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Macro e micromecânica aplicadas aos materiais compósitos Disciplina: Materiais Compósitos Prof.: Fábio de O. Braga Graduação em Engenharia Civil Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil (TEC) 1. Revisão de propriedades elásticas Tipos de carregamento e suas deformações Tração Compressão 1. Revisão de propriedades elásticas Tensão normal F = carga aplicada; A0 = área inicial da amostra. Deformação normal Δl = alongamento; l0 = comprimento inicial; li = comprimento final. F > 0 F < 0 1. Revisão de propriedades elásticas Tipos de carregamento e suas deformações Tipos de carregamento e suas deformações Cisalhamento Cisalhamento (elemento plano) Tensão de cisalhamento de engenharia 1. Revisão de propriedades elásticas Tipos de carregamento e suas deformações 1. Revisão de propriedades elásticas Torção e detalhe das tensões cisalhantes Torção Tipos de carregamento e suas deformações 1. Revisão de propriedades elásticas Tipos de carregamento e suas deformações Flexão 1. Revisão de propriedades elásticas Tensões normais Tensões cisalhantes 1. Revisão de propriedades elásticas • No primeiro gráfico, observa-se distintamente duas regiões: a) Uma região aproximadamente linear (inclinação aproximadamente constante); b) Uma região não-linear (inclinação decresce). • Observar que no segundo gráfico quase só há a região linear (material frágil). 1. Revisão de propriedades elásticas • Definição do módulo de elasticidade (E), também conhecido como módulo de Young. 1. Revisão de propriedades elásticas O módulo elástico tem a ver com a inclinação da curva tensão-deformação no regime elástico. É a rigidez do material. • Definição do módulo de cisalhamento (G). 1. Revisão de propriedades elásticas Similar ao módulo de Young, mas devido a cargas de cisalhamento. 1. Revisão de propriedades elásticas • O comportamento linear-elástico é descrito pela equação: • Onde: σ = tensão; E = módulo de elasticidade ou módulo de Young; ε = deformação; τ = tensão de cisalhamento; γ = deformação de cisalhamento; G = módulo de cisalhamento. • Esta equação é conhecida como “lei de Hooke”. • Para o aço, E = 210 GPa. • A deformação ε permanece enquanto a carga é mantida. Assim que a carga cessa, o material volta às dimensões iniciais. (tração e compressão) (cisalhamento) 1. Revisão de propriedades elásticas 1. Exemplo do cálculo do alongamento elástico: • Um pedaço de cobre originalmente com 305 mm de comprimento é puxado em tração com uma tensão de 276 MPa. Se a sua deformação é inteiramente elástica, qual será o alongamento resultante? Considere o módulo de Young do cobre como 110 GPa. 1. Revisão de propriedades elásticas • Quando uma tensão é imposta sobre uma amostra metálica ao longo do eixo da peça (eixo z), resulta em uma deformação εz. • Como resultado do alongamento, haverá uma contração nas direções x e y, perpendiculares à tensão aplicada (deformações εx e εy). • Se o material for isotrópico, εx = εy. • O coeficiente de Poisson (ν) é definido com a razão entre as deformações lateral e axial. • Os metais tem 0,25 < ν < 0,35. 