AVALIÇÃO DA RESISTÊNCIA MECÂNICA E … · as obtidas nas amostras na direção longitudinal. Isso devido a presença da interface das camadas do SPP. Para determinar o modo de

AVALIÇÃO DA RESISTÊNCIA MECÂNICA E MICROMECANISMOS DE

FRATURA EM POLIPROPILENO SINTÁTICO

A. Á. F. Martins (1), B. P. dos Santos (1), T. R. Strohaecker (1)

(1) LAMEF/PPGEM/Escola de Engenharia/UFRGS - Av. Osvaldo Aranha, 99,

sala 610. Porto Alegre - RS. CEP 90035-190 - [email protected]

RESUMO

O polipropileno (PP) é um termoplástico bastante utilizado na indústria de transformação em virtude da sua versatilidade, baixo custo e fácil processabilidade. Polipropileno sintático é um compósito com sistema de multicamadas que contém microesferas utilizadas como reforço em uma matriz polimérica. Essas microesferas são em sua maioria, fabricadas em uma forma oca e de vidro, o que confere um aumento na resistência mecânica do polímero. O material foi avaliado através dos ensaios de tração e compressão para verificar se ocorre influência por parte das orientações de camadas da matriz polimérica quando submetida a estes esforços. Para verificarmos se ocorre influência, os ensaios mecânicos foram realizados baseados em normas técnicas, que no caso especifico para tração e compressão são as normas ASTM 0638-10 e ASTM D695-10, respectivamente. Após os ensaios observou-se que para os ensaios de tração a direção longitudinal da camada apresentou maior alongamento e maior resistência à tração do que os corpos de prova com orientação transversal. Para os ensaios de compressão os resultados mostraram que o efeito da variação da direção de camada apresentou pequena diferença.

Palavras-chave: Polipropileno Sintático, multicamadas, tração e compressão,

ASTM 0638-10 e ASTM D695-10.

22º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais06 a 10 de Novembro de 2016, Natal, RN, Brasil

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1. INTRODUÇÃO

Engenheiros de qualquer especialidade devem compreender como as

várias propriedades mecânicas são medidas e o que elas representam. Essas

propriedades são necessárias ao projeto de estruturas ou componentes que

utilizem materiais predeterminados a fim de que não ocorram níveis

inaceitáveis de deformação e/ou falhas em serviço, ou o aumento de custo do

produto em função do superdimensionamento de componentes. As

propriedades mecânicas dos materiais são verificadas pela execução de

ensaios cuidadosamente programados, que reproduzem o mais fielmente

possível as condições de serviço. Neste trabalho foram realizados ensaios para

a caracterização mecânica de materiais poliméricos utilizados em

revestimentos de dutos submarinos com sistema de multicamadas baseado em

polipropileno sintático. Para tanto dez amostras do PP sintático foram

subdivididas em cinco amostras de tração na direção longitudinal e cinco na

direção radial do duto. Ensaios de compressão também foram realizados em

corpos de prova tipo cilíndrico, sendo vinte amostras subdivididas em dez

amostras na direção longitudinal e dez na direção transversal do componente.

Todos os ensaios foram realizados conforme as normas ASTM 0638-10 e

ASTM D695-10, respectivamente. Após os ensaios observou-se que para os

ensaios de tração a direção longitudinal, apresentaram maior alongamento e

maior resistência à tração do que os corpos de prova com orientação

transversal. Para os ensaios de compressão os resultados mostraram que o

efeito da variação da direção apresentou pequena diferença. Com as

propriedades obtidas nos ensaios mecânicos dos materiais consegue-se

estabelecer limites de aplicação e efetuar a validação das propriedades

mínimas requeridas pelos materiais. Adicionalmente, também servem como

guia para a predição da ocorrência de falhas nestes sistemas de revestimentos.


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2. MATERIAIS E METODOS

Foram retiradas algumas amostras de um componente mecânico utilizado

como sistema de revestimento multicamada baseado em PP Sintático. As

amostras recebidas foram destinadas a obtenção e preparação de corpos de

prova para caracterização mecânica. A figura 1 mostra a matriz de corte dos

corpos de prova e como foram retirados os corpos de prova das placas

(orientação radial ao tubo e longitudinal ao tubo).

