. São Paulo: Artliber, 2007. 448 p. 1ª reimpressão.

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CORPOS DE PROVA l3 – Comprimento total do corpo de prova; W – Largura total;

l2 – Distância entre as seções com superfícies paralelas de largura maior; l1 – comprimento da seção com superfícies paralelas de largura menor (W0);

t – espessura; Figura 7: Geometria e dimensões típicas de corpos de prova para ensaios de tração em polímeros Fonte: CANEVAROLO JÚNIOR (2007).

CANEVAROLO JUNIOR, S.V. Técnicas de Caracterização de Polímeros. São Paulo: Artliber, 2007. 448 p. 1ª reimpressão.

L – Distância entre as garras; L0 – Comprimento da seção estreitada. 10

PARÂMETROS MEDIDOS/CALCULADOS NO ENSAIO DE TRAÇÃO  Tensão de tração nominal:

 Resistência à tração nominal:

 Comprimento inicial entre marcas: L0  Elongação: L

 Elongação percentual:  Deformação de tração:

 Módulo de Young: CANEVAROLO JUNIOR, S.V. Técnicas de caracterização de polímeros. São Paulo: Artliber, 2007. 448 p. 1ª reimpressão

Figura 8: Designação dos parâmetros no ensaio de tração Fonte: CANEVAROLO JÚNIOR (2007). 11

PARÂMETROS MEDIDOS/CALCULADOS NO ENSAIO DE TRAÇÃO  Empescoçamento:

Figura 9: Estiramento de um polímero semicristalino Fonte: RUCHERT (2010). RUCKERT, C. O. F. T. Ensaio Tração Polímero. 2010. Universidade de São Paulo. Escola de Engenharia de São Carlos. Departamento de Engenharia de materiais, Aeronáutica e Automobilística. Disponível em: . o em: 27 nov. 2017.

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Exemplos

Maior módulo elástico Maior tensão no escoamento Maior deformação na ruptura

Figura 10: Curvas tensão versus deformação para os polímeros PEBD e PEAD em ensaios de tração: (a) curva original; (b) ampliação Fonte: CANEVAROLO JÚNIOR (2007) CANEVAROLO JUNIOR, S.V. Técnicas de caracterização de polímeros. São Paulo: Artliber, 2007. 448 p. 1ª reimpressão

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Exemplos

Aumenta substancialmente seu módulo de elasticidade e resistência a tração Diminuição na elongação na ruptura

Figura 11: Curvas tensão versus deformação para os polímeros Poliamida 6,6 e Poliamida 6,6 com 30% de fibra de vidro (FV) em ensaios de tração: (a) curva original; (b) ampliação Fonte: CANEVAROLO JÚNIOR (2007) CANEVAROLO JUNIOR, S.V. Técnicas de caracterização de polímeros. São Paulo: Artliber, 2007. 448 p. 1ª reimpressão

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Propriedades mecânicas sob FLEXÃO Normas ASTM D790 e ISO 178 O método mais comum de ensaios de flexão é o que utiliza o carregamento em um sistema de 3 pontos.

L/D = 16 Limite máximo de 5% de deformação

Figura 12: Representação esquemática do dispositivo de ensaio de flexão com três pontos Fonte: CANEVAROLO JÚNIOR (2007). CANEVAROLO JUNIOR, S.V. Técnicas de Caracterização de Polímeros. São Paulo: Artliber, 2007. 448 p. 1ª reimpressão.

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Propriedades mecânicas sob FLEXÃO

Figura 13: Ensaio de flexão com três pontos Fonte: AFINKO (2015)

Figura 14: Ensaio de flexão com quatro pontos Fonte: UNIVERSITY OF MICHIGAN (2009)

AFINKO SOLUÇÕES EM POLÍMEROS. Ensaios Mecânicos. 2015. Disponível em: . o em: 28 nov. 2017. UNIVERSITY OF MICHIGAN. "Self-healing Concrete For Safer, More Durable Infrastructure." Sciencedaily, 24 April 2009. <www.sciencedaily.com/releases/2009/04/090422175336.htm>. o em: 28 nov. 2017.

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CORPOS DE PROVA ISO

Figura 15: Geometria típica de corpos de prova para ensaios de flexão em polímero Fonte: CANEVAROLO JÚNIOR (2007).

l – comprimento total do corpo de prova; b – largura do corpo de prova; e h – espessura do corpo de prova.

CANEVAROLO JUNIOR, S.V. Técnicas de caracterização de polímeros. São Paulo : Artliber, 2007. 448 p. 1ª reimpressão.

l (mm)

b (mm)

d (mm)

80±2

10±0,2

4,0±0,2

ASTM l (mm)

b (mm)

d (mm)

127

12,7±0,2

3,2±0,2

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PARÂMETROS MEDIDOS/CALCULADOS NO ENSAIO DE TRAÇÃO  Resistência à fexão:

 Tensão de flexão:

 Deformação sob flexão:

 Módulo de elasticidade tangente: Figura 16: Curvas típicas Tensão de Flexão versus Deformação sob flexão e suas designações Fonte: CANEVAROLO JÚNIOR (2007).

