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PGMEC
PROGRAMA FRANCISCO EDUARDO MOURÃO SABOYA DE
PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
ESCOLA DE ENGENHARIA
UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
Dissertação de Mestrado
Efeito da Temperatura e da Geometria na
Resistência de Juntas Coladas Submetidas ao
Cisalhamento
KENJI RAMOS OSANAI
NOVEMBRO DE 2011
KENJI RAMOS OSANAI
Efeito da Temperatura e da Geometria na Resistência de Juntas Coladas Submetidas ao Cisalhamento
Dissertação de Mestrado apresentada ao
Programa Francisco Eduardo Mourão Saboya
de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
da UFF como parte dos requisitos para a
obtenção do t ítulo de Mestre em Ciências em
Engenharia Mecânica
Orientador: João Marciano Laredo dos Reis (PGMEC/UFF )
UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
NITERÓI, 25 DE NOVEMBRO DE 2011
Efeito da Temperatura e da Geometria na Resistência de Juntas Coladas Submetidas ao Cisalhamento
Esta Dissertação é parte dos pré-requisitos para a obtenção do título de
MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA
Área de concentração: Materiais Compósitos
Aprovada em sua forma final pela Banca Examinadora formada pelos professores:
Prof. João Marciano Laredo dos Reis (Ph.D.)
Universidade Federal Fluminense
(Orientador)
Prof. Heraldo silva da Costa Mattos(Ds.C.)
Universidade Federal Fluminense
Prof. Thiago Gamboa Ritto(Ds.C.)
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Aos Meus Pais
Agradecimentos
Agradeço aos meus pais, primeiramente, por fazerem sempre seu melhor para que
eu pudesse me desenvolver pessoalmente e profissionalmente da melhor maneira possível,
participando e dando apoio nos momentos importantes da minha vida.
Ao meu orientador João Marciano Laredo dos Reis , pelo apoio, instrução
e colaboração durante todo o processo para a realização deste trabalho.
RESUMO
O propósito deste trabalho é estudar alguns dos fatores que afetam a resistência ao
cisalhamento de Single Lap Joints (SLJ). Baseado nas condições de trabalho para diferentes
aplicações, ensaios foram realizados para determinar a influência da geometria e da
temperatura na resistência de uma SLJ com carga de cisalhamento. O adesivo utilizado para
a confecção das juntas adesivadas foi o ARC 858, as temperaturas ensaiadas foram de 21°C
a 70°C e as geometrias testadas foram a junta padrão de acordo com a norma, com overlap
de 12,5mm e largura de 25mm, com incrementos de 50% em seu overlap e sua largura.Os
resultados encontrados mostram que a resistência das juntas coladas diminuiu com o
aumento da temperatura. As maiores perdas de resistência ao cisalhamento foram na faixa
de 30°C a 50°C.As juntas coladas com maior largura apresentaram menor perda de
resistência com o aumento de temperatura do que as juntas com maior overlap, para uma
mesma área, e além disso,o cálculo da resistência de juntas pela equação do fator de forma
apresenta maiores erros para maiores temperaturas.
ABSTRACT
The purpose of this work is to study the factors that affect the shear strength of
Single Lap Joints (SLJ). Based on work conditions for different applications, tests were
made in order to define the influence of geometry and temperature on the strength of SLJ
under shear load. The adhesive used to manufacture the joints was the epoxy adhesive
ARC858, it was tested under temperatures ranging from 21°C to 70°C and the geometries
tested were according to the standard test method. Also, increases of 50% of the overlap
length and width were applied. Results showedthat joints resistance decreased with
temperature increase. The major shear strength loss occurred ranging 30°C to 50°C.
Bonded joints with increased width showed less shear strength loss than joints with
increased overlap, for the same area. Besides, the calculation of the joint strength by the
shape factor equation showed a higher error for higher temperatures.
SUMÁRIO
Capítulo 1: Introdução ......................................................................................................... 1
Capítulo 2: Revisão Bibliográfica ....................................................................................... 5
2.1. Adesivos Estruturais .................................................................................................... 5
2.1.1. Histórico ................................................................................................................ 5
2.1.2. Características ....................................................................................................... 6
2.1.3. Classificação de adesivos estruturais .................................................................... 7
2.1.4. Adesivos epóxi .................................................................................................... 10
2.2. Adesão ....................................................................................................................... 11
2.2.1. Adesão e interface ............................................................................................... 11
2.2.2. Teorias de adesão ................................................................................................ 11
2.2.2.1.Interdifusão ................................................................................................... 12
2.2.2.2. Atração Eletrostática.................................................................................... 12
2.2.2.3. Ligação química .......................................................................................... 13
2.2.2.4. Adesão mecânica ......................................................................................... 13
2.2.3. Ângulo de contato ............................................................................................... 14
2.3 Modelos Analíticos ................................................................................................... 20
2.3.1. Modelos para o cálculo de tensões cisalhantes em juntas adesivadas................. 21
2.3.2. Modelos Clássicos ............................................................................................... 22
2.3.2.1. Análise simples de modelo linear elástico ................................................... 23
2.3.2.2. Análise de Volkersen ................................................................................... 24
2.3.2.3. Análise de Goland e Reissner ...................................................................... 26
2.3.2.4. Análise de Hart-Smith ................................................................................. 32
2.3.3. Limitações das análises clássicas ........................................................................ 33
2.4. Fatores que Influenciam na Resistência de Juntas Coladas ....................................... 34
2.4.1. Características mecânicas do adesivo e do substrato e geometria da junta ......... 35
2.4.1.1. Espessura do adesivo ................................................................................... 35
2.4.1.2. Fator de forma de juntas simples ................................................................. 37
2.4.1.3. Filete de acabamento ................................................................................... 38
2.4.2. Tratamento superficial......................................................................................... 40
2.4.3. Condições ambientais .......................................................................................... 42
2.4.3.1. Temperatura ................................................................................................. 42
2.4.3.2. Umidade ...................................................................................................... 43
Capítulo 3: Materiais e Método......................................................................................... 44
3.1 Geometria do Corpo de Prova .................................................................................. 45
3.2. Propriedades dos Materiais ........................................................................................ 46
3.3. Confecção dos Corpos de Prova ................................................................................ 48
3.4 Ensaios Experimentais .............................................................................................. 50
Capítulo 5: Resultados e Discussão ................................................................................... 53
Capítulo 6: Conclusão ........................................................................................................ 57
Capítulo 7: Sugestões para Trabalhos Futuros ............................................................... 59
Referências Bibliográficas ................................................................................................. 60
Lista de Figuras
Figura 1 – Diferença entre rugosidade e porosidade ............................................................ 13
Figura 2 – Equilíbrio de forças na interface de um liquido/sólido balanceado .................... 14
Figura 3 – Esquema da suposição do modelo linear elástico ............................................... 23
Figura 4 - Esquema da suposição do modelo de Volkersen ................................................. 24
Figura 5 – Análise diferencial do modelo de Volkersen ...................................................... 25
Figura 6 – Distribuição de tensão cisalhante ao londo do substrato ..................................... 25
Figura 7 - Esquema da suposição do modelo de Goland e Reissner .................................... 27
Figura 8 – Distribuição de tensões de acordo com o modelo de Goland e Reissner ............ 30
Figura 9 – Limitações dos modelos clássicos para análise de tensões ................................. 34
Figura 10 – Carga de ruptura de juntas coladas em função da espessura do adesivo .......... 36