1. Revisão de propriedades elásticas 2. Exemplo: Uma tensão de tração deve ser aplicada ao longo do eixo do comprimento de uma barra cilíndrica de latão, que tem um diâmetro de 10 mm. Determine a magnitude da carga necessária para produzir uma variação de 2,5 x10-3 mm no diâmetro se a deformação é puramente elástica. Considere Elatão = 97 GPa e νCu = 0,34. 1. Revisão de propriedades elásticas 1. Revisão de propriedades elásticas • As propriedades elásticas definidas até agora, módulo de Young (E), módulo de cisalhamento (G) e coeficiente de Poisson (v) são conhecidos como constantes de engenharia. • Elas definem totalmente o comportamento elástico do material. • A relação entre elas é: • Para materiais isotrópicos, estas constantes não variam com a direção. • Para materiais anisotrópicos, como a maioria dos compósitos, estas constantes variam com a direção, aumentando o número de constantes independentes (Exx, Exy, Exz, etc.). 1. Revisão de propriedades elásticas 1. Revisão de propriedades elásticas • Lei de Hooke generalizada para um estado de tensões tridimensional conforme figura: • (Considerando eixo x→1, y→2, z→3) • Pode ter até 81 componentes. 1. Revisão de propriedades elásticas • Os componentes de tensão normal 1. Revisão de propriedades elásticas • Os componentes de tensão Se considerado estado plano de tensões, temos que: 𝜎𝑥 = 𝐸 1 − 𝑣2 (𝜀𝑥 − 𝑣𝜀𝑦) 𝜎𝑦 = 𝐸 1 − 𝑣2 (𝜀𝑦 − 𝑣𝜀𝑥) 𝜏𝑥𝑦 = 𝐺𝛾𝑥𝑦 1. Revisão de propriedades elásticas • Matriz da Lei de Hooke para materiais isotrópicos contendo todas as constantes de engenharia. • Onde: 𝐴 = 𝐸 (1−𝑣²) 𝜎𝑥 𝜎𝑦 𝜎𝑧 𝜏𝑥𝑧 𝜏𝑦𝑧 𝜏𝑥𝑦 = 𝐴 𝑣𝐴 𝑣𝐴 0 0 0 𝑣𝐴 𝐴 𝑣𝐴 0 0 0 𝑣𝐴 𝑣𝐴 𝐴 0 0 0 0 0 0 𝐺 0 0 0 0 0 0 𝐺 0 0 0 0 0 0 𝐺 𝜀𝑥 𝜀𝑦 𝜀𝑧 𝛾𝑥𝑧 𝛾𝑦𝑧 𝛾𝑥𝑦 2. Princípios de micromecânica aplicados a materiais compósitos • As propriedades elásticas dos materiais são características mecânicas essenciais para a análise de tensões e o projeto de componentes estruturais. • Como visto na seção anterior, por meio das propriedades elásticas, é possível correlacionar as tensões (estímulo mecânico) às deformações (resposta do material ao estímulo). • Micromecânica é uma técnica que permite o cálculo das propriedades elásticas de um compósito a partir das propriedades elásticas de seus constituintes, desde que suas frações volumétricas sejam conhecidas. 2. Princípios de micromecânica aplicados a materiais compósitos • Em micromecânica, as propriedades são definidas baseando- se em dois eixos, um paralelo às fibras (eixo 1) e outro perpendicular (eixo 2). 