CANEVAROLO JUNIOR, S.V. Técnicas de caracterização de polímeros. São Paulo : Artliber, 2007. 448 p. 1ª reimpressão

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COMPRESSÃO Nos ensaios de compressão, os corpos de prova são dispostos entre duas bases com superfícies paralelas, Estas bases são acopladas as travessas fixa e móvel. A taxa de deformação de compressão e controlada

Os corpos de prova padrão deverão ser preparados na forma de cilindros ou prismas, cujo comprimento ou altura e o dobro de suas larguras ou diâmetro;

ASTM D695

Figura 17: Representação esquemática do dispositivo de ensaio de compressão Fonte: CANEVAROLO JÚNIOR (2007). CANEVAROLO JUNIOR, S.V. Técnicas de caracterização de polímeros. São Paulo : Artliber, 2007. 448 p. 1ª reimpressão

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PARÂMETROS NOS ENSAIOS DE COMPRESSÃO  Tensão de compressão nominal  Resistência à compressão nominal  Resistência à compressão na ruptura

 Ponto de escoamento  Deformação sob compressão  Módulo de Elasticidade  Resistencia a compressão no escoamento deslocada  Razão de dimensões 20

EXEMPLO O poliestireno homopolímero apresenta um comportamento frágil em ensaios de tração e dúctil em ensaios de compressão. A diferença de comportamento decorre do fato de o carregamento sob compressão não conduzir à formação das micro-trincas, que são responsáveis pelo comportamento frágil do poliestireno nos ensaios de tração.

Figura 18: Curvas tensão versus deformação pata o polímero poliestireno, sob tração (comportamento frágil) e sob compressão (comportamento dúctil), (a) curva original; (b) ampliação Fonte: CANEVAROLO JÚNIOR (2007).

CANEVAROLO JUNIOR, S.V. Técnicas de caracterização de polímeros. São Paulo : Artliber, 2007. 448 p. 1ª reimpressão

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ENSAIO DE IMPACTO O ensaio de impacto se caracteriza por submeter o corpo ensaiado a uma força brusca e repentina, que deve rompê-lo. Uma das propriedades mais requisitadas para a especificação do comportamento mecânico de polímeros, principalmente os plásticos. Sucesso ou Fracasso

Tenacidade Propriedade que representa a capacidade de um material se deformar durante a solicitação mecânica. 22

PARÂMETROS QUE AFETAM AS PROPRIEDADES SOB IMPACTO  Velocidade de impacto;  Sensibilidade a entalhes;  Temperatura;

 Força sofrida no impacto;  Geometria do corpo de prova;  Condições de fabricação do corpo de prova;  Condições ambientais do ensaio;  Orientação molecular, etc. 23

PARÂMETROS QUE AFETAM AS PROPRIEDADES SOB IMPACTO  Espessura do corpo de prova

 Sensibilidade ao entalhe  A confecção do entalhe deve ser a mais cuidadosa possível, principalmente para os plásticos mais sensíveis, para evitar a influência da sensibilidade ao entalhe sobre o comportamento ao impacto do material. Figura 19: Diferentes formas e dimensões de corpos de prova e dos respectivos entalhes Fonte: SOUSA (1982)

SOUSA, Sérgio Augusto de. Ensaios mecânicos de materiais metálicos - Fundamentos teóricos e práticos. São Paulo, Editora Edgard Blücher Ltda., 5 ed., 1982.

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ENTALHE NA RESISTÊNCIA AO IMPACTO

Figura 20: Efeito do raio da extremidade do entalhe na resistência ao impacto de diversos plásticos Fonte: CANEVAROLO JÚNIOR (2007). CANEVAROLO JUNIOR, S.V. Técnicas de caracterização de polímeros. São Paulo : Artliber, 2007. 448 p. 1ª reimpressão

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PARÂMETROS QUE AFETAM AS PROPRIEDADES SOB IMPACTO  Temperatura As temperaturas extremamente baixas, a resistência ao impacto é reduzida drasticamente. Esta redução torna-se mais evidente em temperaturas inferiores a temperatura de transição vítrea (Tg). Por outro lado, em temperaturas acima de Tg a resistência ao impacto do plástico apresenta um aumento significativo, devido ao efeito dissipativo provocado pela mobilidade molecular do polímero.

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INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA

Figura 21: Influência da temperatura na resistência ao impacto de diversos plásticos Fonte: CANEVAROLO (2007) CANEVAROLO JUNIOR, S.V. Técnicas de caracterização de polímeros. São Paulo : Artliber, 2007. 448 p. 1ª reimpressão

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PARÂMETROS QUE AFETAM AS PROPRIEDADES SOB IMPACTO  Orientação molecular A resistência ao impacto seria maior na direção da orientação, porém seria reduzida significativamente nas direções perpendiculares a orientação, proporcionando comportamento desigual em diferentes direções.  Grau de cristalinidade e massa molar Materiais com alta cristalinidade tem baixa resistência ao impacto e um redução na massa molar média proporciona redução na resistência ao impacto.  Condições e tipos de processamento  Taxa ou velocidade de solicitação sob impacto  Condicionamento de corpos de prova 28

TIPOS DE ENSAIOS DE IMPACTO PARA PLÁSTICOS Não existe um consenso geral sob qual é o método de ensaio mais adequado para definir o comportamento do material polimérico sob impacto

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ENSAIOS DE IMPACTO UTILIZANDO PÊNDULO

Figura 22: Desenho esquematizado do martelo pendular Fonte: CHIAVERINI (1994) Figura 23: Corpos de provas mais usado em ensaios utilizando pêndulo Fonte: CHIAVERINI (1994) Chiaverini, V. Tecnologia mecânica: estrutura e propriedades das ligas metálicas. São Paulo: Makron Books do Brasil Editora Ltda. 2a. ed., v. 1, 2, 3, 1994.