Figura 11 – Corpo de prova sem filete de acabamento ........................................................ 38
Figura 12 – Tipos de filetes de acabamento ......................................................................... 39
Figura 13 – Carga de ruptura em função do tipo de ranhura no substrato ........................... 41
Figura 14 –Curva de tração de aços dúcteis (a) e frágeis (b) submetidos à temperatura ..... 42
Figura 15 – Geometria dos corpos de prova ......................................................................... 45
Figura 16 – Grupos de geometria estudados ........................................................................ 46
Figura 16 – Matriz e endurecedor do adesivo ARC 858 ...................................................... 47
Figura 17 – Jateamento dos substratos ................................................................................. 48
Figura 18 – Gabarito para alinhamento dos corpos de prova ............................................... 49
Figura 19 – Câmara termostatica acoplada à máquina de ensaios universal ........................ 51
Figura 20 – Ensaios esperados (a) e ensaios não considerados (b) ...................................... 52
Figura 21 – Força de ruptura em função da temperatura e valor esperado para a força de
ruptura de acordo com o cálculo pelo fator de forma (F*) ................................................... 55
Lista de Tabelas
Tabela 1 – Histórico do desenvolvimento adesivos ............................................................... 6
Tabela 2 – Principais características das famílias de adesivos ............................................... 9
Tabela 3 – Característica dos modelos para cálculo de tensões em juntas adesivadas ........ 21
Tabela 4 – Redução de tensão percentual para diferentes filetes de acabamento ................ 40
Tabela 5 – Propriedades do substrato ................................................................................... 46
Tabela 6 – Propriedades do adesivo ARC 858 ..................................................................... 48
Tabela 7 – Tempo de cura do adesivo ARC 858 .................................................................. 50
Tabela 8 – Força de ruptura e desvio padrão para cada subgrupo ensaiado ......................... 53
Tabela 9 – Comparação entre a carga de ruptura calculada pelo fator de forma e a carga de
ruptura real ............................................................................................................................ 56
Lista de Símbolos
o (γ) –Energia superficial livre
o (U) – Energiainterna
o (H) – Entalpia
o (G) – Energialivre de Gibbs
o Sub-índice ―LV‖ – Interface líquido/vapor
o Sub-índice ―SL‖ – Interface sólido/líquido
o Sub-índice ―SV‖ – Interface sólido/vapor
o - Variação da energia livre superficial de Gibbs
o - Variação de área
o – Trabalho termodinâmico de adesão
o – Ângulo de contato entre fases para análise de molhabilidade
o - Rugosidade da superfície
o b – Largura da junta colada;
o – Tensão de cisalhamento;
o c – Metade to comprimento de overlap da junta colada;
o D´– Rigidez ao dobramento do substrato;
o E – Módulo de Young;
o G – Módulo de cisalhamento;
o k – Fator do momento fletor;
o k´ – Fator de força transversa;
o l – Comprimento de overlap da junta colada;
o M – Momento fletor;
o – Carga aplicada na junta por unidade de largura;
o P – Carga aplicada na junta;
o x – Coordenada longitudinal;
o t – Espessura;
o Sub-índice ―a‖ – Camada adesiva;
o Sub-índice ―t‖ – Substrato superior (top);
o Sub-índice ―b‖ – Substrato inferior (bottom);
o – Coeficiente de Poisson do aderente
o – Módulo de Young
o - Força de ruptura de acordo com cálculo pelo fator de forma
o Sub índice ―Ref‖ – Referência ASTM D 1002
o Sub índice ―Ensaios‖ – referência aos resultados dos ensaios experimentais
o W – Largura da área colada
o L – Overlap da área colada
o A – Área da junta colada
o - Tensão de cisalhamento
o - Tensão de descascamento
o - Tensão normal ao longo do adesivo
1
Capítulo 1
Introdução
Quase todas as estruturas requerem que seus componentes sejam conectados. A
maneira mais eficiente de conectar estruturas é com juntas de cisalhamento, que podem ser
coladas com adesivos ou mecanicamente aparafusadas (Mathews, 1999). No projeto de
juntas adesivadas para estruturas, resistência, rigidez e durabilidade são consideradas as
propriedades mais importantes. Atualmente, as juntas coladas são amplamente utilizadas
em diversas áreas da indústria. Vantagens como resistência, versatilidade, peso reduzido,
alta resistência à corrosão, aliadas à não necessidade de processos de usinagem ou
alterações metalúrgicas, fazem com que esta técnicas ganhe uma grande importância no
design e manutenção de equipamentos.
As juntas coladas oferecem muitas vantagens em comparação aos métodos clássicos
de fixação, como soldagem, rebitagem e aparafusamento. Elas oferecem grande resistência
à fatiga, e como conseqüência, os custos de manutenção são significantemente reduzidos
2
(Abdel Wahab et al., 2002). A grande redução de peso alcançada com o uso dos adesivos é
uma outras grande vantagem, especialmente para estruturas que requerem baixo peso
próprio. Na união de materiais compósitos, a colagem com adesivos é a técnica mais
apropriada. Quase todos os materiais ou composições de materiais podem ser fixadas em
uma grande variedade de tamanhos, formas e espessuras (Paul et al., 1997). Para a maior
parte dos adesivos, as temperaturas de cura são baixas, poucas vezes excedendo 180°C.
Uma quantidade considerável de adesivos apresenta cura a temperatura ambiente, ou um
pouco acima, e atingem resistências adequadas para diversas aplicações. Assim, materiais
finos e delicados como lâminas podem ser unidos entre si ou a materiais de maior
espessura. Materiais sensíveis à temperatura podem ser unidos sem risco de dano e não
zonas termicamente afetadas não existem nesse tipo de união. Na união de materiais
dissimilares, os adesivos conferem uma união que tolera maiores tensões ou contrações e
expansões (Paul et al., 1997).
Assim, as vantagens no uso de métodos de fixação por adesivos em relação aos
outros métodos podem ser resumidos, de acordo com Abdel Wahab et al., 2002. Heslehurst,
1999, Loh et al. 2002 e Paul et al., 1997, como: (a) Poucos componentes na junta. A união
por colagem pode simplificar o processo de união, aumentar a produção e qualidade e
reduzir o custo de produção; (b) a transferência total do carregamento pode ser obtida
imediatamente; (c) a junta é resistente à fatiga; (d) o adesivo sela a junta; (e) uma conexão
mais rígida é obtida; (f) a conexão tem baixo peso; (g) contornos suaves; (h) o adesivo
promove resistência à corrosão entre os substratos; e (i) não gera concentradores de tensão.
As maiores desvantagens da colagem com adesivos de acordo com AbdelWahab et
al., 2002. Ansarifar et al. (2001) Heslehurst, 1999, Loh et al. 2002,Knox e Cowling (2000)
3
e Paul et al., 1997) são: (a) Não existe um adesivo universal. A seleção do adesivo mais
adequado é geralmente complicada pela vasta variedade de opções disponíveis; (b) Maior
parte dos adesivos industriais não é estável acima de 180°C. As reações de oxidação são
aceleradas, termoplásticos podem amolecer e derreter e termofixos podem se decompor.
Enquanto alguns adesivos podem ser usados acima de 260°C, elevadas temperaturas são
geralmente preocupantes; (c) adesivos de alta resistência são geralmente frágeis (baixa
resistência ao impacto). A dureza de um adesivo pode decrescer consideravelmente em
situações de carga de impacto. Adesivos com boa tenacidade geralmente sofrem com o
fenômeno da fluência. Alguns se tornam frágeis a baixas temperaturas; (d) A durabilidade e
a vida útil das conexões são de difícil previsão; (e) A preparação e a limpeza da superfície,
a preparação do adesivo, e a cura podem ser críticos se resultados consistentes são
esperados. Alguns adesivos são sensíveis à presença de gorduras, óleos e umidade nas
superfícies a serem coladas. A rugosidade da superfície e características de molhabilidade
devem ser controladas; (f) a junta não pode ser desmontada com rapidez. Os tempos de
montagem das juntas podem ser maiores para métodos alternativos, dependendo do
mecanismo de cura. Temperaturas elevadas podem ser necessárias, assim como ferramentas
específicas; (g) o design da junta tem uma limitação de espessura; (h) apenas esforço
cisalhante é aceitável; (i) É difícil determinar a qualidade de uma junta adesivada por
métodos não destrutivos, entretanto, algumas técnicas com bons resultados tem sido
desenvolvidas; (j) Muitos adesivos estruturais se deterioram em certas condições de
operação. O adesivo pode sofre a ação do ambiente. Ambientes agressivos incluem luz
violeta, ozônio, chuva ácida (baixo PH), umidade e meios salinos. Assim, a durabilidade e a
confiabilidade de uma junta em um longo tempo de serviço deve ser cuidadosamente
4
analisada. A determinação da força de adesão e da durabilidade ainda são, geralmente,
empíricas; (k) alguns adesivos contém, ou geram durante a cura, substâncias químicas
nocivas; e (l) tensões residuais térmicas podem ser induzidas.
O objetivo deste trabalho é apresentar um estudo sobre a influência de diversos
fatores da confecção de juntas adesivadas em sua resistência ao cisalhamento, focando no
efeito da temperatura na resistência mecânica, e verificar a aplicação de relações do fator de
forma de juntas adesivadas para diferentes temperaturas. Os ensaios de tração foram
realizados em uma câmara termostática ligada à uma máquina de ensaios universal. Os
resultados desse trabalho ajudarão a definir aplicações e o comportamento do adesivo
estudado.
5
Capítulo 2
Revisão Bibliográfica
2.1. AdesivosEstruturais
2.1.1. Histórico
O estudo e desenvolvimento de novos adesivos baseados em resinas sintéticas e
outros materiais com melhores propriedades e maior reprodutibilidade, promovem, em
larga escala, a utilização de adesivos, o que levou ao aparecimento da ciência dos Adesivos.
