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Prof. Luiz Cláudio Cândido MECANISMOS DE ENDURECIMENTO Prof. Leonardo Barbosa Godefroid candido@em.ufop.br leonardo@em.ufop.br ENDURECIMENTO POR MATERIAIS COMPÓSITOS Endurecimento por materiais compósitos - Introdução - Classificação, características e aplicações - Comportamento mecânico ENDURECIMENTO POR MATERIAIS COMPÓSITOS Introdução A palavra “compósito” para materiais compósitos significa que duas ou mais fases distintas são combinadas numa escala macroscópica, convenientemente arranjadas ou distribuídas, para formar um material com boas propriedades para aplicação na Engenharia. Geralmente, a fase contínua é referida como matriz, enquanto que a fase distribuída é chamada de reforço. Basicamente, três aspectos determinam as características do material compósito : o reforço, a matriz e a interface entre eles. Os materiais compósitos são, em alguma literatura, chamados de materiais conjugados. Materiais compósitos têm uma longa história de utilização. O início é desconhecido, mas a história contém diversas referências: a palha usada para aumentar a resistência de tijolos de lama, pelos judeus; madeira compensada para aumentar a resistência mecânica e a resistência à expansão térmica e evitar umidade, pelos egípcios; espadas medievais construídas de diversas camadas, etc. Algumas propriedades que podem ser melhoradas pela formação de um material compósito são: resistência mecânica, rigidez, resistência à corrosão, peso, vida à fadiga, comportamento dependente da temperatura, isolamento térmico, condutividade térmica, isolamento acústico, resistência ao desgaste, beleza, etc. Superioridade dos materiais compósitos, em comparação com materiais convencionais, quando se compara a resistência mecânica e a resistência específica. Superioridade dos materiais compósitos, em comparação com materiais convencionais, quando se compara a resistência mecânica e a resistência específica. Resistência específica e módulo específico para uma série de materiais. DRA = alumínio reforçado por partículas; DRTi = titânio reforçado por partículas; Al(f) = alumínio reforçado por fibras; Ti(f) = titânio reforçado por fibras; Q/I = laminado quase-isotrópico; P = fibras de poliacrilonitrila; A = fibras de aramida. Classificação e características Materiais Compósitos Compósitos de Matriz Polimérica - PMC Compósitos de Matriz Metálica - MMC Compósitos de Matriz Cerâmica - CMC Uma classificação para os materiais compósitos refere-se ao tipo de matriz empregada : Materiais Compósitos Compósitos reforçados por partículas Compósitos reforçados por fibras Compósitos estruturais Partículas grandes Dispersão Contínuas Descontínuas (curtas) Laminados Painéis sandwich Pode-se classificar também os materiais compósitos de acordo com o tipo de reforço empregado : Classificação e características a) Compósitos Fibrosos Tecnologicamente, os compósitos fibrosos são os mais importantes materiais compósitos. Eles utilizam fibras como fase dispersa, especialmente preparadas para dar uma densidade de discordâncias bem baixa, e conseqüentemente uma elevada resistência mecânica. Outras propriedades importantes são o elevado módulo de elasticidade e a baixa densidade. De acordo com o comprimento das fibras, podemos ter compósitos com fibras contínuas (longas) ou com fibras descontínuas (curtas). Classificação e características Compósitos Fibrosos Classificação e características Elemento Ponto de fusão (°C) Densidade (g/cm3) Limite de Resistência (GPa) Módulo de Elasticidade (GPa) Vidro-S 840 2,50 4,6 84 Carbono 3000 1,90 2,0 390 Boro 2040 2,55 3,5 415 SiC 2200 2,80 2,8 200 Kevlar --- 1,45 3,5 125 Propriedades de algumas fibras. Compósitos Fibrosos Nestes compósitos, a matriz tem densidade, rigidez e resistência mecânica bem menores do que as fibras. Suas funções são: suporte, proteção, transferência de carga, etc. Exemplos