2. Princípios de micromecânica aplicados a materiais compósitos • Frações volumétricas: VF + VM + VV = 1 • Ou em percentuais: %VF + %VM +%VV = 100% • Os índices F, M e V indicam, respectivamente, fibra, matriz e vazios. • Em compósitos estruturais de boa qualidade, VF deve ser baixa, idealmente VV < 1%. • Em compósitos poliméricos curados em autoclaves dentro de bolsas de vácuo, 0,1 < VV < 1% • Pode-se considerar que os vazios não contribuem para o peso dos compósitos, então mc = mF + mM 2. Princípios de micromecânica aplicados a materiais compósitos Hipóteses simplificadoras • A matriz é considerada: • De comportamento mecânico linear e elástico; • Isotrópica homogênea; • Já as fibras devem ser: • De comportamento mecânico linear e elástico; • Homogêneas; • Perfeitamente alinhadas (paralelas umas às outras); • Igualmente espaçadas entre si. • Uma das consequências é que se pode utilizar a lei de Hooke nas relações entre tensões e deformações. 2. Princípios de micromecânica aplicados a materiais compósitos Hipóteses simplicadoras • A unidade básica do compósito é conhecida como lâmina, contendo apenas uma camada de fibras. • As lâminas são consideradas: • Lineares elásticas; • Ortotrópicas; • Livres de tensões residuais; • A interface entre fibra e matriz na lâmina é considerada perfeita, isto é, quando a lâmina é tracionada na direção 1, as deformações londitudinais na lâmina (ε1), na fibra (εF) e na matriz (εM) tornam- se idênticas. • Decorre também que as tensões normais na matriz na direção 2 (σ2), a que atua nas fibras (σF) e a que atua na matriz (σM) são idênticas. 2. Princípios de micromecânica aplicados a materiais compósitos • Caso 1: Carregamento longitudinal às fibras (direção 1) • F = FF + FM → σ1.A = σF.AF + σM.AM • Dividindo pela área total (A) da lâmina: • σ1 = σF.(AF/A) + σM.(AM/A) • Os termos (AF/A) e (AM/A) são as frações de área de fibras e matriz, que equivalem às frações volumétricas VF e VM, pois o comprimentodas fibras, matriz e da lâmina são únicos. 2. Princípios de micromecânica aplicados a materiais compósitos • Aplicando-se a lei de Hooke: • E1.ε1 = EF. εF.VF + EM. εM.VM • Como as deformações da lâmina, fibra e matriz são idênticas: • E1 = EF.VF + EM.VM • Que é conhecida como Regra das Misturas. Impregnação manual: VF ~30%; Moldagem a vácuo: VF ~50%; Autoclave ou prepreg: VF~70%. 2. Princípios de micromecânica aplicados a materiais compósitos • Caso 2: Carregamento perpendicular às fibras (direção 2): • Neste caso, as fibras e a matriz trabalham como molas em série, isto é, ΔL2 = ΔLF + ΔLM. • Sendo ΔL = ε.L → ε2 = (L2F/L2). ε2F + (L2M/L2). ε2M. • Como no caso anterior, os quocientes (L2F/L2) e (L2M/L2) equivalem às frações volumétricas VF e VM. 2. Princípios de micromecânica aplicados a materiais compósitos • Aplicando-se a lei de Hooke e cancelando-se os termos de tensão (hipótese simplificadora), temos que: • 1 𝐸2 = 𝑉𝐹 𝐸𝐹 + ( 𝑉𝑀 𝐸𝑀 ) Até VF ~ 50% o reforço é desprezível, podendo-se admitir que E2~EM. 2. Princípios de micromecânica aplicados a materiais compósitos • Para compósitos com fibras na forma de tecidos, mantas, ou preformas multidirecionais, os valores teóricos de E1 e E2 são considerados como limitantes superior e inferior do módulo de elasticidade do compósito. 