UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL REI Programa … · em Materiais e Processos de Fabricação da ... CAPITULO 1 ... 4.1 – Ensaio de Flexão em Três Pontos

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL REI

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica

ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA E DA FREQUÊNCIA DO

CARREGAMENTO NO COMPORTAMENTO DA FADIGA EM FLEXÃO DE UM

POLIPROPILENO

Georgia Priscilla Silva Souza

São João Del Rei – MG

Agosto / 2015

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA (PPMEC)

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI (UFSJ)

ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA E DA FREQUÊNCIA DO

CARREGAMENTO NO COMPORTAMENTO DA FADIGA EM FLEXÃO DE UM

POLIPROPILENO

Dissertação apresentada ao Programa de Mestrado

em Materiais e Processos de Fabricação da

Universidade Federal de São João del-Rei, como

requisito para obtenção do título de Mestre em

Engenharia Mecânica.

Área de concentração: Simulação Numérica do

Comportamento dos Materiais e dos Processos de

Fabricação.

Orientador: Prof. Dr. Márcio Eduardo Silveira

São João del-Rei, agosto de 2015.

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ii

iii

"Façamos todos o bem, sem qualquer ansiedade.

Semeemo-lo sempre e em toda a parte, mas não

estacionemos na exigência de resultados".

Pelo espírito André Luis. Francisco Cândido Xavier

iv

AGRADECIMENTOS

Primeiramente agradeço a Deus e também aos meus pais e a minha avó Wanda. Em

especial agradeço ao meu marido, à Mariana, Duda, Pedrinho e Matilda pelos momentos de

alegria.

Agradeço às amigas do mestrado, em especial Adriana e Sarita, pela constante ajuda.

Ao Julio Santos, sem o qual, a realização deste trabalho não seria possível.

Aos técnicos de laboratório, Alexandre, Camilo e Emílio, pela enorme ajuda na

realização dos ensaios e também ao meu orientador Dr. Márcio Silveira.

A CAPES pelo suporte financeiro.

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DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho aos meus pais que sempre acreditaram que a educação é a maior

herança que pode ser deixada aos seus filhos.

Em especial ao meu marido pelo apoio incondicional.

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RESUMO

A utilização de polímeros termoplásticos vêm ganhando cada vez mais espaço nas

indústrias, sobretudo a automobilística. Isso se deve aos crescentes avanços tecnológicos e a

necessidade de diminuição de custos, diminuição do peso dos automóveis, mas sem perda de

propriedades mecânicas relevantes como resistência mecânica e rigidez. Quando comparamos

os materiais termoplásticos aos materiais termorrígidos, pode-se dizer que os primeiros

apresentam características muitas vezes superiores aos últimos. Os termoplásticos apresentam

excelente resistência à corrosão, elevada resistência ao impacto, baixo custo, baixa absorção

de umidade, maior temperatura de serviço e a grande vantagem de poderem ser reciclados.

Normalmente estes materiais são encontrados nos painéis e nas maçanetas do carros, portanto

bastante sujeitos à variação de temperatura. Sendo assim, o presente trabalho buscou estudar a

influência da temperatura e da frequência de carregamento em um polímero termoplástico

quando submetido ao processo de fadiga do tipo flexão – flexão. Finalmente observou-se que

o aumento da temperatura e da frequência de carregamento influenciam totalmente o

comportamento mecânico do polímero em questão. Assim, aquelas amostras submetidas a

menores valores de frequência e temperatura apresentaram resultados superiores.

Palavras-chave: polímeros, fadiga, temperatura, frequência.

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ABSTRACT

The application of thermoplastic polymers is gaining more and more space in the

manufacturing industries, mostly in the automobile sector. Because of the crescent

technological advancements and the need of costs reduction, less weight for the automobiles,

but without loss of relevant mechanical properties such as stiffness and fatigue strength.

When compared thermoplastic and thermoset materials, the firsts have characteristics much

superior than the lasts. The thermoplastics have excellent corrosion resistance, high shock

resistance, low cost, low humidity absorption, on duty high temperature and the advantage of

been recyclables. This materials are commonly found on doors’ handles and panels in cars,

therefore susceptible to temperature variations. Thus, the present work studied the influence

of temperature and load frequency in a thermoplastic polymer when submitted to the process

of flexion fatigue. Finally, it was observed that the rise in temperature and the load frequency

impact the mechanical behavior of the studied polymer. Therefore, the samples subjected to

lower values of load frequency and temperature had superior results.