Em colagem, a primeira resina a ser usada foi a de fenolformaldeído, sobretudo para a
execução das juntas de madeira. Mas a descoberta de adesivos de borracha sintética (tabela
1), e seu avanço, estiveram na necessidade de adesivos mais apropriados para a colagem de
metais. (Shields, 1971. Esteves, 1990)
6
ANO ADESIVO
1910 Fenol-Formaldeído
1930 Uréia-Formaldeído
1940
Nitrilo-Fenólico
Vinilo-Fenólico
Acrílico
Poliuretana
1950
Epóxi
Cianoacrilatos
Anaeróbicos
1960
Poliamida
Polibenzimidazol
Poliquinoxalina
1970 Segunda geração de acrílicos
Tabela 1 – Histórico do desenvolvimento adesivos
O que tornou possível o desenvolvimento de adesivos mais resistentes, mais
duradouros e versáteis na colagem de superfícies, que antes, seriam impossíveis de colar,
foi o aparecimento de resinas sintéticas. Com o desenvolver tecnológico dos adesivos, é
necessário também um desenvolvimento nos equipamentos, métodos de cálculo de
resistência e técnicas de colagem, dada sua importância na união de juntas em diversas
aplicações.
2.1.2. Características
Os adesivos utilizados em projetos mecânicos são por natureza materiais
poliméricos. Um polímero é uma cadeia longa de átomos ligados entre si por ligações
covalentes. A produção de um polímero acontece através de um processo designado
7
polimerização, no qual as moléculas do monômero reagem quimicamente para formar
cadeias lineares ou uma rede tridimensional de cadeias de polímeros. A principal
característica destas cadeias destas cadeias é a ligação química ser forte e direcional ao
longo das cadeias, sendo estas ligadas lateralmente pelas fracas ligações de Van Der-Waals,
ou ocasionalmente por ligações de hidrogênio.Se o polímero é formado por um monômero
apenas, a molécula resultante é designada por homopolímero. A utilização de diferentes
monômeros na formação de moléculas se traduz normalmente pelo alcance de melhores
propriedades, sendo estes polímeros chamados de copolímeros. No caso de polímeros de
adição ou nos casos em que é usado um simples monômero, o prefixo ―Poli‖ é acrescentado
ao nome do monômero. Por exemplo, o etileno polimeriza para gerar o Polietileno e o
estireno para gerar o Poliestireno.
Os adesivos sintéticos resultam então das reações de polimerização entre monômeros, que
dependendo da sua estrutura, reatividade e proporção na mistura, originam polímeros de
cadeias macromoleculares lineares ou em rede tridimensional.
2.1.3. Classificação de adesivos estruturais
Nestas reações intervêm ainda outros componentes, denominados agentes de cura
(ou endurecedores), os catalisadores e os solventes que, após a reação da cura, tornam o
sistema bastante complexo. Ainda é possível, para os mesmo parâmetros anteriores, variar
as condições de temperatura, pressão e tempo de cura, o que leva à obtenção de estruturas
diferentes e que, consequentemente, apresentam propriedades distintas. Assim, é possível
obter uma grande variedade de estruturas sendo muito difícil uma classificação que inclua
8
todos os tipos de adesivos. Os adesivos são então geralmente, classificados por sua origem,
estrutura molecular, composição química, modo de apresentação e de aplicação, condições
de cura, estabilidade e como estruturais ou não estruturais.
Podemos classificar os adesivos segundo as três famílias dos materiais poliméricos:
-Resinas termoplásticas: acrílicas, celulósicas, vinílicas, poliamidas, etc.
-Resinas termoendurecíveis: fenólicas, epóxi, poliéster, poliamida, etc.
-Elastômeros: poliuretanos, nitrílos, policloroprenos, silicones, etc.
Existem ainda cinco grandes famílias de adesivos estruturais, sendo elas os anaeróbicos,
acrílicos, epóxi, cianocrilatos e poliuretanos. A tabela a seguir apresenta as principais
características de cada um.
9
Tipo de
Adesivo
Constituint
es
Endurecime
nto
CaracterísticasFuncionaisP
ositivas
CaracterísticasFuncionaisN
egativas
Aplicaçõ
es
Epóxi
Resina e
Endurecedo
r
Dependendo
do
endurecedor,
solidifica
com rapidez
à temperatura
ambiente
Resistência à condições
atmosféricas
Resistência a deformação
plástica
Resistência ao choque
Rigidez
Industria
aeroespac
ial
Anaeróbic
os
Resina
acrílica
Solidifica
espontaneam
ente na
ausência de
ar
Maior controle da força de
ligação
As peças necessitam de
manutenção
Travame
nto de
roscas de
porcas e
outras
peças
Acrílicos
Reativos
Dois
elementos
(enchimento
e iniciador
de
endurecime
nto)
Endurecimen
to a frio
Resistência à condições
atmosféricas
Resistência a temperaturas
elevadas
Resistência ao choque
Deve-se aplicar os dois
elementos separadamente
Automaç
ão (união
de peças
de
plástico,
etc)
Cianoacril
atos
Tipo
especial de
adesivo
acrílico
Endurecem
com grande
rapidez na
presença de
umidade
Resistência ao choque
Fácil Manipulação no estado
líquido
Ruim para o preenchimento
de lacunas
Pouca resistência ao calor
Comportamento ruim em
ambientes umidos devido à
rapidez do endurecimento
Industria
eletrônica
, Áreas
médicas
Adesivos
de
poliuretano
Um
elemento
Endurecem
pela absorção
de umidade,
processo
acelerado
pela adição
de calor
Flexíveis e elásticos após a
cura
Resistentes ao choque
Podem ser diluídos para
aplicação em grandes
superfícies
Comportamento ruim em
ambientes úmidos devido à
rapidez do endurecimento
Automaç
ão
(fixações
em geral)
Adesivos
de
Poliuretan
o
Dois
elementos
Endurecem
rapidamente
na ausência
de umidade
ou calor
Boa resistência ao choque
Flexíveis e elásticos
-------
Automaç
ão
(painéis
de
comando
)
Colas
reativas a
quente
-------
Comportame
nto idêntico
ao das colas
convencionai
s aplicadas a
quente, e que
por vezes
reagem com
a umidade,
endurecendo
Estáveis a altas temperaturas
(180°C)
Grande força de coesão
Ligeiramente tóxicos
Móveis,
peças de
automóve
is, etc
Tabela 2 – Principais características das famílias de adesivos
10
2.1.4. Adesivos epóxi
Estes adesivos são os mais utilizados na colagem de metais, devido à sua alta
resistência mecânica e fácil aplicação. Apresentam também a maior diversidade de
aplicações, podendo ser utilizado em diversos tipos de material.
Esse tipo de adesivo apresenta como principais vantagens:
boa resistência mecânica;
boas propriedades elétricas e de resistência térmica;
excelente dureza e resistência químicas
ótima adesão a metais;
possibilidade de cura rápida ou lenta em diversas faixas de temperatura;
baixo grau de encolhimento durante a cura e boas propriedades de molhabilidade
sobre o aderente (grau de espalhamento do adesivo).
Os adesivos epóxi são comercializados sob a forma de um só componente ou de vários
componentes (dois geralmente):
Um componente: resina e endurecedor no mesmo componente. Apresenta-se em
líquido, gel, barra, filme e pastilha. Nesses adesivos deve ser realizada cura em
temperaturas a partir de 120°C. Esses adesivos apresentam melhores propriedades e
maior durabilidade quando comparados aos de dois ou mais componentes.
Dois ou mais componentes: o endurecedor deve ser adicionado. Apresenta-se em
pasta,gel e líquido. A cura pode ser realizada a baixas temperaturas. As
propriedades desse tipo de adesivo dependem do tipo de endurecedor utilizado.
O processo de colagem com adesivos epóxi dispensa a aplicação de pressão, sendo
necessário somente o posicionamento da peça.
11
2.2. Adesão
2.2.1. Adesão e interface
O termo adesão é geralmente usado para se referir à adesão entre substâncias, sendo
portanto uma manifestação de forças atrativas entre os átomos e/ou superfícies.
As moléculas na superfície de um líquido ou de um sólido são influenciadas por forças
moleculares desbalanceadas, e portanto, possuem energia adicional em contraste com as
moléculas no interior do líquido ou sólido. Esta energia livre adicional localizada na
superfície, ou na interface entre duas fases condensadas, é conhecida como energia
interfacial. Importantes aplicações tecnológicas dos materiais requerem que os mesmos
sejam aderentes a outras substâncias e tem influência preponderante em muitas aplicações
práticas, como adesão e molhamento de sólidos por líquidos.