2. Princípios de micromecânica aplicados a materiais compósitos • Além dos dois módulos de elasticidade E1 e E2, uma lâmina com reforça unidirecional também apresenta dois coeficientes de Poisson. • O maior deles é ν12, ocorre quando a tensão é aplicada como abaixo: • O menor, ν21, ocorre quando a tensão é aplicada como abaixo: 2. Princípios de micromecânica aplicados a materiais compósitos • ν12 também obedece à regra das misturas, então pode ser obtido a partir do coeficiente de Poisson das fibras (νF) e da matriz (νM), conforme abaixo: • ν1 = νF.VF + νM.VM • ν21 é normalmente medido por meio de cálculo, pela equação abaixo: • 𝐸1 𝐸2 = 𝑣12 𝑣21 • Por, fim propriedade elástica que falta é o módulo de cisalhamento (G), o qual relaciona as tensões de cisalhamento no plano da lâmina (τ12) com as deformações angulares (ϒ12). • 1 𝐺12 = 𝑉𝐹 𝐺𝐹 + ( 𝑉𝑀 𝐺𝑀 ) , sendo G12 ~ GM quando VF < 50%. 2. Princípios de micromecânica aplicados a materiais compósitos • Apesar de simples, as equações de micromecânica para estimativa das propriedades elásticas são suficientemente precisas para uso no projeto de componentes estruturais em compósitos. • Em aplicações práticas, em decorrência das condições impostas pelos processos de fabricação, o valor máximo possível para frações volumétricas é de cerca de 70%. • Para valores superiores a 70%, não se pode garantir que todos os filamentos dos cabos de fibras empregados como reforço serão impregnados pela matriz. 2. Princípios de micromecânica aplicados a materiais compósitos • Compósitos reforçados por partículas: • 𝐸𝑐𝑜𝑚𝑝ó𝑠𝑖𝑡𝑜 = 𝑉𝑃 0,67. 𝐸𝑀 1−𝑉𝑃 0,33(1− 𝐸𝑀 𝐸𝑃 ) + 1 − 𝑉𝑃 0,67 . 𝐸𝑀 • 𝐺𝑐𝑜𝑚𝑝ó𝑠𝑖𝑡𝑜 = 𝑉𝑃 0,67. 𝐺𝑀 1−𝑉𝑃 0,33(1− 𝐺𝑀 𝐺𝑃 ) + 1 − 𝑉𝑃 0,67 . 𝐺𝑀 2. Princípios de micromecânica aplicados a materiais compósitos • Exemplos de aplicação em micromecânica: 3. Os módulos de elasticidade (E) dos materiais constituintes (fibra e matriz) do compósito de fibras de carbono T300/ matriz epóxi são: EFA = 231 GPa (módulo longitudinal das fibras de C); EFR = 20 GPa (módulo transversal das fibras de C) e EM = 3,45 GPa. Estime os módulos E1 e E2. Considere a fração volumétrica de fibras VF = 0,55. 4. Em relação aos dados do exercício anterior, se forem fornecidos os dados de coeficiente de Poisson longitudinal (maior) da fibra, νF = 0,20 e da matriz νM = 0,35, calcule o coeficiente de Poisson maior da lâmina, ν12 e o coeficiente de Poisson menor, ν12. 5. Calcule o módulo de cisalhamento da lâmina (G12), sabendo que o módulo de cisalhamento das fibras é GF = 15 GPa. Utilize os dados das outras constantes de engenharia da matriz já mencionados no exemplo anterior. 