Keywords: polymers, fatigue, temperature, frequency,

viii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Propriedades apresentadas pelos polímeros variam de forma característica

assintótica com o aumento de sua massa molecular (CANEVAROLO, 2002)..........................9

Figura 2 – Exemplo da influência da frequência na fadiga térmica e mecânica (VAIDYA, U.

K; GOEL, A.; CHAWLA)........................................................................................................13

Figura. 3 – Taxa de propagação de trincas por fadiga versus ΔK.............................................15

Figura 4 - Estrutura do Polipropileno.......................................................................................19

Figura 5 - Macromolécula de Polipropileno.............................................................................19

Figura 6 – Stress amplitudes vs. log cycles (50Hz) - Kultural et al

(2008)........................................................................................................................................22

Figura 7 - S–N curves of PP40 and PP0 at 23 Hz - Kultural et al

(2008)……………………………………………………………………...………………….22

Figura 8 - S–N curves of all types of materials at different cyclic frequencies (23 vs. 50 Hz) –

Kultural et al (2008).………………………………………………………………………….23

Figura 9 - Vida em fadiga de dois compósitos: PEI/fibras de vidro e resina epóxi/fibras de

vidro – OLIVEIRA et al (2009).................................................................................................24

Figura 10 - Efeito da temperatura no comportamento em fadiga dos laminados de fibras de

carbono/PEI – OLIVEIRA et al (2009)....................................................................................24

Figura 11 - Curvas representativas do ensaio de tração - FARIA (2012).................................25

Figura 12 - Comportamento em fadiga dos laminados climatizados - FARIA (2012).............26

Figura 13 - Valores de módulo de flexão para o PP e suas composições com fibra de coco

verde em função da velocidade de rotação a 170 ºC - ISHIZAKI et al (2006).........................27

Figura 14 - Valores de módulo de flexão para o PP e suas composições com fibra de coco

verde em função da velocidade de rotação a 180 ºC - ISHIZAKI et al (2006).........................28

Figura 15 - Valores de módulo de flexão para o PP e suas composições com fibra de coco em

função da velocidade de rotação a 190 ºC - ISHIZAKI et al (2006).......................................28

Figura 16 - Corpo de Prova Polipropileno................................................................................32

Figura 17 - Máquina utilizada para ensaios na flexão, SHIMADZU® AG-X Plus.................32

Figura 18 - Detalhe do ensaio de flexão em três pontos...........................................................33

Figura 19 - Flexão em uma barra bi apoiada............................................................................33

Figura 20 - Modelo esquemático do dispositivo para ensaios de fadiga em flexão com controle

de temperatura...........................................................................................................................34

Figura 21 – Dispositivo finalizado............................................................................................35

ix

Figura 22 – Detalhe do controlador e do motor........................................................................35

Figura 23 – Detalhe do controlador e do motor........................................................................36

Figura 24 – Detalhe do Controlador e Termopar......................................................................36

Figura 25 – Representação de um corpo de prova antes e após o teste de tração.....................37

Figura 26 - Máquina utilizada para ensaio de tração................................................................38

Figura 27 - Desenho esquemático para comparação entre microscópio óptico e microscópio

eletrônico de Varredura (DEDAVID, 2007).............................................................................39

Figura 28 - Microscópio eletrônico de varredura (MEV).........................................................40

Figura 29 - Microscópio Shimadzu – Dynamic Ultra Micro Hardness Tester.........................41

Figura 30 - a) Relação Força x Ciclos (25° C – 3 Hz)..............................................................46

Figura 30 - b) Relação Força x Ciclos (25° C – 3 Hz)..............................................................46

Figura 30 - c) Relação Força x Ciclos (25° C – 3 Hz)..............................................................47

Figura 31 – Teste de Normalidade............................................................................................49

Figura 32. a) – Curva Tensão x Deformação de uma amostra de polipropileno.....................50