Para medir a modificação superficial ocorrida em materiais, alguns parâmetros são
utilizados na caracterização, como por exemplo, o ângulo de contato, a força de adesão e
estimativas de energia livre de superfície (Neto, 2006).
2.2.2. Teorias de adesão
Existem modelos que tentam descrever o mecanismo de adesão considerando-se a
microestrutura dos materiais envolvidos nesse processo. Os principais são apresentados a
seguir.
12
2.2.2.1.Interdifusão
A ligação entre duas superfícies pode ser formada por interdifusão de átomos ou
moléculas que ocorre na interface. A adesão de adesivos, nesse caso, dependerá do
entrelaçamento molecular, do número de moléculas envolvidas e da resistência da ligação
molecular. A interdifusão pode ser promovida pela presença de solventes e a quantidade de
difusão dependerá da conformação molecular dos constituintes envolvidos e da facilidade
de movimento molecular.
Na adesão de substratos metálicos, a interdifusão é também necessária para que
ocorra uma reação apropriada entre os elementos de cada constituinte. Entretanto, a
interdifusão pode não ser sempre benéfica porque os compostos não desejáveis podem ser
formados, particularmente quando filmes óxidos, presentes na superfície, se degradam em
situações onde o material é submetido à alta temperatura ou pressão, que ocorrem em
processos no estado sólido.
2.2.2.2. Atração Eletrostática
A diferença de carga eletrostática entre os constituintes na interface pode contribuir
para a adesão, devido à força de atração entre essas cargas. A resistência da interface
dependerá da densidade da carga. Embora esta atração possa não ter uma contribuição
significativa à resistência da interface, pode ser importante quando a superfície de uma
fibra é tratada como agente de ligação.
13
2.2.2.3. Ligação química
A teoria de ligação química é a mais antiga e a mais conhecida de todas as teorias de
adesão. A resistência adesiva dependerá do número e tipo de ligações, cuja formação é por
meio de reações químicas termicamente ativadas.
2.2.2.4. Adesão mecânica
A ligação mecânica envolve o ancoramento mecânico na interface. A resistência
desse tipo de interface normalmente não é de grandemagnitude quando submetida a esforço
de tensão transversal, a menos que haja grande número de reentrâncias, na forma de
microporosidade, na superfície do reforço, como exemplificado na figura 1.
Figura 1 – Diferença entre rugosidade e porosidade
Portanto, a resistência ao cisalhamento dependerá da maneira significante do grau
de rugosidade do reforço.
Em todas as teorias e fenômenos relacionados à adesão entre duas superfícies, a
energia superficial livre (γ) tem papel preponderante. Essa energia superficial pode ser
definida por outras funções termodinâmicas em termo de energia propriamente dita (U),
entalpia (H) ou da energia livre de Gibbs (G), dependendo das condições de contorno para a
14
qual é definida. A equação 1 define que a energia superficial livre é representada pelas
derivadas parciais destas grandezas em relação à área envolvida.
(
)
(
)
(
)
(1)
2.2.3. Ângulo de contato
Quando um líquido é sobreposto em uma superfície sólida, podem ocorrer 2
fenômenos, o líquido se espalha na superfície ou tende a formar uma gota esférica. O
ângulo formado entre o líquido e o sólido, considerando essas duas situações opostas, vai
indicar o grau de interação entre os 2 materiais, e a magnitude desse ângulo vai depender
do tipo de líquido e do tipo de substrato sólido. Além disso, o líquido apresenta uma
pressão de vapor, com a qual a superfície sólida estará em equilíbrio. O equilíbrio de forças
na interface líquido/sólido é balanceado conforme mostra a figura 2.
Figura 2 – Equilíbrio de forças na interface de um líquido/sólido balanceado
15
Estas forças tendem a minimizar a área superficial do líquido, pela formação de uma
gota, ou tendem a se espalhar na superfície sólida, aumentando assim a extensão do contato
interfacial. Este balanço de forças é caracterizado como sendo a molhabilidade de um
sólido por um líquido, geralmente expressa pelo ângulo de contato que se forma entre o
líquido e o sólido.
A energia superficial é uma manifestação direta das forças intermoleculares. As
moléculas na superfície de um líquido ou de um sólido são influenciadas por forças
moleculares não equilibradas e, portanto, possuem energia adicional, contrariamente às
moléculas localizadas no interior do líquido ou do sólido. Em líquidos, a energia superficial
se manifesta como uma força interna que tende a reduzir a área superficial a um mínimo. A
superfície de um sólido, de maneira similar à superfície de um líquido, possui energia livre
adicional. Entretanto, devido à ausência de mobilidade molecular na superfície de sólidos,
esta energia livre não édiretamente observada, mas deve ser medida por métodos indiretos.
O critério para molhabilidade implica em que o ângulo de contato (θ) seja menor
que 90°. A tensão superficial de líquidos pode ser facilmente obtida, entretanto a tensão
superficial de sólidos é de difícil determinação. Sendo assim, as medidas de tensão
superficial sólido/líquido ( ) podem ser efetuadas com utilização de líquidos que tenham
tensão superficial ( ) conhecida. A tensão superficial ( ⁄ ) é associada a cada unidade
de área superficial. A energia livre superficial ( ) é relacionada ao trabalho necessário
para aumentar a área de uma superfície (
), sendo normalmente utilizada em
cálculos termodinâmicos. Termodinamicamente, a adesão é definida pela mudança de
energia livre quando dois materiais entram em contato, ou seja, é a mudança de energia
livre superficial ( ), acompanhada de um pequeno deslocamento do líquido sobre o
16
substrato. Portanto, se a superfície líquida for deformada ligeiramente, a área da interface
sólido/líquido aumentará de , conforme mostra a figura 3.
Figura 3 – Deformação da superfície líquida
A variação de energia livre superficial de Gibbs( ), relacionada ao trabalho
necessário para aumentar a área de uma superfície, é obtida pela equação 2.
(2)
A figura 3 mostra que:
(3)
Chegando assim a
( ) ( ) (4)
17
Em equilíbrio (configuração estável em relação à variação da área interface
sólido/líquido), para uma mudança infinitesimal na área da gota, obtém-se:
(5)
Ou
( ) ( ) (6)
Desprezando os diferenciais de segunda ordem, de pequena magnitude, obtém-se a
equação 7, conhecida como equação de Young.
(7)
Onde é a energia livre interfacial sólido/líquido, é a energia livre interfacial
sólido/vapor, é a energia livre interfacial líquido vapor, e é o ângulo formado entre o
sólido e o líquido.
Em virtude da atração existente entre as moléculas de duas fases em contato entre si,
no caso sólido/líquido, é necessário realizar um trabalho para separá-las. Este trabalho
referente à área unitária é denominado trabalho de adesão. À temperatura e pressão
constantes, o trabalho de adesão para separar as fases sólido/líquido, é dado por
18
(8)
Onde é a quantidade de trabalho termodinâmico de adesão.
Considerando o conceito de para uma determinada condição de adesão, devem
ser consideradas as hipóteses de separação ideal na interface e se o sistema está sob
condição isotérmica. Combinando as equações 7 e 8,pode-se obter uma nova relação para
definir o trabalho de adesão:
( ) (9)
Esta relação é de grande utilidade pois relaciona duas grandezas mensuráveis com
relativa facilidade de precisão. Dessa forma, pode-se obter entre o sólido e o líquido se
a tensão superficial do líquido e o ângulo de contato forem conhecidos. A equação ainda
mostra que para , obtemos e o trabalho de adesão é , isto é, o
ângulo de contato é igual a zero quando o trabalho de adesão sólido-líquido iguala ou
supera o trabalho de coesão do líquido. Em outras palavras, o líquido se espalha na
superfície sólida, quando as forças de atração sólido-líquido igualam ou superam as forças
de atração líquido-líquido. Para , temos que e . Este é o caso
limite para o qual não há adesão entre as duas fases. Portanto, quanto maior o valor de
melhor a adesão. Os valores de para polímeros sólidos são menores que e
muito menores que a energia coesiva de ruptura, a , medida
mecanicamente.
19
As relações anteriores somente são válidas considerando uma superfície idealmente
plana e lisa. A topografia de superfície, levando-se em consideração a rugosidade,
efetivamente determina a área de contato real na interface sólido-líquido. Esta rugosidade
(r) de superfície pode ser definida por
(10)
Sendo e os ângulos de contato para superfícies lisa e rugosa, respectivamente.