2. Princípios de micromecânica aplicados a materiais compósitos 3. Macromecânica de lâminas compósitas • Macromecânica: engloba as equações básicas que descrevem o comportamento elástico de lâminas, vigas e placas laminadas compósitas, reforçadas com fibras contínuas. • Caso dos materiais isotrópicos: as propriedades elásticas são definidas por duas constantes independentes, e não variam com a direção: Ex: “E” e “ν”. “G”, por sua vez, pode ser calculado por: 𝐺 = 𝐸 2(1+𝑣) • Já as propriedades elásticas de uma lâmina ortotrópica (de material compósito) são determinadas pelas constantes elásticas E1, E2, G12, v12 e v21, e são válidas apenas para o referencial principal do material (eixos 1 e 2). • As lâminas são formadas com reforço unidirecional contínuo, e representam os blocos básicos de modelos utilizados na análise de estruturas compósitas mais complexas, como laminados, formados pelo empilhamento de lâminas. 3. Macromecânica de lâminas compósitas • Na análise de uma lâmina de compósito, é necessário definir um sistema de coordenadas para a a geometria do componente e cargas aplicadas (x, y, z), e outro para a orientação das fibras (1, 2, 3). 3. Macromecânica de lâminas compósitas • Utiliza-se análise bidimensional quando uma das dimensões do componente analisado é desprezível (isto é, ao menos 20x menor), que é o caso das da maioria das lâminas compósitas. • Neste caso são usados apenas 2 eixos, 1 e 2 para as fibras, e x e y para os carregamentos. 3. Macromecânica de lâminas compósitas 3. Macromecânica de lâminas compósitas Lei de Hooke 2-D para materiais ortotrópicos: • 𝜎𝑥 𝜎𝑦 𝜏𝑥𝑦 = 𝐸 (1−𝑣²) 𝑣.𝐸 (1−𝑣²) 0 𝑣.𝐸 (1−𝑣²) 𝐸 (1−𝑣²) 0 0 0 𝐺 . 𝜀𝑥 𝜀𝑦 𝛾𝑥𝑦 Lei de Hooke 2-D para materiais ortotrópicos: • 𝜎1 𝜎2 𝜏12 = 𝑄11 𝑄12 0 𝑄21 𝑄22 0 0 0 𝑄66 . 𝜀1 𝜀2 𝛾12 = 𝑄 . 𝜀1 𝜀2 𝛾12 • Onde os componentes Qij da matriz [Q] são: • 𝑄11 = 𝐸1 1−𝑣21.𝑣12 • 𝑄12 = 𝑣12.𝐸2 1−𝑣21.𝑣12 = 𝑄21 = 𝑣21.𝐸1 1−𝑣21.𝑣12 • 𝑄22 = 𝐸2 1−𝑣21.𝑣12 • 𝑄66 = 𝐺12 • A matriz Q é matriz de rigidez da lâmina ortotrópica. 3. Macromecânica de lâminas compósitas Lei de Hooke 2-D para materiais ortotrópicos: • Se as cargas são dadas, e é necessário calcular a deformação, a equação inversa deve ser desenvolvida. • 𝜀1 𝜀2 𝛾12 = [𝑄]−1. 𝜎1 𝜎2 𝜏12 = 𝑆 . 𝜎1 𝜎2 𝜏12 • A matriz S é a matriz flexibilidade da lâmina ortotrópica. • Estas equações apresentadas para as lâminas ortotrópicas só valem para o sistema de coordenadas (1, 2); 3. Macromecânica de lâminas compósitas 3. Macromecânica de lâminas compósitas • Exemplo de aplicação: 6. Para uma lâmina fina de resina epóxi reforçada com fibras de carbono T-300, orientadas ao longo da direção 1, cujas propriedades elásticas, em [GPa], foram obtidas por meio de equações básicas da micromecânica e transcritas na tabela do slide anterior, obter as matrizes [Q] e [S]. 3. Macromecânica de lâminas compósitas • Caso as cargas estejam inclinadas em relação ao sistema (1, 2), é necessária uma rotação no sistema de coordenadas (x, y). • Sendo θ o ângulo entre os eixos x e 1, e representando as funções trigonométricas pelas letras m = cos θ e n = sen θ, a rotação pode ser realizada: • 𝜎1 𝜎2 𝜏12 = 𝑇 . 