Figura 32. b) – Curva Tensão x Deformação de uma segunda amostra de polipropileno........50

Figura 32. c) – Curva Tensão x Deformação de uma terceira amostra de polipropileno.........50

Figura 33. Tensões de Von Mises máximas durante um ensaio estático de

flexão.........................................................................................................................................51

Figura 34. a) – Amostra antes de sofrer fadiga – Aumento 100x.............................................52

Figura 34. b) – Amostra antes de sofrer fadiga – Aumento 500x.............................................52

Figura 34. c) – Amostra antes de sofrer fadiga – Aumento 1000x...........................................53

Figura 35. a) – Amostra fadigada a 25ºC e 3 Hz – Aumento 100x...........................................53

Figura 35. b) – Amostra fadigada a 25ºC e 3 Hz – Aumento 500x..........................................54

Figura 35. c) – Amostra fadigada a 25ºC e 3 Hz – Aumento 1000x.........................................54







Figura 38. a) Gráfico Força x Profundidade de uma amostra antes de sofrer

fadiga.........................................................................................................................................58

Figura 38. b) Gráfico Profundidade x Tempo de uma amostra antes de sofrer

fadiga.........................................................................................................................................58

x

Figura 39. a) Gráfico Força x Profundidade – Amostra 60ºC e 3Hz........................................59

Figura 39. b) Gráfico Profundidade x Tempo – Amostra 60ºC e 3Hz.....................................59


Figura 40. b) Gráfico Profundidade x Tempo – Amostra 25ºC e 3Hz......................................60


Figura 41. b) Gráfico Profundidade x Tempo – Amostra 25ºC e 9Hz......................................61

xi

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Comparação das propriedades entre termoplásticos e termorrígidos. (SANTOS,

2006).........................................................................................................................................18

Tabela 2 – Amostras submetidas à fadiga em 25ºC e 3Hz.......................................................43



Tabela 5 – Análise ANOVA.....................................................................................................49

xii

SÍMBOLOS E ABREVIAÇÕES

ANOVA - análise de variância

Cρ = Calor específico

CITeC = Centro de Inovação e Tecnologia em Compósitos

D – Diâmetro

DMTA – Análise Térmica Dinâmico-Mecânica

f = frequência

E – Módulo de Elasticidade

E* = Módulo Complexo

J” = Flexibilidade de perda do polímero

Kc = Tenacidade à Fratura do Material

L – Largura

L0 = Comprimento inicial

Lf = Comprimento final

Nj = Número de Ciclos Associado ao Comprimento da trinca

Y – Fator da Geometria Estrutural da Trinca

Z e m – Constantes do material

Mu – massa molecular da unidade polimérica.

MEV - Microscopia Eletrônica de Varredura

Mpol = massa molecular do polímero

PEI - poli(éter-imida)

PP = Polipropileno

PPS = Poli sulfeto de fenileno

R = Razão Entre as Amplitudes Máxima e Mínima

RF – Resistência a Flexão

RI – Resistência ao Impacto

RT – Resistência a tração

ε – Deformação

ε0 – Amplitude de Deformação

ρ = Densidade do material (g/cm3)

ω = Frequência angular

δ – Ângulo de Fase

σ = Tensão

xiii

σ0 = Amplitude de Tensão

ΔK = Fator de Intensidade de Tensão

ΔKth = Fator de Intensidade de Tensão Suficiente de Atividade na região da ponta da trinca

para causar sua propagação.

ΔKc = Tenacidade ao Fraturamento

xiv

SUMÁRIO

RESUMO..................................................................................................................................IV

ABSTRACT...............................................................................................................................V

LISTA DE FIGURAS...............................................................................................................VI

LISTA DE TABELAS..............................................................................................................IX

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS................................................................................X

CAPITULO 1............................................................................................................................01

1. INTRODUÇÃO..................................................................................................................01

1.2 – COMPOSTOS POLIMÉRICOS .....................................................................................04

1.3 – FADIGA.......................................................................................................................... 06

CAPITULO 2 ...........................................................................................................................07

2 – Fundamentos Teóricos........................................................................................................07

2.1 – Materiais Poliméricos......................................................................................................07

