Ensaio de Resistência ao impacto

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ENSAIO DE IMPACTO EM AMOSTRAS
DE POLIETILENO COM CASCA DE ARROZ
Caio Kawamura Gonçalves - 118006.
Gabriel Dainez Aquotti – 120220.
Mariana de Oliveira Dalberto – 118096.
Resumo: O presente relatório apresenta os resultados obtidos experimentalmente no ensaio de impacto do compósito de
polietileno com casca de arroz, tendo como objetivo analisar a resistência do material ao impacto. Este é um ensaio dinâmico
que avalia fraturas frágeis em materiais e fornece dados da energia absorvida por este ao se aplicar uma carga através da
ação do martelo incorporado ao pêndulo. O ensaio pode ser realizado de duas maneiras diferentes e com entalhes que
funcionam como concentradores de tensão entalhados no corpo de prova em diferentes formatos, a depender dos objetivos do
experimento. Para o caso detalhado a seguir, usou-se o ensaio do tipo Izod, onde os corpos de prova, com entalhe em formato
de V, são fixados na vertical e o entalhe fica posicionado na região de impacto do martelo.
Palavras-chave: ensaio, Impacto, Polietileno, reciclado, Casca de arroz.
1. INTRODUÇÃO
Dentro da Engenharia, antes de se executar um projeto, é essencial fazer estudos, ensaios e levantamentos a respeito dos
aspectos funcionais, geométricos e do material a ser utilizado. Em relação ao material, segundo Garcia (2012), ao longo da
Segunda Guerra Mundial, foram identificadas rachaduras nas estruturas de tanques e cascos de navios. Com isso, grupos de
pesquisas foram realizados para identificar as causas desses problemas. Nos estudos, constataram que a fratura frágil que estava
ocorrendo nos navios e nos tanques se davam por três fatores: A existência de trincas e entalhes na estrutura geram estados de
tensões que se propagam rapidamente; as baixas temperaturas fazem um material, relativamente dúctil à temperatura ambiente,
se comportarem como frágil e, por último, as altas velocidades de deformação geradas por altas cargas aplicadas. Desse modo,
além dos ensaios de tração, passaram a realizar os ensaios de impacto para verificar os dois possíveis modos de falha: frágil ou
dúctil dos materiais.
Para o ensaio de impacto, dois tipos de ensaios foram padronizados e são os mais utilizados hoje em dia: O Charpy e o
Izod. Em ambos os métodos, os corpos de prova são barras de seções transversais retangulares, com entalhes feitos em sua
superfície, podendo ser feitos em variados formatos. A diferença entre eles está no posicionamento do corpo de prova, assim
como na posição do entalhe em relação ao martelo de impacto. No ensaio Charpy a barra retangular fica na posição horizontal e
seu entalhe voltado para trás da região de impacto, enquanto que, no Izod, o corpo de prova fica na vertical, com o seu entalhe
voltado para a região de impacto.
Neste estudo, foi utilizado o ensaio do tipo Izod em um corpo de prova de Polietileno (PE) com adição de 60% de casca
de arroz, com o objetivo de analisar a resistência ao impacto do material (com e sem correção de energia) e fazer as devidas
comparações com um material puro de Polietileno de alta densidade (PEAD).
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Para a realização do ensaio, foram utilizados: Um paquímetro; uma máquina de impacto, marca CEAST® (Figura 1); cinco
corpos de prova de Polietileno com casca de arroz e uma entalhadeira (Figura 2). A norma seguida neste estudo, tanto para os
cálculos, quanto para as especificações geométricas do corpo de de prova, foi a ASTM D256-10.
1
Figura 1: Máquina de impacto Figura 2: Entalhadeira
Fonte: Autor (2023) Fonte: Autor (2023)
Primeiramente, preparam-se as amostras a serem ensaiadas fazendo medições da sua espessura e o entalhamento, em “V”, de
2 mm, utilizando a entalhadeira. Após isso, a máquina de ensaio é preparada, colocando o martelo no pêndulo e adequando a base
de fixação para o tipo Izod. Antes de iniciar o ensaio, o pêndulo é solto de maneira livre, obtendo a sua energia de oscilação livre na
tela do equipamento. Feito isso, o primeiro corpo de prova é posicionado na base de fixação, o martelo é elevado até certa altura e,
então, o pêndulo é solto e choca-se contra o material, fraturando-o. Após o impacto, o valor da energia que aparece no Display da
máquina é anotado. O procedimento é repetido para todos os corpos de prova. Feito isso, com todos os valores anotados, foi possível
calcular os ângulos ( e ), a energia total corrigida ( ) e as resistências ao impacto ( e ). Logo em seguida, a partir daβ β
𝑚á𝑥
𝐸
𝑡
𝐼 𝐼
𝑠
literatura, comparou-se a resistência do PE com adição da casca de arroz com o PEAD puro.