A rugosidade de uma superfície rugosa é a razão da área de superfície real pela área planar
aparente. Substituindo a equação 10 nas equações de Young-Dupré, obtém-se:
( ) ( ) (11)
( ) ( ) (12)
( ) ( )( ) (13)
Conforme mostra a equação 13, o trabalho de adesão pode apresentar um
incremento se ocorrer aumento da rugosidade da superfície e da energia superficial do
sólido.
20
2.3 Modelos Analíticos
Para prever a resistência de uma junta de adesivada, são necessários dois
parâmetros, a distribuição de tensões no corpo e um critério de falha adequado. A
distribuição de tensões pode ser obtida através do método de elementos finitos (FEA) ou
modelos analíticos. Para geometrias complexas, o método de elementos finitos é mais
adequado. Porém, para aplicações do dia a dia e respostas mais simples e rápidas, modelos
analíticos são mais adequados.
Da Silva et al. (2008a e 2008b) analisou em um de seus trabalhos os diferentes
modelos existentes na literatura, assim como as condições de aplicação de cada um deles,
as situações onde são mais apropriados, suas vantagens e limitações. A tabela 3 mostra,
para cada modelo, as suposições feitas, os tipos de tensão e o tipo de solução.
21
Tabela 3 – Característica dos modelos para cálculo de tensões em juntas adesivadas
2.3.1. Modelos para o cálculo de tensões cisalhantes em juntas adesivadas
A revisão na literatura feita por Da Silva et al. (2008a e 2008b) mostrou que quase
todos os modelos analíticos existentes para juntas de cisalhamento simples são
bidimensionais. Essa simplificação se torna geralmente suficiente já que os esforços na
direção da largura são consideravelmente menores que os esforços na direção do overlap.
A maior parte das análises são lineares elásticas para o substrato e o adesivo, já que
a inclusão de um termo não linear, proveniente do material utilizado, torna a solução muito
complexa. Quando se aumenta o grau de complexidade e o número de componentes de
22
tensões, um problema que seria resolvido analiticamente passa a ter que ser resolvido
numericamente.
2.3.2. Modelos Clássicos
Para os modelos apresentados, serão utilizadas as seguintes notações:
o b – largura da junta colada;
o – Tensão de cisalhamento;
o c – metade to comprimento de overlap da junta colada;
o D´– rigidez ao dobramento do substrato;
o E – Módulo de Young;
o G – Módulo de cisalhamento;
o k – fator do momento fletor;
o k´ – fator de força transversa;
o l – comprimento de overlap da junta colada;
o M – Momento fletor;
o – Carga aplicada na junta por unidade de largura;
o P – Carga aplicada na junta;
o x – coordenada longitudinal;
o t – espessura;
o Sub-índice ―a‖ – camada adesiva;
o Sub-índice ―t‖ – substrato superior (top);
o Sub-índice ―b‖ – substrato inferior (bottom);
o – coeficiente de Poisson do aderente
23
o – Módulo de Young
2.3.2.1. Análise simples de modelo linear elástico
Figura 3 – Esquema da suposição do modelo linear elástico
Na forma de análise mais simples da tensão de cisalhamento em juntas de
cisalhamento simples, é considerada uma deformação por cisalhamento constante ao longo
do overlap do adesivo e o substrato rígido. A tensão de cisalhamento ao longo do adesivo é
dada por
(14)
Onde é a carga aplicada à junta, é a largura da junta e é o comprimento do
overlap.
O valor da tensão de cisalhamento encontrado pode ser interpretado como a tensão
média atuante no adesivo. Essa análise não é muito realista devido a diversas
24
simplificações, mas mesmo assim é a base para a determinação de valores de resistência em
ensaios de normas ISO e ASTM.
2.3.2.2. Análise de Volkersen
A análise de Volkersen introduziu o conceito de cisalhamento diferencial,
assumindo que o adesivo se deforma apenas por cisalhamento, mas o substrato pode se
deformar pela tensão gerada pela carga P (figura 4), por ser considerado elástico e não
rígido. A diferença de tensão no substrato entre os pontos A e B, sendo a tensão máxima
em A e nula em B, e a continuidade entre o substrato e o adesivo, resultam em uma tensão
de cisalhamento não uniforme ao longo do overlap figura 5. A tensão de cisalhamento
então deixa de ser considerada uniforme ao longo do adesivo e passa a ser máxima nos
extremos do adesivo e mínima no meio. A figura 6 mostra esse comportamento para um
substrato de liga de alumínio e adesivo epóxi.
Figura 4 - Esquema da suposição do modelo de Volkersen
25
Figura 5 – Análise diferencial do modelo de Volkersen
Figura 6 – Distribuição de tensão cisalhante ao londo do substrato
Ten
são
de
cisa
lham
ento
(M
Pa)
Overlap (mm)
26
E a distribuição da tensão cisalhante é dada por
( )
(
)
(
)
( )
(
)
(15)
Onde
( ) (16)
(17)
(18)
(19)
Este modelo, entretanto, não leva em consideração o momento gerado pela
excentricidade da carga P, sendo um fator bastante relevante em juntas simples.
2.3.2.3. Análise de Goland e Reissner
O carregamento excêntrico gera então um momento (M) e um esforço transversal
(V) na junta, juntamente ao esforço cisalhante por unidade de largura ( ) já mencionado
27
(figura 7). Este momento faz a junta girar, alterando a direção do carregamento e tender
para um carregamento alinhado. Com essa rotação, o momento tende a diminuir e dar lugar
a um problema geométrico não linear onde os efeitos da deformação do substrato devem ser
levados em consideração.
Figura 7 - Esquema da suposição do modelo de Goland e Reissner
Goland e Reissner foram os primeiros a considerar os efeitos desse carregamento
excêntrico, usando os termos fator de momento (k) e fator de força transversal (k’) para o
cálculo do momento e da força transversal nos pontos extremos do adesivo em relação ao
overlap, de acordo com as equações:
(20)
(21)
28
Onde t representa a espessura do adesivo, onde e c a metade do
comprimento do overlap. Os valores de k e k’ se aproximam de 1, quanto menor for a
deformação sofrida pelos substratos. Quando a junta se deforma, rotacionando devido ao
esforço do carregamento excêntrico, k e k’ diminuem, e consequentemente, o momento e a
carga transversal diminuem. A análise de Goland e Reissner levou em consideração o efeito
das grandes deflexões dos substratos, porém assumiu que os mesmos eram integrais, com
uma camada infinitesimalmente fina de adesivo. A expressão desse fator de momento é
dada por
( )
( ) √ ( ) (22)
Onde
√ ( )
√
(23)
O modelo anterior calcula o esforço apenas nos pontos extremos do adesivo.
Desenvolvendo ainda mais o modelo, Goland e Reissner calcularam as tensões de
descascamento e cisalhantes na camada de adesivo, resolvendo um problema plano de
tensões. Ao invés de resolver um problema geométrico não linear devido ao carregamento
excêntrico, eles resolveram um problema linear com o carregamento aplicado nos pontos
29
extremos do adesivo, evitando assim um problema de solução mais complexa. Dois casos
foram considerados para isto. No primeiro caso, o adesivo foi considerado relativamente
inflexível e a região do overlap foi tratada como apenas um corpo deformado com as
mesmas propriedades do substrato. No segundo caso o adesivo foi considerado flexível e a
flexibilidade da junta devido à camada de adesivo. Neste caso, considerou-se uma dobra
cilíndrica do substrato e sua deformação devida apenas à tensão normal . Como resultado
da curvatra do substrato, uma tensão transversal normal (tensão de descascamento) será
induzida ao longo do adesivo. Este caso é aplicável à maioria das situações que utilizam
substratos metálicos, se obedecerem as seguintes condições:
(24)
(25)
Onde é o módulo de cisalhamento do substrato, o módulo de cisalhamento do
adesivo e o módulo de Young. Satisfazendo essas condições, as deformações
transversais e cisalhantes do substrato podem ser negligenciadas por serem muito menores
que as da camada de adesivo. A figura 8 mostra a distribuição de tensão de descascamento
e cisalhante ao longo do overlap de acordo com a equação de Goland e Reissner para o
segundo caso, em um substrato de alumínio e adesivo epóxi. Pode-se observar que a
distribuição de tensão de cisalhamento para este modelo é semelhante ao modelo de
Volkersen, porém apresentando maior módulo nos extremos do adesivo.