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ENSAIOS IZOD E CHARPY ASTM D256, ISO 180 e NBR 8425.

ASTM D4812, ASTM D6110, ISO 179-1, ISO 179-2 e NBR 9564.

As diferenças principais são as dimensões do corpo de prova, tipos e localização de entalhe e a base de fixação.

Figura 24: Fixação de corpos de provas em ensaios Izod/Charpy Fonte: CANEVAROLO (2007) CANEVAROLO JUNIOR, S.V. Técnicas de caracterização de polímeros. São Paulo : Artliber, 2007. 448 p. 1ª reimpressão

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IMPACTO CHIP Similar com o Izod

Sem entalhe e dimensões fixas ASTM D4508.

Impacto sob tração O ensaio de impacto sob tração foi desenvolvido para superar as deficiências apresentadas pelos testes de impacto sob flexão do tipo Izod e Charpy

ASTM D1822 e ISO 8256

Possível medir a resistência ao impacto de materiais flexíveis ou com pouca espessura, 32

ENSAIOS DE IMPACTO ATRAVÉS DA QUEDA DE PESO Baseado na queda livre de um peso pré-determinado a uma altura padronizada.

A maior vantagem é de reproduzir tensões multidirecionais, além dessa vantagem, os corpos de prova podem ser testados em diferentes tamanhos e formas, incluindo em alguns casos até a própria peça moldada. Uma das maiores desvantagens é o número exagerado de corpos de prova para se estabelecer o nível de energia necessário para romper a amostra por impacto.

ASTM D 5420, ISO 7765, ASTM D 1709, ASTM D2444, ISO 13957, NBR 10437

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ENSAIOS DE IMPACTO INSTRUMENTADOS

Figura 25: Curva de carga (forca) versus tempo obtidas em ensaios de impacto instrumentados Fonte: CANEVAROLO (2007)

CANEVAROLO JUNIOR, S.V. Técnicas de caracterização de polímeros. São Paulo : Artliber, 2007. 448 p. 1ª reimpressão

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ENSAIOS DE IMPACTO EM ELEVADAS VELOCIDADES Faixa de 750 a 15 000 000 mm/min. ASTM D3763 e ISO 6603-2.

Ensaios de impacto diversos Exemplos:  Uma vasilha cheia de líquido é deixada cair a partir de uma plataforma, a uma altura prédeterminada. Seu comportamento de resistência ao impacto é observado após sofrer o choque;  teste de Impacto através de canhão de ar (ACIT).

REFERÊNCIAS  AFINKO SOLUÇÕES EM POLÍMEROS. Ensaios Mecânicos. 2015. Disponível em: . o em: 28 nov. 2017.

 CALLISTER JÚNIOR, W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: uma introdução. 5 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002, 589 p.  CANEVAROLO JUNIOR, S.V. Técnicas de Caracterização de Polímeros. São Paulo: Artliber, 2007. 448 p. 1ª reimpressão.  CHIAVERINI, V. Tecnologia mecânica: estrutura e propriedades das ligas metálicas. São Paulo: Makron Books do

Brasil Editora Ltda. 2a. ed., v. 1, 2, 3, 1994.  RUCKERT, C. O. F. T. Ensaios Mecânicos dos Materiais: Tração. 2010. Universidade de São Paulo. Escola de Engenharia de São Carlos. Departamento de Engenharia de materiais, Aeronáutica e Automobilística. Disponível em: . o em: 27 nov. 2017.

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REFERÊNCIAS  RUCkERT, C. O. F. T. Ensaio Tração Polímero. 2010. Universidade de São Paulo. Escola de Engenharia de São Carlos. Departamento de Engenharia de materiais, Aeronáutica e Automobilística. Disponível em: . o em: 27 nov. 2017.  SOLUÇÕES INDUSTRIAIS. Máquina Universal de Ensaios Mecânicos. 2017. Disponível em: . o em: 28 nov. 2017.  SOUSA, Sérgio Augusto de. Ensaios mecânicos de materiais metálicos - Fundamentos teóricos e práticos. São Paulo, Editora Edgard Blücher Ltda., 5 ed., 1982.  University of Michigan. "Self-healing Concrete For Safer, More Durable Infrastructure." Sciencedaily, 24 April 2009. <www.sciencedaily.com/releases/2009/04/090422175336.htm>. o em: 28 nov. 2017.

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OBRIGADO!!! 38