típicos de matriz são : Matriz metálica: alumínio e suas ligas, ligas de titânio, ligas de magnésio, cobre. Matriz polimérica: resinas epoxi, fenólica e poliester. Matriz cerâmica: compostos intermetálicos, como disiliceto de molibdênio e alumineto de níquel e titânio, e cerâmicos cristalinos, como alumina e carboneto de silício. Classificação e características (a) Alumínio reforçado com fibras de boro. Vf = 10%.; (b) Poliester reforçado com fibras de carbono. Vf = 50%. Compósitos Fibrosos Classificação e características b) Compósitos particulados Estes compósitos são constituídos por partículas em suspensão de um ou mais materiais em uma matriz de outro material. Conforme a combinação, pode-se ter: a) partícula não metálica em matriz não metálica concreto, blocos de mica em resina orgânica (isolamento elétrico). b) partícula metálica em matriz metálica chumbo em cobre e aço (usinabilidade). c) partícula metálica em matriz não metálica pó de alumínio em tinta (proteção contra corrosão). d) partícula não metálica em matriz metálica cermet (partícula cerâmica a base de óxido e carboneto em matriz metálica - ferramentas em altas temperaturas). Classificação e características Compósitos particulados Classificação e características Exemplo de compósito particulado: Alumínio reforçado com partículas de SiC. Vf = 17%. Compósitos particulados Se as partículas de reforço são bem finas, bem duras, inertes e encontram-se dispersas de forma homogênea numa matriz metálica, forma-se o compósito reforçado por dispersão. Trata-se de um endurecimento por interação entre discordâncias e partículas, semelhante ao endurecimento por precipitação. Uma diferença básica entre estes dois métodos de endurecimento é a inexistência de reação entre as partículas e a matriz para o compósito reforçado por dispersão, inclusive em elevadas temperaturas. As partículas dispersas podem ser metálicas ou não metálicas. Classificação e características c) Compósitos estruturais Um compósito estrutural é normalmente composto simultaneamente de materiais homogêneos e compósitos, sendo que suas propriedades dependem não somente das propriedades de seus constituintes mas também do projeto geométrico de seus elementos estruturais. Classificação e características Um compósito estrutural laminado é constituído por lâminas bidimensionais, que apresentam uma direção preferencial para elevada resistência mecânica. As camadas são empilhadas e posteriormente cementadas juntas, de tal forma que a direção de maior resistência varia com cada camada. Desta forma, este material compósito vai apresentar uma relativa elevada resistência em diversas direções no plano bidimensional. Pode-se construir um compósito estrutural laminado a partir de um empilhamento alternado de material homogêneo e compósito. Um exemplo típico de grande aplicação na indústria aeronáutica é o chamado ARALL (aramid aluminum laminate), que consiste de finas camadas de ligas de alumínio e de compósito epoxi/aramida, unidas por um adesivo. Compósitos estruturais Figura 7.88(a) : Compósito laminado, com camadas em diferentes orientações de fibras. Figura 7.88(b) : Compósito ARALL. (a) Compósito laminado, com camadas em diferentes orientações de fibras. (b) compósito ARALL. Classificação e características Compósitos Estruturais Uma outra configuração interessante para compósitos laminados consiste no empilhamento de camadas alternadas de diversos metais, unidos posteriormente por laminação ou forjamento a quente. Algumas aplicações: estruturas de aviões, juntas de conexão em anodos de células para produção de alumínio, telhados, fios, equipamentos de processamento químico, invólucro de balas, cunhagens de moeda, placas de blindagem de dureza dupla, estruturas navais, etc. Classificação e características Um compósito estrutural tipo painel sandwich consiste de duas camadas externas de material resistente, separadas por