(a) ( b )

Figura 1. (a) Cortes radiais (b) Cortes longitudinais

Os ensaios de tração foram realizados segundo a norma ASTM D368-10-

“Tensile properties of Plastic Materials”. A figura 2 apresenta o desenho com

suas dimensões em milímetros e mostra o CP de tração em seus formatos

reais preparados a partir da amostra recebida. Foram ensaiadas 10 amostras,

subdivididas em 05 amostras de tração na direção paralela a conformação e 05

amostras de tração na direção perpendicular a conformação.


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Radial ao tubo Longitudinal ao tubo

Figura 02. Corpo de prova com suas dimensões e corpos de prova real.

Por praticidade e devido as dimensões reduzidas dos corpos de prova, foi

utilizada uma matriz de corte, que apresentou cortes com bom acabamento. As

dimensões correspondem as do corpo de prova tipo ¨Small Specimens¨ Type

Figura 3 da Norma ISO 527-2-Plastics - ¨Determination of tensile properties -

Part 2: Test conditions for moulding and extrusion plastics¨.

Figura 03. Corpo de Prova Tipo 5A, ISO 527-2, Dimensões em milímetros.


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Nas imagens das amostras ensaiadas se observa que a ruptura do corpo

de prova na posição radial ao duto ocorre em um ponto determinado

correspondente com uma das camadas em que se encontra subdividido a

espessura de PP Sintático. Na Figura 5 observamos que esta ruptura se dá

com uma tensão menor e um alongamento final substancialmente menor que

as obtidas nas amostras na direção longitudinal. Isso devido a presença da

interface das camadas do SPP. Para determinar o modo de fratura da

superfície foi realizado MEV Shimadzu – Microscópio Eletrônico de Varredura,

modelo SSX – 550.

Figura 04. Amostras de tração no sentido longitudinal ensaiadas.

Figura 05. Amostras de tração no sentido transversal ensaiadas.


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2.1. ENSAIOS DE TRAÇÃO

Os ensaios de tração foram realizados em uma máquina de ensaios

eletromecânica da marca INSTRON, modelo 5585H. A Figura 5 mostra a

montagem do ensaio sendo empregada uma taxa de deslocamento de 5

mm/min e a base de medida (Lo) para determinação do alongamento foi de 25

mm.

Figura 06. Montagem do ensaio de tração na máquina INSTRON 5585H.

2.2. ENSAIOS DE COMPRESSÃO

Os ensaios de compressão foram realizados segundo a norma ASTM

D695-10 - “Compressive Properties of Rigid Plastics”, com corpos de prova

Tipo Cilíndricos, Figura 7 de dimensões: Diâmetro=12,7 mm, Altura= 25,4 mm,

a ser confeccionados a partir da amostra em bruto recebida. Foram ensaiadas

20 amostras, subdivididas em 10 amostras de compressão na direção

longitudinal do duto e 10 amostras de compressão na direção transversal do

componente.


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Radial ao tubo Longitudinal ao tubo

Figura 07. Representação esquemática do CP do corpo de prova para ensaio de compressão

e Amostras prontas para ensaios. Dimensão em mm.

Os ensaios de compressão foram realizados em uma máquina de ensaios

eletromecânica da marca INSTRON, modelo 5585H. A Figura 081 mostra a

montagem do ensaio sendo que a taxa de deslocamento empregada foi de 1,3

mm/min. A base de medida (Lo) para determinação do alongamento foi de

25,4mm.

Figura 081. Montagem do ensaio de compressão na máquina INSTRON 5585H.


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Figura 09. Ensaio de Compressão e amostra ensaiada.

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

A Tabela 1 e 2 apresentam os resultados dos ensaios de tração para as

amostras com orientação transversal e longitudinal, respectivamente.

Tabela 01. Resultados dos ensaios de tração dos corpos de prova com orientação transversal

(taxa: 5 mm/min).

Tabela 02. Resultado do ensaio de tração do corpo de prova com orientação longitudinal (taxa:

5 mm/min).