2.2 Degradação de Polímeros....................................................................................................10

2.3 – Durabilidade do Polímero Quando Submetido ao Processo de Fadiga...........................11

2.4 Propagação da Trinca..........................................................................................................13

CAPITULO 3............................................................................................................................17

3 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...........................................................................................17

3.1 Materiais Poliméricos.........................................................................................................17

3.2 Materiais Termoplásticos....................................................................................................18

3.3 Fadiga Mecânica.................................................................................................................19

CAPÍTULO 4............................................................................................................................30

4.0 – MATERIAIS E MÉTODOS............................................................................................30

4.1 – Ensaio de Flexão em Três Pontos....................................................................................32

4.2 – Ensaios de Fadiga.............................................................................................................34

4.3 Ensaios Mecânicos de Tração.............................................................................................37

4.4 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV).....................................................................38

4.6 Teste de UltraMicroDureza.................................................................................................40

CAPÍTULO 5............................................................................................................................42

5.0 – RESULTADOS E DISCUSSÕES...................................................................................42

5.1 – Ensaios de Flexão em Três Pontos...................................................................................42

5.2 – Ensaios de Fadiga.............................................................................................................46

5.3 – Ensaios de Tração............................................................................................................49

xv

5.4 – Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV).................................................................51

5.5 – Análise Ultramicrodureza................................................................................................57

CAPÍTULO 6............................................................................................................................62

6.0 CONCLUSÃO....................................................................................................................62

7.0 – SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS...........................................................64

8.0 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.........................................................................…65

xvi

1

CAPÍTULO 1

1 – INTRODUÇÃO

O estudo do comportamento mecânico de materiais poliméricos está tornando cada

vez mais freqüentes devido ao seu largo uso nas indústrias automobilísticas, militares,

aeronáutica, petroquímicas e até mesmo em equipamentos biomédicos. É evidente que o

crescente interesse pelos polímeros não é por acaso, mas sim porque estes materiais

conseguem aliar características bastante desejáveis como por exemplo, baixa densidade,

facilidade de fabricação e preço mais acessível que os materiais metálicos, por exemplo. Além

disso, são materiais isolantes, apresentam excelente resistência à corrosão, capacidade de

amortecimento, boa resistência mecânica (sobretudo quando reforçados com fibras), entre

outras características.

Fadiga é um tipo de falha que pode ocorrer sob solicitações bastante inferiores ao

limite de resistência do material, isto é, na região elástica. Em materiais metálicos, a fadiga

pode ser definida como sendo uma redução gradual da capacidade de carga do componente,

pela ruptura lenta do material, devido ao avanço quase infinitesimal das fissuras que se

formam no seu interior. Este crescimento ocorre para cada flutuação do estado de tensões. As

cargas variáveis, sejam cíclicas ou não, fazem com que, ao menos em alguns pontos,

tenhamos deformações plásticas também variáveis com o tempo. Estas deformações levam o

material a uma deterioração progressiva, dando origem à trinca, a qual cresce até atingir um

tamanho crítico, suficiente para a ruptura final, em geral brusca, apresentando características

macroscópicas de uma fratura frágil.

A grande maioria dos componentes mecânicos está sujeita a cargas que são de um

modo geral variáveis no tempo. A literatura especializada tem mostrado que, dentre as

distintas causas de falha de componentes mecânicos, a mais comum é devida à fadiga do

material. Do número total de falhas, as provocadas por fadiga correspondem de 50% a 90%,

sendo que, na maioria das vezes ocorrem de forma inesperada, repentinamente, portanto

bastante perigosas (FUCHS, 1980). Uma falha por fadiga ocorre dentro de uma gama bastante

ampla de ciclos de carga, desde valores da ordem de 10 ciclos até valores superiores a 108

ciclos. É evidente que o número de ciclos que o componente resiste depende do tipo da

solicitação.

2

Os ensaios de fadiga em polímeros envolvem muitos parâmetros, tais como: amplitude

das tensões, frequência com que são aplicados os carregamentos, comportamento da curva da

tensão / deformação do material, temperatura do ensaio, geometria do corpo de prova, tipos de

ensaio (tração, flexão rotativa, flexão plana ou torcional), entre outros (ANDREWS, 1969).