uma camada de material de baixa densidade, com menor rigidez e resistência. Estruturalmente,o núcleo tem duas funções. Ele separa as faces e resiste a deformações perpendiculares ao plano das faces. Ele também promove uma certa rigidez cisalhante ao longo de planos perpendiculares às faces. Um exemplo popular de sandwich é a chamada estrutura “honeycomb”, que consiste de finas camadas cobrindo uma estrutura de células hexagonais, cujo eixo está orientado perpendicularmente ao plano das faces. Esta estrutura é comumente aplicada em paredes e assoalhos de edifícios, assim como asas e fuselagem de aviões. Compósitos Estruturais Figura 7.89 : Empilhamento de uma estrutura honeycomb. Empilhamento de uma estrutura honeycomb. Classificação e características Aplicações Ponte totalmente feita de compósito a base de fibras de vidro, e montada em menos de um dia. Colunas de sustentação de uma ponte envolvidas com compósito carbono/epoxi. Vigas transversais e longitudinais de compósitos carbono/epoxi em uma ponte rodoviária nos EUA. CONSTRUÇÃO CIVIL Prótese de corrida de compósito carbono/epoxi. Muletas feitas de carbono/epoxi, mais resistentes do que alumínio, e 50% mais leves. Seção separada de um bloco de motor de alumínio da HONDA, com tubos de pistons de compósitos de matriz metálica. No detalhe, a seção transversal de um destes revestimentos. Embalagem de compósito de AlSiC para um rádio de micro-ondas usado em satélites de comunicação. Seção transversal de um fio condutor de eletricidade. O núcleo consiste de 19 fios de compósito de alumínio reforçado continuamente. Este núcleo suporta o carregamento para 54 fios de alumínio, e ainda conduz eletricidade. Bocal de exaustão de uma turbina do avião F-18, mostrando 12 conjuntos de flaps e vedações de compósitos de matriz cerâmica. Barcos de patrulha com casco construído de compósito de plástico reforçado por fibras. APLICAÇÕES NAVAIS Barcos esportivos feitos com compósitos sandwich de fibras de carbono, de vidro e de aramida. MATERIAIS PARA FINS ESPORTIVOS Tubos de compósito de fibras de carbono e matriz epoxi. Face de titânio forjado e corpo de compósito de carbono, 75% mais leve do que o taco de golfe padrão de titânio. Compósito de matriz polimérica e fibras de carbono, com a maior rigidez conhecida, para aplicação em baseball e softball. Compósito de resina poliamida e fibras de vidro, com elevada resistência ao impacto e à fadiga, para aplicação em chassis de skates. MATERIAIS PARA FINS ESPORTIVOS Compósito sandwich de núcleo do tipo honeycomb e fibras de vidro, leve e tenaz, para aplicação em prancha de ski. Adesivo de grande eficiência, usado em petecas de elevado peso. Barco esportivo feito de compósito sandwich de fibras de carbono, vidro e aramida. Skate de três rodas de compósito sandwich de poliamida reforçada com fibras de vidro e alumínio. INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA Diversos materiais empregados no Boeing 777. CFRP = epoxi reforçado por fibra de carbono TCFRP = CFRP com epoxi tenaz FG = epoxi reforçado com fibra de vidro HY = híbrido Utilização de diversos materiais compósitos avançados no bombardeio B-2 da U.S.A.F. Ônibus Espacial Comportamento mecânico de compósitos fibrosos - Transferência de carga - Módulo de elasticidade - Resistência mecânica - Densidade - Influência de orientação das fibras - Efeito da temperatura - Fratura Transferência de carga As características mecânicas de um material compósito reforçado por fibras dependem não somente das propriedades das fibras, mas também da capacidade da carga aplicada ser transferida entre as fibras pela matriz. Perfil de deformação na matriz, ao redor de uma fibra. Um parâmetro importante para a transferência de carga é a magnitude da ligação interfacial entre as fibras e a matriz. Em carregamento, esta ligação se interrompe nas extremidades das fibras, conforme esquematizado abaixo. Em outras