30
Figura 8 – Distribuição de tensões de acordo com o modelo de Goland e Reissner
A tensão cisalhante definida pela solução de Goland e Reissner para a situação
descrita é
{
( )
((
)(
))
(
)
( )} (26)
Onde
(27)
( )
( ) √ ( ) (28)
Ten
são
(M
Pa)
Overlap (mm)
Tensão de descascamento
Tensão de cisalhamento
31
√ ( )
√
(29)
E a expressão da tensão de descascamento é dada por:
*(
( ) ( )) (
) (
) (
( ) ( )) (
) (
)+ (30)
Onde
(31)
(32)
√ ( )
(33)
( ) ( ) ( ) ( ) (34)
( ) ( ) ( ) ( ) (35)
32
( ( ) ( ) (36)
2.3.2.4. Análise de Hart-Smith
A análise de Hart-Smith se assemelha a de Goland e Reissner, levando em
consideração o efeito das grandes deflexões. Porém, considerou as deformações individuais
dos dois substratos no overlap, não negligenciando assim a espessura do adesivo.O modelo
de Hart-Smith apresenta o fator de momento da seguinte forma
(
)
( )
(37)
Onde
(38)
Oplinger apresentou uma análise mais detalhada partindo do modelo de Hart-Smith,
levando em consideração o efeito das grandes deflexões dentro e fora do adesivo e as
deformações do substrato, encontrando resultados similares para maiores espessuras de
adesivo e resultados bastante diferentes para espessuras mais finas de adesivo.
Zhao desenvolveu uma forma mais simples para o fator de momento que apresenta boa
precisão para substratos duros e espessos, que é dada por
33
(39)
2.3.3. Limitações das análises clássicas
Os trabalhos desenvolvidos principalmente por Volkersen e Goland e Reissner nas
equações clássicas trouxeram um grande avanço na análise de tensões de juntas adesivadas.
Entretanto, este trabalho apresenta algumas limitações, por exemplo:
(1) Não levam em consideração as variações de tensão do adesivo na direção da
espessura do mesmo, especialmente as tensões na interface adesivo/substrato, que
são importantes na análise de falhas que ocorrem nas proximidades da interface.
(2) Os picos de tensão ocorrem nos extremos do overlap, fato que viola a condição de
ausência de tensões nesses pontos, como mostra a figura 9. Essas análises então
tendem a fornecer uma tensão muito maior que a real, sendo assim muito
conservativas.
(3) Por último, os substratos são considerados vigas esbeltas, ignorando as tensões
cisalhantes no adesivo e as deformações normais. O cisalhamento dos substratos é
particularmente importante em substratos de dúcteis, como materiais compósitos.
34
Figura 9 – Limitações dos modelos clássicos para análise de tensões
2.4. Fatores que Influenciam na Resistência de Juntas Coladas
A definição da resistência de uma junta colada é ainda um tema controverso por
envolver diversos fatores difíceis de quantificar e de atribuir sua influência para cada
situação de adesivo e substrato, como a rugosidade, propriedades do adesivo e do substrato
e fatores ambientais. O cálculo da durabilidade também é um desafio no projeto de juntas
coladas.
Monteiro (1995) esquematizou os fatores que influenciam na resistência de juntas
coladas da seguinte maneira:
Características mecânicas dos substratos: Módulo de elasticidade, coeficiente de
Poisson, tensão de escoamento e tensão de ruptura;
Tensão cisalhante nula
Tensão de cisalhamento no adesivo
Análises Clássicas
(Volkersen e Goland e Reissner)
Tensão de cisalhamento no adesivo
Análise que leva em consideração a tensão
de cisalhamento nula nos extremos do
adesivo
35
Geometria da junta: Forma da junta, espessura do adesivo, espessura dos substratos
e overlap;
Características mecânicas do adesivo: Módulo de elasticidade, Coeficiente de
Poisson, tensão de ruptura ao cisalhamento e tensão de ruptura à tração;
Tratamento superficial: Rugosidade das superfícies, Desengorduramento das
superfícies e Eliminação de óxidos;
Condições ambientais: Temperatura, Umidade relativa, Agentes químicos e
radiação;
Solicitações externas: Forças, Deslocamentos, Rotações e Momento.
Os principais fatores serão discutidos a seguir.
2.4.1. Características mecânicas do adesivo e do substrato e geometria da junta
A influência das características mecânicas do adesivo e do substrato e da geometria
da junta foram amplamente discutidos por diversos autores, através de modelos analíticos,
MEF (Método de Elementos Finitos) e ensaios mecânicos. Alguns dos fatores apresentados
e de maior relevância serão discutidos a seguir.
2.4.1.1. Espessura do adesivo
A espessura da camada adesiva é uma importante característica das juntas de
cisalhamento. O seu efeito é ainda mais acentuado na colagem com adesivos de alta
performance. (Monteiro, 1995)
36
Analisando a fórmula de Volkersen (15) ou as fórmulas derivadas desta, podemos
observar que um aumento na espessura da camada adesiva provoca uma diminuição das
tensões máximas de cisalhamento.
Essa observação nos leva a concluir que camadas muito finas de adesivos podem
enfraquecer uma junta colada. Porém, para aumentos consideráveis da espessura da camada
adesiva ocorre uma diminuição na resistência da junta. Esse fato pode ser explicado pelo
modelo de Goland e Reissner e a introdução da tensão de descascamento nos modelos,
tensão esta gerada pelo momento proveniente da distância entre os substratos. Com o
aumento da espessura da camada adesiva, aumenta-se a tensão de descascamento. Esse
comportamento pode ser esquematizado de acordo com a Fig.10.
Figura 10 – Carga de ruptura de juntas coladas em função da espessura do adesivo
Da Silva (2009) pesquisou em seu trabalho os efeitos do material, geometria,
tratamento superficial e condições ambientais na resistência de juntas coladas. Para
37
quantificar a influência de cada fator foi utilizada a matriz de Taguchi com 18 ensaios, onde
cada ensaio foi repetido três vezes. A influência da espessura na resistência das juntas de
cisalhamento em relação aos outros fatores foi de 18.9% e concluiu-se que um aumento na
camada adesiva apresentou um decréscimo na resistência ao cisalhamento. Outros autores
comoTaub et al. (2006), Pereira et al. (2009), Kim et al. (2005) e Ramazan et
al.(2007)também realizaram esses ensaios com resultados semelhantes. Estudos realizados
com MEF (Método de Elementos Finitos)por Li et al. (1999) e Ramazan et al.(2007)
também chegaram às mesmas conclusões.
2.4.1.2. Fator de forma de juntas simples
Da Silva (2010a) estudou a influência do fator de forma na resistência de juntas de
cisalhamento e de carregamento combinado, chegando a uma forma simplificada para o
cálculo da resistência de juntas a partir de uma junta de referência. Seu trabalho concluiu,
através de ensaios experimentais, que para uma mesma área colada, juntas submetidas à
carga de cisalhamento com maior overlap resistem menos que juntas com maior largura,
sendo assim preferível que a maior dimensão de uma junta colada seja aquela ortogonal à
direção da solicitação mecânica. O cálculo da tensão a partir de um referencial, é dado por
( √
√ )
(40)
38
Onde , e são a largura, overlap e a força de ruptura do corpo de prova
de referência, respectivamente. , e são a largura, overlap e a força de ruptura de um
corpo de prova com outras dimensões.
2.4.1.3. Filete de acabamento
O filete de acabamento é a porção de adesivo que é comprimido para fora da área
colada nos extremos da junta, quando os substratos são unidos. O filete de acabamento está
sempre presente em uma junta colada, mas é usualmente negligenciada na análise de
tensões de juntas adesivadas. Como já é conhecido, a presença do filete de acabamento
reduz o pico de tensões e assim aumenta a resistência de uma junta. Entretanto, essa
diminuição do pico de tensão não depende apenas da presença de um filete de acabamento,
mas também de sua forma e tamanho
.
Figura 11 – Corpo de prova sem filete de acabamento
39
Lang et al. (1998) estudou o efeito de diferentes geometrias e tamanhos de filetes de
acabamento através de MEF, comparando suas tensões máximas com as tensões máximas
de uma junta sem o filete de acabamento (figura 11). Os tipos de filetes estudados foram:
Figura 12 – Tipos de filetes de acabamento
40
O percentual de redução entre as tensões máximas nas juntas adesivadas, obtidos
por Lang et al. (1998) para cada tipo de filete, quando comparadas com a junta sem filete
de acabamento(tabela 4) mostram uma forte redução nas tensões máximas cisalhantes
( ), tensões ao longo do adesivo ( ) e principalmente nas tensões de
descascamento( ), com a utilização de filetes.