Dentre os modos de fadiga em polímeros pode-se citar a fadiga térmica e a fadiga

mecânica. O fato dos polímeros apresentarem comportamento visco-elástico faz com que,

quando submetidos a um carregamento cíclico, ocorra histerese, causando dissipação de

energia durante a deformação e por consequência gerando calor. Este calor não será

facilmente dissipado devido à baixa condutividade térmica dos polímeros. Se a geração de

calor excede sua dissipação, ocorrerá o aquecimento da amostra e o polímero irá falhar devido

à deformação plástica e degradação do módulo elástico, que em termos macroscópicos, é o

que se chama de fadiga térmica. No entanto, se o aumento da temperatura for pequeno,

durante o carregamento cíclico, o modo de falha do polímero não será por fadiga térmica e

sim por fadiga mecânica, com iniciação e propagação de trincas. Porém, ambos os efeitos

podem coexistir, pois inicialmente a temperatura aumenta e em seguida a trinca se propaga

(ROESLER, 2007).

Devido às propriedades visco-elásticas inerentes aos polímeros, a frequência e a

temperatura em que os ensaios de fadiga são realizados exercem grandes influências na

determinação da curva de fadiga S-N (tensão versus número de ciclos). Pequenas variações de

temperatura e da taxa de deformação (determinada pela frequência das solicitações) podem

afetar consideravelmente a rigidez (módulo de elasticidade) a tensão máxima de um polímero.

Nos estudos de Azevedo et al (2011) foi observado que o módulo de elasticidade em

flexão de um polipropileno pode diminuir em até 60% para um aumento de apenas 35ºC na

temperatura de trabalho (de 25Cº para 60ºC), evidenciando a grande sensibilidade à variação

de temperatura que o polímero pode apresentar. Em termos de projetos mecânicos, essa

característica é crítica, pois um componente projetado para ter uma determinada rigidez à

temperatura ambiente, pode vir a falhar (ou ter o seu desempenho prejudicado) devido a uma

variação climática corriqueira.

Segundo estudos realizados por Oliveira et al (2009), para compósitos termoplásticos

de matriz PEI (poli(éter-imida)) reforçados com fibras de vidro, foram observadas quedas nos

valores das resistências nos ensaios de fadiga (do tipo tração - tração) à temperatura de 80°C,

quando comparados à temperatura de 25°C. Foi verificada ainda, a diminuição nas

propriedades mecânicas oriundas de ensaios quasi-estáticos de tração, compressão e

3

cisalhamento, devido à existência de tensões térmicas no interior do material, resultante do

processo de aquecimento das amostras.

Já os estudos realizados por Kultural et al (2006), para amostras de polipropileno com

diferentes porcentagens de CaCO3, demonstraram que quando a frequência do carregamento

aumenta, a temperatura também eleva-se, causando histerese na estrutura do material,

provocando a falha por fadiga térmica. Comportamento semelhante foi encontrado por Vaidya

et al (2013), verificando que amostras submetidas a uma frequência menor tiveram maior

tempo de vida do que àquelas testadas em frequencia mais alta.

A maioria dos trabalhos publicados relacionados à fadiga de materiais poliméricos está

relacionada com ensaios dinâmicos do tipo tração - tração, que é o tipo de equipamento mais

comum disponível comercialmente. Porém, o que se observa é que grande parte dos

componentes mecânicos feitos em polímeros (reforçados ou não) estão sujeitos a cargas de

flexão variando no tempo. Na indústria automotiva, por exemplo, é comum a ocorrência deste

tipo de carregamentos em componentes tais como para-choques, painel central e painéis de

portas, que são fixados em balanço e devido ao carregamento vertical cíclico, proveniente das

irregularidades do piso, provocam esforços de flexão nas fixações. Se o tipo de falha dinâmica

for a térmica, o material pode "amolecer" e falhar por perda excessiva de rigidez (degradação

do módulo elástico do material), o que é bem comum em alguns termoplásticos

(HERTZBERG et al. 1980), gerando vibrações e ruídos excessivos no veículo. Desta forma,

observa-se uma lacuna existente no estudo de fadiga térmica em polímeros, quando estes são

solicitados a esforços de flexão.