palavras, não existe transferência de carga pela matriz nas extremidades de cada fibra. Um comprimento crítico de fibra é necessário para o efetivo endurecimento e rigidez do compósito. Este comprimento lc depende do diâmetro d da fibra e da resistência mecânica f da fibra, assim como da resistência da ligação fibra-matriz m (ou do limite de escoamento em cisalhamento da matriz), de acordo com a seguinte expressão: m f c d l 2 Quando uma tensão igual a f é aplicada numa fibra de comprimento justamente igual a lc , resulta um perfil de tensão conforme mostrado na Figura (a), isto é, a carga máxima é alcançada somente no centro axial da fibra. Com o crescimento do comprimento da fibra, o reforço da fibra torna-se mais efetivo, conforme mostrado no perfil de carga da Figura (b). A Figura (c) completa o estudo, para um comprimento de fibra menor do que lc . Fibras com comprimento l >> lc (normalmente l > 15 lc ) são chamadas de contínuas , enquanto que fibras menores do que esta condição são as fibras descontínuas ou curtas. Para fibras descontínuas de comprimento significativamente menor do que lc a matriz se deforma ao redor das fibras, de tal sorte que não existe transferência de carga, e há pouco reforço da matriz. É o caso dos compósitos particulados. Assim, para o efetivo reforço do compósito as fibras devem ser contínuas. m f c d l 2 Módulo de elasticidade O modelo mais simples para prever as propriedades elásticas de um compósito fibroso é mostrado abaixo. Arranjos distintos de fibras em compósito: resposta longitudinal e resposta transversal. Para o primeiro caso, segundo VOIGT (1910), considera-se que todos os elementos deformam- se igualmente. Assim: onde Vf e Vm são, respectivamente, as frações volumétricas da fibra e da matriz. m m f f c E V E V E 1 mmffC VEVEE Para o segundo caso, segundo REUSS (1929), considera-se que todos os elementos estão sujeitos à mesma tensão. Assim: As duas relações anteriores são comumente chamadas de “regra das misturas”. Esta regra é muito usada, embora seja uma aproximação. Para o caso do cálculo do módulo de cisalhamento, esta regra conduz a erro. Outras grandezas expressas segundo a regra das misturas : Segundo SCHARPERY (1968), o coeficiente de expansão térmica do compósito vale: Segundo BEHRENS (1968), a condutividade térmica do compósito vale: CL f f m m m f f m m E E V E V E V(direção longitudinal das fibras) mmffCL VkVkk (direção longitudinal das fibras) A necessidade para o aumento da rigidez com o aumento do regime de trabalho, para manter pequenas deformações, pode ser visto abaixo. Consequência da passagem de X para Y: Resistência mecânica Enquanto que as propriedades elásticas de um material são, em geral, insensíveis à sua microestrutura, a resistência mecânica não é. Assim, a regra das misturas falha ao tentar prever a resistência mecânica do compósito. Curva de tração esquemática para um compósito fibroso. Aproximação: compósito contendo fibras contínuas, alinhadas unidirecionalmente, carregado na direção das fibras, e sem produto de reação nas regiões interfaciais. Assim, podemos escrever em primeira aproximação: c = f . Vf + m . Vm Vf + Vm = 1 c = f Vf + m (1 - Vf) Vamos calcular um valor Vf = Vmin, para se ter um reforço real. Para isto, vem: min , )1( VVVV ffmffuC min , )1( VVVV ff m ffC )1()1( minmin , min VVV mumfuC , , min mmufu mmuV Onde fu é a tensão máxima em tração da fibra no compósito e ´ m é a tensão da matriz em uma deformação que corresponde à tensão máxima da fibra. Ou, ´m é a tensão da matriz, para uma deformação correspondente ao limite de resistência das fibras. Para frações volumétricas baixas, se a matriz encruada pode contrabalançar a perda na capacidade de suportar a carga resultante das fibras rompidas, então a matriz controlará a resistência do compósito. Admitindo que todas as fibras se rompem ao mesmo tempo, então, para se ter um verdadeiro