Geometria do filete
de acabamento (%) (%) (%)
Meio triangular(b) 45 71 28
Inteiro triangular(c) 50 73 31
Meio Redondo (d) 29 33 15
Inteiro Redondo (e) 37 42 20
Inteiro Redondo com
Filete (f) 54 82 36
Oval (g) 49 65 32
Quadrado (a) 37 40 19
Arco (h) 60 87 35
Tabela 4 – Redução de tensão percentual para diferentes filetes de acabamento
2.4.2. Tratamento superficial
A aplicação de diferentes tratamentos superficiais, como jateamento, lixamento,
ranhuras e tratamentos químicos são considerados por alguns autores como fatores
principais na obtenção de juntas adesivadas resistentes. Entretanto, o tema ainda é
controverso e a influência de diferentes tratamentos superficiais na resistência das juntas
41
tem sido amplamente estudada, não havendo ainda um parâmetro de melhor tratamento
para o alcance de uma maior resistência, mas sim melhores tratamentos para situações
específicas de adesivo e substrato.
Da Silva et al. (2009) estudou a influência de tratamentos químicos e mecânicos na
resistência de juntas com diferentes adesivos através de ensaios experimentais, concluindo
que seus efeitos foram desprezíveis.Já Pereira (2009) realizou ensaios de tração com
adesivos epóxi e diferentes tratamentos superficiais do substrato, concluindo que a
resistência ao cisalhamento dos corpos de prova aumentou com a diminuição da rugosidade
superficial.
Da Silva et al. (2010b) verificou a influência de ranhuras como preparação de
superfícies coladas. Os resultadosobtidos, mostrados na figura 13, mostram uma grande
influência da inclusão de ranhuras na superfície colada, e principalmente da forma de
distribuição das ranhuras.
Figura 13 – Carga de ruptura em função do tipo de ranhura no substrato
Fo
rça
Méd
ia (
N)
42
2.4.3. Condições ambientais
2.4.3.1. Temperatura
A temperatura de trabalho também é um importante fator no calcula da resistência
de juntas adesivadas. Porém, cálculo da resistência de juntas submetidas a diferentes
temperaturas ainda é difícil, principalmente pela dificuldade em encontrar soluções para a
diversidade de adesivos, substratos e tipos de carregamento existentes.
Figura 14 –Curva de tração de aços dúcteis (a) e frágeis (b) submetidos à temperatura
Da Silva (2007) realizou ensaios mecânicos (figura 14) com adesivos dúcteis (a) e
frágeis (b), encontrando grande variação no comportamento de cada um, para as diferentes
temperaturas testadas.
Ten
são
de
cisa
lham
ento
(M
Pa
) T
ensã
o d
e ci
salh
am
ento
(M
Pa
)
(a)
(b)
43
2.4.3.2. Umidade
Taub et al. (2006) estudou os efeitos da umidade em juntas coladas com adesivo
epóxi, através de envelhecimento das amostras em meios com umidade controlada,
encontrando perdas relativamente baixas de resistência de 15% com umidade relativa de
85% a temperatura de 63°C.
Entretanto, Monteiro (1995) enfatizou a forte influência da umidade na perda de
resistência de juntas coladas. Kalnins (1997) realizou ensaios com diferentes tratamentos
superficiais, mostrando acentuadas perdas de adesão com o aumento da umidade.
44
Capítulo 3
Materiais e Método
As juntas de cisalhamento foram confeccionadas com adesivo ARC 858, que é um
adesivo epóxi combinado com partículas de cerâmica em sua composição. A geometria dos
corpos de prova foi definida de acordo com a ASTM 1002D ―Standart Test Method for
Apparent Shear Strength of SLJ Adhesively Bonded Metal Specimens by Tension
Loading‖ e suas recomendações de procedimentos para fabricação.
45
3.1 Geometria do Corpo de Prova
Figura 15 – Geometria dos corpos de prova
As dimensões do overlapL e da Largura W utilizados para a junta padrão foram de
12.5mm e 25mm, respectivamente. A geometria dos corpos de prova é mostrada na figura
15. A espessura da camada adesiva utilizada foi de 0,4mm. O filete de acabamento
utilizado foi o filete de arco com um raio de aproximadamente 0,2mm.
Incrementos de 50% na largura e 50% no overlap das juntas, de acordo com a junta
padrão (ASTM), foram realizados para verificar a influência do fator de forma com a
variação da temperatura, como mostra a figura 16.
Substrato
Adesivo Calço de
alinhamento
Área na
garra da
máquina
de ensaio
46
Figura 16 – Grupos de geometria estudados
3.2. Propriedades dos Materiais
O metal utilizado como substrato para a confecção dos corpos de prova foi o aço
1020. A tabela 5 mostra as propriedades desse aço, sendo assim um substrato considerado
dúctil (Bringas, 2002).
Propriedades do aço 1020
tensão de escoamento 193 MPa
tensão de ruptura 331 MPa
alongamento 30%
Tabela 5 – Propriedades do substrato
47
Figura 16 – Matriz e endurecedor do adesivo ARC 858
O adesivo utilizado foi o ARC 858 (figura 16), que é um adesivo epóxi com
partículas de cerâmica, altamente resistente ao desgaste e à corrosão. A matriz (a) deve ser
misturada com o endurecedor (b) na proporção de 4:1, de acordo com o manual do
fabricante. As propriedades do adesivo após a cura se encontram na tabela a seguir (tabela
6).
48
Dados técnicos
Densidade após cura -------------------- 1,6g/cc
Resistência à
compressão
ASTM D 695 910 kg/cm²
Resistência à flexão ASTM D 790 620 kg/cm²
Módulo de flexão ASTM D 790 6,9 x kg/cm²
Resistência à tração ASTM D 638 211 kg/cm²
Resistência adesiva ao
cisalhamento
ASTM D 1002 150 kg/cm²
Dureza Rockwell ASTM D 785 R105
Dureza Shore D ASTM D 2240 88
Abrasão TaberH-
18/250 gram/1000 ciclos
ASTM D 4060 71 mg de perda de peso
Temperatura máxima Umidade 100% 70°C
(Dependente do tipo de
serviço)
Umidade 0% 160°C
Tabela 6 – Propriedades do adesivo ARC 858
3.3. Confecção dos Corpos de Prova
Figura 17 – Jateamento dos substratos
49
As juntas de cisalhamento foram confeccionadas em ambiente de laboratório. Antes
de realizar a colagem dos materiais, a superfície dos substratos foi jateada(figura 17) com
granalhas de aço G25 a uma pressão de 9 bar, em uma máquina de jateamento modelo PP-
80. Cada corpo de prova foi jateado a um ângulo de 45° durante 30 segundos, e limpo com
acetona para retirar resíduos metálicos e gorduras.
Figura 18 – Gabarito para alinhamento dos corpos de prova
Para assegurar um correto alinhamento dos corpos de prova foi utilizado um
gabarito de aço carbono (figura 18), com furações para pinos de acordo com as medidas do
corpo de prova padrão. Packings de 2mm foram usados para garantir a espessura do
adesivo de 0.4mm.
50
10°C 16°C 25°C 32°C 43°
Sem carga 5h 3h 2h 1h 0,5h
Carga leve 9h 7h 3,5h 2,5h 1,5h
Carga máxima 48h 36h 20h 16h 12h
Propriedades
químicas
máximas
96h 72h 36h 30h 24h
Tabela 7 – Tempo de cura do adesivo ARC 858
Após a colagem dos substratos com o adesivo ARC 858, a cura dos adesivos foi
realizada a temperatura ambiente por um tempo de no mínimo 36 horas, para que atingisse
suas propriedades máximas (tabela 7), de acordo com o manual do fabricante.
3.4 Ensaios Experimentais
Os ensaios de tração foram realizados em uma câmara termostatica TCLC-382P
acoplada a uma máquina de ensaios universal modelo Shimadzu(figura 19) AGX-100 com
uma velocidade de 1.3mm/min.
51
Figura 19 – Câmara termostatica acoplada à máquina de ensaios universal
As temperatura ensaiadas foram de 21°C, 30°C, 40°C,50°C,60°C e 70°C. O
aquecimento dos corpos de prova foi realizado na câmara termostática. Após atingir a
temperatura especificada para cada corpo de prova, foi realizada a manutenção da
temperatura por mais quatro minutos, para equalização da temperatura no corpo de prova.
Os ensaios forma realizados com cinco corpos de prova por grupo, de acordo com a
recomendação da norma. Cada grupo representa uma situação de trabalho onde a
combinação da geometria, para overlaps de 12.5mm e 18.75mm e para a largura da área
adesivada, com dimensões de 25mm e 37,5mm, com as temperaturas já mencionadas de
21°C, 30°C, 40°C,50°C,60°C e 70°C, gerando assim um total de 3 grupos, sendo o grupo 1
52
a junta padrão, o grupo 2 a junta com um incremento de 50% no overlap, e o grupo 3, a
junta com incremento de 50% na largura, em relação à junta padrão, 18 subgrupos e 90
corpos de prova.