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As tabelas 3 e 4 apresentam os resultados dos ensaios de compressão

para amostras com orientação transversal e longitudinal, respectivamente.

Tabela 03. Resultados de resistência à compressão das amostras com orientação transversal

ao tubo.

Amostra 01 17,25

Amostra 02 15,97

Amostra 03 15,8

Amostra 04 16,97

Amostra 05 15,74

Amostra 06 16,11

Amostra 07 16,9

Amostra 08 16,67

Amostra 09 15,86

Amostra 10 17,28

Média 16,45

Amostra Resistência à Compressão (MPa)

Tabela 04. Resultados de resistência à compressão das amostras com orientação longitudinal

ao tubo.


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Amostra 01 16,27

Amostra 02 16,82

Amostra 03 17,05

Amostra 04 16,95

Amostra 05 17,83

Amostra 06 16,87

Amostra 07 17,89

Amostra 08 15,17

Amostra 09 16,76

Amostra 10 16,13

Média 16,77

Amostra Resistência à Compressão (MPa)

A Figura 10 apresenta a imagem obtida através de MEV da superfície de

fratura dos corpos de prova, após o ensaio de tração.

Figura 10. Corpo de prova fraturado e imagem em MEV na ponta da superfície de fratura.

Na análise factográfica das amostras pela microscopia eletrônica de

varredura (MEV) foram detectados a presença de espaços vazios ocasionado

pelo desprendimento das esferas ocas de vidro e, analisando a superfície de

fratura desses corpos de prova, verificamos que este material apresenta fratura

dúctil na ponta da trinca.


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4. CONCLUSÕES

Nos ensaios de tração as amostras com camada na direção longitudinal a

laminação, obtiveram uma maior resistência e também maior alongamento

durante o ensaio o que era o esperado para um material polimérico

termoplástico. Já nas amostras com camada na direção perpendicular

apresentaram ruptura no ponto onde as camadas se encontram. Em

decorrência os valores de limite de resistência à tração e o alongamento do

material foram menores devido a isto. Para esforços de compressão a direção

das camadas não mostrou influência.


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5. BIBLIOGRÁFIA

1. CALLISTER JR, W. D; RETHWISH, D. G. Materials science and engineering:

an introduction. New York: John Wiley & Sons, 2012.

2. SMITH, W. F. Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais. 3 ed.

Lisboa: McGRAW-HILL, 1998.

3. DIETER, George Ellwood. Metalurgia mecânica. 2 ed. Rio de Janeiro:

Guanabara Dois, 1981.

4. ASTM D638-10 – “Tensile Properties of Plastic Materials”.

5. ISO 527-2:3012, Plastics – “Determination of Tensile Properties – Part 2:

Test Conditions for Moulding and Extrusion Plastics”.

6. ASTM D695-10 – “Compressive Properties of Rigid Plastics”.

7. MAE, H.; OMIYA, M.; KISHIMOTO, K. Effect of Micro Porous Shape on

Mechanical Properties in Polypropylene Syntactic Foams. Journal of Solid

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8. SHUTOV, F. A. Syntactic polymer foams. In: Advances in polymer science:

Chromatography/Foams/Copolymers, p. 63–123, Springer, Berlin, 1986.

STRENGTH OF APPRAISAL MECHANICS AND FRACTURE

micromechanics POLYPROPYLENE syntactical

ABSTRACT

Polypropylene (PP) is a thermoplastic widely used in the manufacturing industry

because of their versatility, low cost and easy processability. Syntactic

Polypropylene is a multilayer composite system consisting of microspheres

used as reinforcement in a polymer matrix. Such microspheres are mostly made

of glass and a hollow shape, which confers an increase in the mechanical

strength of the polymer. The material was evaluated by the tensile and

compression to verify that occurs influence on the part of the polymer matrix

layers guidelines when subjected to these efforts. To check whether it has

influence, the mechanical tests were performed based on technical standards,

which in the specific case for tension and compression are the ASTM 0638-10

and ASTM D695-10, respectively. After the tests it was observed that for tensile


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tests the longitudinal direction of the layer showed higher elongation and higher

tensile strength than the specimens with transverse orientation. For

compression testing results showed that the effect of the variation direction of

the layer showed little difference.


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