𝜎𝑥 𝜎𝑦 𝜏𝑥𝑦 e 𝜀1 𝜀2 𝛾12 = 𝑇 . 𝜀𝑥 𝜀𝑦 𝛾𝑥𝑦 • Onde: 𝑇 = 𝑚² 𝑛² −𝑚𝑛 𝑛² 𝑚² 𝑚𝑛 2𝑚𝑛 −2𝑚𝑛 𝑚² − 𝑛² 3. Macromecânica de lâminas compósitas 3. Macromecânica de lâminas compósitas • A lei de Hooke então fica: • 𝜎𝑥 𝜎𝑦 𝜏𝑥𝑦 = 𝑇 −1. 𝑄 . 𝑇 −𝑇 . 𝜀𝑥 𝜀𝑦 𝛾𝑥𝑦 = 𝑄 . 𝜀𝑥 𝜀𝑦 𝛾𝑥𝑦 • Onde: 𝑇 −1 = 𝑚² 𝑛² 2𝑚𝑛 𝑛² 𝑚² −2𝑚𝑛 −𝑚𝑛 𝑚𝑛 𝑚² − 𝑛² • 𝑇 𝑇 = 𝑚² 𝑛² −𝑚𝑛 𝑛² 𝑚² 𝑚𝑛 2𝑚𝑛 −2𝑚𝑛 𝑚² − 𝑛² • E 𝑇−𝑇 = 𝑚² 𝑛² 𝑚𝑛 𝑛² 𝑚² −𝑚𝑛 −2𝑚𝑛 2𝑚𝑛 𝑚² − 𝑛² • São as operações de inversão, transposição e inversão com transposição da matriz [T]. 3. Macromecânica de lâminas compósitas • A operação inversa, por sua vez: • 𝜀𝑥 𝜀𝑦 𝛾𝑥𝑦 = 𝑇 𝑇 . 𝑆 . 𝑇 . 𝜎𝑥 𝜎𝑦 𝜏𝑥𝑦 = 𝑆 . 𝜎𝑥 𝜎𝑦 𝜏𝑥𝑦 • Sem um software adequado, a expressão [𝑄 ] = [T]-1.[Q].[T]-T, apesar de só envolver a multiplicação de matrizes 3x3, é relativamente trabalhoso se os cálculos forem feitos manualmente. • Um procedimento equivalente, porém, mais simples matematicamente, envolve a utilização de cinco invariantes U, para o cálculo da matriz [𝑄 ]. 3. Macromecânica de lâminas compósitas Invariantes para o cálculo de [𝑄 ]: • 𝑈1 = (3𝑄11 + 3𝑄22 + 2𝑄12 + 4𝑄66)/8 • 𝑈2 = (𝑄11 − 𝑄22)/2 • 𝑈3 = (𝑄11 + 𝑄22 − 2𝑄12 − 4𝑄66)/8 • 𝑈4 = (𝑄11 + 𝑄22 + 6𝑄12 − 4𝑄66)/8 • 𝑈5 = (𝑄11 + 𝑄22 − 2𝑄12 + 4𝑄66)/8 Calcula-se então os elementos de [𝑄 ]: • 𝑄 11 = 𝑈1 + 𝑈2𝑐𝑜𝑠2𝜃 + 𝑈3𝑐𝑜𝑠4𝜃 • 𝑄 22 = 𝑈1 − 𝑈2𝑐𝑜𝑠2𝜃 + 𝑈3𝑐𝑜𝑠4𝜃 • 𝑄 12 = 𝑈4 − 𝑈3𝑐𝑜𝑠4𝜃 • 𝑄 66 = 𝑈5 − 𝑈3𝑐𝑜𝑠4𝜃 • 𝑄 16 = 𝑈2 2 𝑠𝑒𝑛2𝜃 + 𝑈3𝑠𝑒𝑛4𝜃 • 𝑄 26 = 𝑈2 2 𝑠𝑒𝑛2𝜃 − 𝑈3𝑠𝑒𝑛4𝜃 3. Macromecânica de lâminas compósitas Calcula-se então as tensões na lei de Hooke: • 𝜎𝑥 𝜎𝑦 𝜏𝑥𝑦 = 𝑄 11 𝑄 12 𝑄 16 𝑄 12 𝑄 22 𝑄 26 𝑄 16 𝑄 26 𝑄 66 . 𝜀𝑥 𝜀𝑦 𝛾𝑥𝑦 • Caso os elementos 𝑄 16 e 𝑄 66 sejam não nulos, ocorrem acoplamentos elásticos entre deformações normais e de cisalhamento, como mostra a figura ao lado. Na figura, há somente tensões normais, mas deformações de cisalhamento também ocorrem; 3. Macromecânica de lâminas compósitas 7. Para a mesma lâmina de fibra de carbono T-300/epóxi, calcular as matrizes: (i) de rigidez, [𝑄 ]; (ii) de flexibilidade, [𝑆 ], considerando-se que as fibras ao longo da direção estão orientadas a +45º em relação à direção x. Neste caso, as tensões e deformações são definidas no sistema (x, y) e as direções principais do material no sistema (1, 2). 8. Dado que a lâmina anisotrópica (com as fibras inclinadas a 45º) do exemplo anterior foi submetida a uma tensão normal de tração, σx = 0,02 GPa, conforme figura abaixo, obter as deformações correspondentes. 3. Macromecânica de lâminas compósitas • CALLISTER, W.D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 7ª ed. 2008. • LEVY NETO, F. Compósitos estruturais: Ciência e Tecnologia. 2ª ed. rev. Amp. São Paulo: Blucher. 2016. • MOURA, M.F.S.F.; MORAIS, AB; MAGALHÃES, A.G. Materiais Compósitos: Materiais, Fabrico e Comportamento Mecânico. 2ª ed. 2ª reimp. Porto (Portugal): Publindústria. 2011. • DIETER, G.E. Metalurgia Mecânica. 2ª ed. Rio de Janeiro: Guanabara Dois. 1981. Referências
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