Este projeto teve como objetivo principal avaliar a durabilidade do polipropileno em

ensaios dinâmicos de flexão. Nestes ensaios de durabilidade, o principal parâmetro avaliado

foi a fadiga térmica, através da variação da temperatura ambiente e da frequência do

carregamento.

A fim de ter uma caracterização estática do material preliminar, inicialmente foram

determinados as propriedades mecânicas básicas do material como módulo de elasticidade,

tensão máxima do material, coeficiente de Poisson e alongamento total em ensaios de tração.

Baseado em parâmetros da literatura, as freqüências de carregamento estudadas foram as de

3Hz e a de 9Hz e a temperatura variou entre 25°(ambiente) e 60°C.

É importante observar que não foi verificado fratura mecânica em nenhuma amostra,

pois com o aumento da temperatura é esperado que o material tenha uma queda significativa

na sua resistência mecânica e na sua rigidez (fadiga térmica), não sendo necessário aguardar o

momento da trinca. Não foi encontrado norma a respeito de falha em fadiga térmica para

4

ensaios em flexão de polímeros. Desta forma, foi proposto como critério de falha, uma

percentagem de perda de rigidez máxima do material de 20%, na qual foi considerada que ela

falhou (ou seja, perdeu a sua função estrutural).

Desta forma, devido o uso de materiais poliméricos ser cada vez mais comum, seja na

indústria automobilística, aeronáutica ou mesmo na forma de utensílios domésticos, como o

plástico, aliado à literatura que, por sua vez, tem mostrado que, dentre as distintas causas de

falha de componentes mecânicos, a mais comum é devida à fadiga do material. Por outro

lado, a maioria dos trabalhos publicados relacionados à fadiga de materiais poliméricos está

relacionada com ensaios dinâmicos do tipo tração – tração. Porém, o que se observa é que

grande parte dos componentes mecânicos feitos em polímeros estão sujeitos a cargas de

flexão variando no tempo. Sendo assim, pretende-se estudar o comportamento de materiais

poliméricos sujeitos a tensão de fadiga em flexão uma vez que foi observado uma lacuna

existente nestes estudos.

1.2 – COMPOSTOS POLIMÉRICOS

Os polímeros (do grego polumeres) são moléculas muito grandes constituídas pela

repetição de pequenas e simples unidades químicas, denominadas de monômeros (do grego

“mono” – um; mero: parte), que estão ligados entre si através de ligações covalentes. Cada

macromolécula de um polímero contém milhares de átomos que se repetem.

Desde a antiguidade, os humanos fazem uso dos polímeros naturais tais como

celulose, amido e seda. Mas foi apenas no início do século XX, quando o cientista Hermann

Staudinger (1881-1963), ganhador do Prémio Nobel da Química em 1953, desenvolveu o

processo de polimerização, é que a produção de polímeros sintéticos teve início.

Os polímeros que não apresentam massa molecular muito elevada, são chamados de

oligômeros. Para os polímeros que realmente possuem alta massa molecular (da ordem de 103

a 106 g/mol), usa-se a expressão alto polímero (high polymer), conforme explica Nogueira et

al (2000).

Podemos calcular o grau de polimerização (chamado de n) através da equação: Mpol =

nMu

Os polímeros podem ser classificados de cinco maneiras distintas:

Quanto a estrutura química - onde são definidos os grupos funcionais presentes.

Como Poliolefinas (carbono insturados com duplas ligações); Poliésteres (ácido

5

dicarboxílico + diálcool); Poliéteres (éter [R-O-R]); Poliamidas (ácido carboxílico e

uma diamina); Polímeros celulósicos (glicose – glicose); Polímeros acrílicos (-CN).

Quanto ao método de preparação - são divididos em polímeros de adição e polímeros

de condensação. Os polímeros de adição são formados a partir de um único

monômero, através de uma reação de adição. Já os polímeros de condensação são

gerados pela reação entre dois monômeros diferentes através de uma reação de

condensação. Nessa reação ocorre a eliminação de outra molécula, geralmente a água.