2.1 Modelos Matemáticos
Máximo ângulo final do pêndulo em oscilação livre (β
𝑚á𝑥
)
[rad]β
𝑚á𝑥
= 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠[1 − (
ℎ
𝑚
𝐿 ) * (1 −
𝐸
𝑎
𝐸
𝑚
)]
(1)
onde
= altura de queda do centro de percussão do pêndulo (cm),ℎ
𝑚
= comprimento efetivo do pêndulo (cm),𝐿
= Energia lida em oscilação livre (J) e𝐸
𝑎
= Energia nominal do pêndulo (J)𝐸
𝑚
Ângulo atingido pelo pêndulo após a quebra do corpo de prova β( )
[rad]β = 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠[1 − (
ℎ
𝑚
𝐿 ) * (1 −
𝐸
𝑠
𝐸
𝑚
)]
(2)
onde
= Energia lida (J)𝐸
𝑠
Correção total de energia 𝐸
𝑡( )
[J] (3)𝐸
𝑡
= [
𝐸
𝑎
−
𝐸
𝑏
2
β
𝑚á𝑥
] * β +
𝐸
𝑏
2
onde
= Energia lida em oscilação livre (J)𝐸
𝑏
2
Resistência ao impacto corrigida 𝐼( )
[J/m] (4)𝐼 =
𝐸
𝑠
−𝐸
𝑡
𝑡
onde
= Espessura (m)𝑡
Resistência ao impacto sem correção 𝐼
𝑠( )
[J/m] (5)𝐼
𝑠
=
𝐸
𝑠
𝑡
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Primeiramente, o martelo foi soltado sem colocar os corpos de prova para definir os valores de energia livre para a
oscilação livre desse objeto. Após realizar duas medições para os valores de Ea e Eb, foi possível calcular o ângulo máximo que o
pêndulo atinge quando não encontra obstáculos durante seu curso, dado pela equação (1).
Ea = 0,022 J
Eb = 0,022 J
β
𝑚á𝑥
= 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠[1 − (
ℎ
𝑚
𝐿 ) * (1 −
𝐸
𝑎
𝐸
𝑚
)]
β
𝑚á𝑥
= 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠[1 − ( 64,532,5 ) * (1 −
0,022
2,75 )] = 2, 891 𝑟𝑎𝑑
Em seguida, foi realizado o ensaio para os corpos de prova e coletados os valores de energia exibidos pela máquina. Com
isso, foi possível calcular inicialmente o ângulo beta do pêndulo, dado pela equação (2) necessária para obter a energia corrigida.
Posteriormente, as resistências de impacto de cada amostra considerando a correção de energia ou não são obtidas a partir das
equações (4 e 5). Os resultados foram organizados na tabela 1.
Tabela 1. resultados obtidos do ensaio
CP Energia lida
(J)
Beta
(rad)
Correção de
energia (J)
Resistência ao impacto
com correção (J/m)
Resistência ao impacto
sem correção (J/m)
1 0,099 2,7218 0,0605 12,8257 33,0000
2 0,094 2,7307 0,0607 9,9446 28,0597
3 0,107 2,7078 0,0603 14,1609 32,4242
4 0,104 2,7130 0,0604 13,2232 31,5152
5 0,105 2,7113 0,0603 13,3338 31,3433
Média 0,102 2,7169 0,0604 12,6977 31,2685
Fonte: Autor (2023)
Pode-se ver que os valores de resistência ao impacto são muito menores se é considerada a correção de energia, o que é
esperado sabendo que esse valor considera que uma parte da energia medida do pêndulo é dissipada para o ambiente ao realizar
uma oscilação.
Além do mais, é importante comparar os resultados obtidos de resistência ao impacto para o compósito com a do
Polietileno puro, cujo módulo é de 40 J/m. A fim de relacionar a mudança na composição do material com os resultados
encontrados de resistência, calculamos a razão dessa grandeza para obter um valor de redução percentual dessa propriedade.
𝑅𝑒𝑑𝑢çã𝑜 𝑝𝑒𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑢𝑎𝑙 = 𝐼𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜−𝐼𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑔𝑖𝑑𝑜𝐼𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 * 100 
3
𝑅𝑒𝑑𝑢çã𝑜 𝑝𝑒𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑢𝑎𝑙 = 40−12,697740 * 100 = 68, 2557% 
A partir desse dado, podemos concluir que há uma perda considerável da grandeza em questão, sendo assim, deve-se
considerar se há uma melhora no preço ou em outras propriedades desse material que justifiquem a adição de casca de arroz na
composição química do compósito. Ainda, analisando a fratura de cada corpo de prova, é notável pelas fig.3-7, que não houve
deformação plástica visível, corroborando com as reduzidas energias de impacto, caracterizadas pela propagação da trinca de
forma frágil.
Figura 3 - Corpo de prova 1
Fonte: Autor (2023)
Figura 4 - Corpo de prova 2
Fonte: Autor (2023)
Figura 5 - Corpo de prova 3
Fonte: Autor (2023)
Figura 6 - Corpo de prova 4
4
Fonte: Autor (2023)
Figura 7 - Corpo de prova 5
Fonte: Autor (2023)
4. CONCLUSÃO
Analisando os resultados obtidos em comparação ao que se conhece do polietileno puro, observa-se a grande perda
de capacidade de absorção de energia do material ao sofrer impacto, demonstrando que a adição de casca de arroz faz com
que a propagação de trincas ocorre de forma mais frágil no compósito, o que também é observado nos corpos de prova que
não apresentam deformação plástica. Esse resultado pode ser explicado pelo aumento da resistência do material, já que
materiais com maior resistência tendem a ter uma energia de impacto menor.
5. REFERÊNCIAS
Garcia, A., Spim, J. A., Santos, C. d. (2012). Ensaios dos Materiais, 2ª edição.
American Society for Testing and Materials (ASTM) D256-10. Standard Test Methods for Determining the Izod Pendulum Impact
Resistance of Plastics.
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