Regiões não coladas, defeitos pontuais ou mesmo escorregamento das garras
durante o ensaio mecânico são eventos que conduzem a valores de resultados que não
representam o estado real de resistência da junta colada sob estudo. Estes resultados devem
ser, desta forma, excluídos durante o processamento dos dados. Da Silva (2010a)
Dessa forma, foram excluídos os resultados que diferiram significativamente
daquele previsto na literatura vigente. A Figura 20 mostra a situação de ensaio esperado e
uma situação de resultado não considerado.
Figura 20 – Ensaios esperados (a) e ensaios não considerados (b)
53
Capítulo 5
Resultados e Discussão
A tabela 8 apresenta os resultados referentes à força de ruptura para os 18 grupos
analisados neste trabalho, a força de ruptura e o desvio padrão.
Temperatura
(°C)
Grupo 1 Grupo 2 Grupo 3
Média (kN) Desvio (%) Média (kN) Desvio (%) Média (kN) Desvio (%)
21 2,09 ± 0,10 4,96 3,58± 0,17 4,94 4,05 ± 0,31 7,77
30 1,58 ± 0,23 14,84 3,18± 0,35 10,83 4,06 ± 0,52 12,93
40 0,75 ± 0,12 15,69 2,1± 0,14 6,83 3,45 ± 0,34 9,88
50 0,51 ± 0,13 24,85 1,21± 0,16 12,99 3,55 ± 0,59 16,58
60 0,37 ± 0,05 14,11 0,93 ± 0,12 13,42 3,02 ± 0,18 6,24
70 0,24 ± 0,03 11,81 0,6 ± 0,07 11,23 2,14 ± 0,30 14,42
Tabela 8 – Força de ruptura e desvio padrão para cada subgrupo ensaiado
54
As falhas encontradas foram predominantemente adesivas em um mesmo substrato.
Em alguns casos, houve falha adesiva com transição entre os substratos. Nesses casos,
foram observadas as maiores forças de ruptura. Como era esperado a medida que a
temperatura de ensaio foi aumentada a força de ruptura diminuiu.
Nas juntas ASTM (Grupo 1) ensaiadas a 30ºC um decréscimo de 24,5% na força de
ruptura foi observado. Para as temperaturas de 40ºC, 50Cº, 60Cº e 70ºC foram observadas
reduções de 65,1%, 75,6%, 82,3% e 88,5%, respectivamente, em relação à junta ASTM à
temperaturade 21ºC. A principal perdade carga de ruptura encontrada, para a junta padrão,
foi entre as temperaturas de 30ºC e 40ºC, com uma perda de 52,5%.
Nas juntas com incremento de 50% no overlap (Grupo 2), foi observado um padrão
de redução semelhante ao grupo 1. Para as temperaturas de 30ºC, 40ºC, 50Cº, 60Cº e 70ºC
foram observadas reduções de 11,1%, 41,3%, 66,2%, 74,0% e 83,2%, respectivamente, em
relação à junta do grupo 2 à temperatura de 21ºC. A principal perda de carga encontrada
para o grupo 2 foi entre as temperaturas de 40ºC e 50ºC, com uma perda de 42,3%.
Nas juntas com incremento de 50% na largura da área colada (Grupo 3), foi
observado um padrão diferente dos anteriores. O grupo 3 apresentou uma perda menor de
resistência com o aumento da temperatura, com uma curva mais plana que as dos grupos 1
e 2. Para as temperaturas de 30ºC, 40ºC, 50Cº, 60Cº e 70ºC foram observadas reduções de
0,2%, 14,8%, 12,3%, 25,4% e 47,1%, respectivamente, em relação à junta do grupo 3 à
temperatura de 21ºC. A principal perda de carga encontrada para o grupo 3 foi entre as
temperaturas de 30ºC e 40ºC, com uma perda de 15,0%.
55
A figura 21 apresenta o gráfico de comparação da força de ruptura vs. temperatura
para todas as juntas de cisalhamento testadas, além dos valores esperados para a carga de
ruptura de acordo com o modelo do fator de forma (equação 40).
Figura 21 – Força de ruptura em função da temperatura e valor esperado para a
força de ruptura de acordo com o cálculo pelo fator de forma (F*)
A tabela 9 mostra uma comparação entre as cargas de ruptura obtidas e as cargas
esperadas de acordo com a equação 40 da seção 2.4.1.2 para o fator de forma da junta. A
comparação foi realizada sempre em relação ao grupo 1, para as respectivas temperaturas
dos grupos 2 e 3, que tiveram alteração de geometria.
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
20 30 40 50 60 70
Forç
a (
kN)
Temperatura (°C)
Grupo 1
Grupo 2
Grupo 3
F* em relação ao Grupo 2
F* em relação ao Grupo 3
56
Grupo 2 Grupo 3
Temperatura
(°C)
(kN)
(kN)
Diferença
(%)
(kN)
(kN)
Diferença
(%)
21 2.56 3.58 28,4 3.14 4.05 22,5
30 1.94 3.18 39,1 2.37 4.06 41,6
40 0.92 2.10 56,2 1.13 3.45 67,3
50 0.62 1.21 48,3 0.77 3.55 78,4
60 0.45 0.93 51,2 0.56 3.02 81,6
70 0.29 0.60 51,0 0.36 2.14 83,1
representa a força de ruptura de acordo com o modelo e a força de ruptura dos ensaios
experimentais.
Tabela 9 – Comparação entre a carga de ruptura calculada pelo fator de forma e a
carga de ruptura real
Pode-se observar, de acordo com a figura 21 e a tabela 9, um afastamento com o
aumento da temperatura entre os valores da carga de ruptura de acordo com o fator de
forma e os encontrados nos ensaios. A maior diferença encontrada entre essas cargas para o
grupo 2, foi entre 30°C e 40°C, com um aumento no erro de 43,7%. Para o grupo 3, o maior
aumento no erro foi entre as temperaturas de 20°C e 30°C. O grupo 2 apresentou erro
médio de 45,7% e o grupo 3 62,4%, mostrando uma maior proximidade do grupo 2 para as
diferentes temperaturas em relação ao modelo para cálculo de forças de ruptura a partir do
fator de forma e de uma carga de referência.
57
Capítulo 6
Conclusão
A partir dos ensaios realizados e seus resultados, é possível chegar a algumas
conclusões quanto ao efeito da temperatura em juntas coladas submetidas a esforço
cisalhante e a aplicação do modelo de cálculo da força de ruptura, a partir do fator de forma
e da resistência de uma junta de referência, em diferentes condições de temperatura.
Como esperado, com o aumento da temperatura, a resistência das juntas diminuiu
para os 3 grupos de geometrias estudados. Os grupos 1 e 2, referentes à junta ASTM e à
junta com aumento de 50% no overlap da área colada, apresentaram perda de resistência
acentuada a partir de 30°C, e a perda de resistência tendeu a se estabilizar após 50°C. Para
as juntas do grupo 3, referentes ao aumento de 50% na largura da área colada, foi observada
uma curva de perda de resistência mais plana, com perdas de resistência mais acentuadas a
partir de 50°C.
58
A temperatura aumentou os erros dos resultados esperados, de acordo com a
equação para cálculo da resistência a partir do fator de forma e de uma tensão de referência,
em relação aos resultados experimentais. O aumento na largura da área colada (grupo 3)
gerou diferenças entre esses resultados maiores que as apresentadas pelo grupo 2, referente
às juntas com aumento no overlap.
O adesivo ARC 858 não deve ser utilizado, de forma geral, para temperaturas de
trabalho iguais ou superiores a 40°C, pois após essa faixa de temperaturas as perdas de
resistência são superiores a 50%.
O fator de forma mostrou influência também no efeito da temperatura em juntas
coladas. As juntas com maior largura apresentaram menor perda de resistência que as juntas
com maior overlap, para uma mesma área, sendo assim, preferível, juntas com maiores
larguras que juntas com maior overlap, para trabalhos com maiores temperaturas.
A utilização da equação para cálculo da resistência a partir do fator de forma e de
uma tensão de referência para diferentes temperaturas então não é aconselhável, tendo em
vista o aumento dos erros em função da temperatura para os 3 grupos estudados.
59
Capítulo 7
Sugestões para Trabalhos Futuros
Para trabalhos futuros, são sugeridos os seguintes temas:
Efeito da temperatura na resistência de juntas de cisalhamento para diferentes
espessuras de adesivo;
Efeito da temperatura na resistência de juntas de cisalhamento para diferentes tipos
de adesivo;
Efeito da umidade na resistência de juntas de cisalhamento; e
Efeito da temperatura na resistência de juntas de cisalhamento, para uma maior
variedade de geometrias.
60
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