Quanto às características tecnológicas – dividindo-se entre termoplásticos e

termorrígidos. Os termorrígidos apresentam difícil reciclagem, não reamolecem se

reaquecidos. Tarpani et al (2009), enumera outras características pelas quais os

materiais termorrígidos têm sido substituídos gradativamente pelos materiais

termoplásticos, como superior tenacidade à fratura, maior resistência e tolerância a

danos, temperatura de serviço mais elevada, possibilidade de conformação térmica em

multiestágios, tempo de armazenagem da matéria-prima infinito, reciclagem e maior

facilidade de realização de reparos. Oliveira et al (2009), completa as qualidades dos

materiais termoplásticos sobre os termorrígidos como grande resistência ao impacto,

grande versatilidade de produção em série e diminuição do ciclo de produção com

propriedades mecânicas similares ou superiores às obtidas para os compósitos

termorrígidos.

Quanto aos processos tecnológicos, estes são dependentes do comportamento térmico.

Quanto ao comportamento mecânico – dividindo-se entre borrachas ou elastômeros,

plásticos e fibras.

Os elastômeros são polímeros de alta elasticidade, que podem, em condições naturais,

deformarem-se e voltar ao seu estado inicial. É uma classe intermediária entre os

termoplásticos e os termorrígidos. Eles apresentam alta elasticidade. Já as fibras, apresentam

grande ductibilidade e resistência à tração e permitem obter elevada relação

comprimento/diâmetro, conforme explica Reis (2014).

Quanto a forma da cadeia polimérica, estas podem ser lineares (a cadeia não possui

ramificação), ramificada (cadeia ramificada) ou reticuladas (os polímeros possuem

estrutura tridimensional, onde as cadeias estão unidas por ligações químicas).

No presente trabalho adotamos o polipropileno, material termoplástico, como estudo

de trabalho. O estudo da fadiga se faz necessário pois conforme mostra a literatura, dentre as

distintas causas de falha de componentes mecânicos, a mais comum é devida à fadiga do

6

material. A maioria dos trabalhos publicados relacionados à fadiga de materiais poliméricos

está relacionada com ensaios dinâmicos do tipo tração – tração. Porém, o que se observa é que

grande parte dos componentes mecânicos feitos em polímeros estão sujeitos a cargas de

flexão variando no tempo.

1.3 - FADIGA

A fadiga é o processo pelo qual o material perde suas características iniciais devido a

esforços repetitivos, ocorrendo a falha a um limite inferior ao de resistência. Pode-se verificar

a ocorrência da fadiga, não só pela falha catastrófica, mas também pela perda de resistência e

elasticidade. Callister (2007), define a fadiga como uma forma de falha que ocorre em

estruturas que estão sujeitas a tensões dinâmicas e oscilantes em pontes, aeronaves e

componentes de máquinas. Nos materiais poliméricos além da influência das tensões médias,

a frequência do carregamento tem forte influência no comportamento em fadiga, como foi

verificado neste trabalho.

Como explica Cruz (2006), há dificuldades na obtenção de dados sobre o

comportamento mecânico de longa duração de compostos termoplásticos, já que existem

muitas variáveis que afetam os resultados de ensaio de fadiga. Entre eles, temperatura e

frequência.

Cruz (2006) continua afirmando que a falha mecânica ocorre geralmente por

propagação de trincas. Já a falha ocorrida nos polímeros é geralmente ocasionada pelo

aquecimento por histerese. Este efeito é uma consequência combinada do amortecimento

interno das tensões e baixa condutividade térmica. Neste processo, o calor gerado a partir de

fadiga mecânica não pode ser dissipado para o meio ambiente e como consequência ocorre

um aumento da temperatura do polímero durante o ensaio.

7

CAPÍTULO 2

2 – Fundamentos Teóricos

2.1 – Materiais Poliméricos

O termo polímero é utilizada para classificar moléculas orgânicas formadas por um

grande número de unidades moleculares repetidas, denominadas meros. Mero significa partes

e poli, muitos. Assim, pode-se definir os polímeros como aquilo que tem muitas partes.

Polímeros são materiais que apresentam em sua estrutura molecular unidades

relativamente simples que se repetem, ligadas entre si por ligações covalentes do tipo sp3.