reforçamento, é necessário que: Onde mu é a tensão máxima em tração da matriz. A igualdade desta equaçãoserve para definir uma fração volumétrica mínima, Vmin, que deve ser ultrapassada para haver reforçamento. O valor de Vmin aumenta com o decréscimo da resistência das fibras ou com o aumento da resistência da matriz. , , mfu mmu critV Determinação de Vmin e de Vcrit para produção de um compósito com fibras. Se quisermos saber qual é a resistência do compósito que ultrapassa a resistência da matriz, a fração volumétrica das fibras tem que exceder um valor crítico,Vcrít, que é dado por: c = fu Vf + ´ m (1 - Vf ) mu mu ´ mu O valor de Vcrít aumenta com o aumento do grau de encruamento da matriz ( mu - ` m). Nota-se que Vcrít será sempre maior que Vmín. Para compósitos com fibras descontínuas e alinhadas de forma uniforme, com um tamanho superior ao comprimento crítico ( l > lc ) , a resistência do compósito vale: fmf c fc VV l l 1 2 1 ' Se o comprimento das fibras é menor do que lc , a resistência do compósito é dada por: fmf m c VV d l 1 ' Densidade Outro fator de interesse para diversas aplicações dos compósitos é a sua densidade baixa. Se definirmos como resistência específica a relação resistência/densidade, veremos que os compósitos têm uma resistência específica bem maior do que os metais em geral. Com isto consegue-se aliar a elevada resistência do compósito ao seu baixo peso. O mesmo acontece com a rigidez específica. A densidade de um material compósito pode ser descrita pela regra das misturas: mmffC VV Material LR/ (km/s) 2 E/ (km/s)2 Aço baixo C 0.051 27 Liga de Al 0.200 27 B - Al–6061 0.570 82 B - epoxi 0.800 104 Propriedades específicas de alguns materiais Influência de orientação das fibras Em adição aos diversos fatores apresentados anteriormente, a resistência mecânica do compósito varia com a orientação das fibras. A Figura abaixo mostra como o processo de fratura do compósito depende da orientação das fibras. Três parâmetros de resistência devem ser considerados. A tensão requerida para produzir falha por fratura das fibras é c. A tensão de cisalhamento requerida para produzir falha por cisalhamento na matriz ou na interface fibra-matriz é s . A tensão normal requerida para produzir falha na direção transversal às fibras é s. Como conseqüência da anisotropia dos compósitos, uma tensão axial produz deformação de cisalhamento, enquanto que uma tensão cisalhante produz deformação axial. Num material isotrópico, o carregamento uniaxial produz apenas deformações axial e transversal normal. Mas no compósito, em adição a estas deformações normais resultantes do carregamento uniaxial, existe deformação cisalhante. Este problema é compensado na prática pela utilização dos empilhamentos com lâminas de compósitos em diversas orientações, como o compósito laminado descrito anteriormente. Efeito da temperatura A exposição do compósito a elevadas temperaturas provoca reações interfaciais, com queda de propriedades. A Figura acima ilustra situações em que a elevação de temperatura provoca a queda de resistência mecânica do compósito. Esta figura compara o desempenho dos compósitos com diversos metais convencionais. Uma das causas para a degradação dos compósitos em função da elevação da temperatura é a formação de produtos de reação química na interface fibra-matriz. A Figura abaixo ilustra esta reação indesejável num material compósito de fibras de tungstênio numa matriz de níquel. a) Compósito como fabricado; b) 11500C , 100h; c) 11500C , 200h; d) 11500C , 100h – perfil de Ni e W. Fratura dos compósitos Se o estudo sobre a fratura de materiais monolíticos já é complexo, quando se passa então para um compósito, o estudo fica ainda mais complexo. Neste caso, a fratura dependerá, entre outros fatores, das condições de carregamento e dos constituintes. A Figura acima esquematiza os tipos de fratura encontrados em compósitos reforçados com fibras, em função do tipo de matriz. Tipos de fratura para compósitos fibrosos. Podemos distinguir os seguintes tipos de fratura para os compósitos fibrosos: 1) Tipo A: A fratura ocorre inicialmente nas fibras, como o caso dos compósitos de matriz metálica. 2) Tipo B: A fratura ocorre simultaneamente nas fibras e na matriz, como é o caso de compósitos de matriz cerâmica, com uma forte adesão fibra-matriz. 3) Tipo C: A fratura ocorre inicialmente na matriz, como é o caso de compósitos de matriz cerâmica com uma baixa resistência interfacial. Para o caso dos compósitos fibrosos, diversos fatores podem influir na iniciação e na propagação de uma trinca: diâmetro e comprimento da fibra, sua fração volumétrica, alinhamento, danos devido a tensões térmicas desenvolvidas durante a fabricação e/ou serviço, etc. Dois modos de fratura podem ser encontrados: 1) As fibras quebram em um plano, e a matriz é incapaz de sustentar o carregamento: a fratura em geral será plana. Este modo será encontrado em compósitos com elevada fração volumétrica de fibras frágeis. 2) Quando a adesão entre as fibras e a matriz não é suficientemente forte, as fibras são arrancadas da matriz, antes da fratura do compósito : a superfície de fratura é não-planar. Na prática, uma mistura destes dois modos de fratura vai ser encontrada. As Figuras abaixo ilustram esta situação. Fibra de carbono com matriz de poliester. Fibra de boro com matriz de Al-6061. Uma das características do compósito é a sua capacidade de resistir à propagação de trincas. Em outras palavras, a sua tenacidade à fratura é elevada. Esta tenacidade é devida aos seguintes fatores: 1) deformação plástica da matriz; 2) arrancamento das fibras; 3) presença de interfaces fracas, decoesão interfacial, deflexão da trinca . Cooper e Kelly (1967) mostraram que, para uma matriz metálica, o trabalho de fratura é igual ao trabalho realizado durante a deformação plástica da matriz para a fratura, sendo proporcional a d (Vm/Vf) 2. Provavelmente, para fibras de grande diâmetro e uma dada fração volumétrica, a trinca precisará propagar-se por uma grande zona plástica na matriz, resultando num elevado trabalho para fratura. O arrancamento de fibras contribui para o trabalho de fratura pela sua relação com uma grande deformação para fratura. Neste caso, o parâmetro controlador para o trabalho de fratura é a relação d/ i , onde d é o diâmetro da fibra e i é a resistência ao cisalhamento da interface. No caso de fibras descontínuas, o trabalho para fratura devido ao arrancamento das fibras também cresce com o comprimento das fibras, alcançando um máximo para l = lc . Para o caso de fibras contínuas, o trabalho para fratura aumenta com o aumento do espaçamento entre defeitos (Kelly – 1971). Parece que o método mais simples e conveniente para aumentar o trabalho de fratura seria o aumento do diâmetro das fibras. A deflexão da trinca ao longo da interface ou a separação da interface fibra-matriz é um mecanismo interessante para se aumentar a resistência à propagação de trincas nos compósitos. Cook e Gordon (1964) analisaram a distribuição de tensões na frente da ponta da trinca, e concluíram que a máxima tensão trativa transversal 11 vale cerca de 1/5 da máxima tensão trativa longitudinal 22 . Assim, quando a relação 22/ 11 for maior do que 5, a interface fibra-matriz na frente da trinca vai falhar sob a influência da tensão trativa transversal, e a trinca vai defletir de 900 da sua direção original. Esta mudança de direção atua como obstrutora da trinca, conforme esquematizado na Figura abaixo. Fratura de uma interface fraca na frente da trinca. Exemplo de resistência à fratura: comparação entre materiais. Material Energia de fratura (J/m 3 ) Aço baixo carbono Al-2024 Al-C (Vf=0,55) Al-B(Vf =0,47) Epoxi-B(Vf =0,30) GRP (Vf =0,70) 10 100 1.000 10.000 100.000
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