Este tipo de ligação favorece uma grande estabilidade físicoquímica, formando longas cadeias

e, portanto, resultando em compostos de alta massa molecular. Essas unidades que se repetem

são conhecidas como meros ou unidades monoméricas.

Conforme Silva e Silva (2003), os polímeros podem apresentar cadeias com e sem

ramificações (polímeros lineares). Aqueles que possuem cadeias ramificadas apresentam grau

e complexidade que podem variar do extremo da formação de retículos, resultando em

polímero reticulado, ou polímero com ligações cruzadas. Como conseqüência imediata,

surgem diferentes propriedades no produto, especialmente em relação à fusibilidade e

solubilidade.

Quanto a fusibilidade, os polímeros sintéticos, podem ser classificados em

termoplásticos e termorrígidos. Os primeiros são aqueles que podem ser fundidos por

aquecimento e solidificados por resfriamento. Já os últimos são infusíveis e insolúveis, não

permitem reprocessamento.

Os polímeros podem ainda ser classificados quanto às propriedades mecânicas, sendo

estas muito importantes para determinar a utilidade do material. Tais propriedades são

caracterizadas pelo modo como os polímeros respondem ás solicitações mecânicas aplicadas,

podendo estas últimas serem do tipo tensões ou deformações. O comportamento das tensões

ou deformações dependem das condições de fabricação do polímero, da temperatura de

trabalho, do tempo e da estrutura química. As principais propriedades avaliadas em um

composto polimérico são o módulo de elasticidade (E), a resistência ao impacto (RI),

resistência a flexão (RF), a deformação (ε), a resistência a tração (RT) e a dureza do material.

Quanto ao comportamento mecânico os polímeros podem ser classificados em três

grupos distintos: elastômeros, plásticos e fibras.

8

Os plásticos são materiais sólidos na temperatura ambiente. Podem ser subdivididos

em termoplásticos e termorrígidos. Segundo definição de Canevarolo (2002), os

termoplásticos são plásticos que podem ser fundidos quando submetidos a valores suficientes

de temperatura e pressão e voltam ao estado sólido quando é retirada a solicitação. Podem

passar por esse processor sucessivas vezes, sendo recicláveis, portanto. Já os plásticos

termorrígidos, quando submetidos a valores adequados de temperatura e pressão, amolecem e

fluem. Mas quando submetidos novamente a esses valores, não sofrem nova influência,

sendo, portanto não-recicláveis.

Os elastômeros por sua vez, podem deformar-se rapidamente à temperatura ambiente

retornando ao comprimento original quando cessado o esforço. Tais características são

possíveis pois os elastômeros apresentam cadeias flexíveis amarradas uma às outras, com

baixa densidade de ligação cruzada. As propriedades mecânicas, físicas e termodinâmicas dos

polímeros semicristalinos dependem da morfologia e do grau de cristalinidade. Quanto maior

é a cristalinidade, maiores são os valores de densidade, rigidez, estabilidade dimensional,

resistência química, resistência á abrasão, temperatura de fusão, temperatura vítrea,

temperatura de utilização, entre outros, conforme (CANEVAROLO, 2002).

Por fim, tem-se as fibras, que são materiais termoplásticos orientados (com um sentido

longitudinal do eixo principal da fibra), satisfazendo a condição geométrica do comprimento

ser no mínimo cem vezes maior que o diâmetro (L/D ≥ 100) (CANEVAROLO, 2002). A

orientação das cadeias e dos cristais, feitas de modo forçado durante a fiação, aumenta a

resistência mecânica desta classe de materiais, tornando-os possíveis de serem usados na

forma de fios finos.

Devido às variações nas propriedades dos polímeros ocasionada pelo comprimento da

molécula e da massa molecular, a variação de suas propriedades é esperada. Quando a

molécula é pequena, pequenas variações provocam grandes mudanças nas suas propriedades

físicas. Essas alterações tendem a ser menores com o aumento do tamanho da molécula. A

Figura 1, apresenta a variação de uma propriedade física geral com o aumento da massa

molecular. Esta variação é assintótica (crescente ou decresecente), tendendo para um valor

que normalmente é usado para referenciamento.

9

Figura 1- Propriedades apresentadas pelos polímeros variam de forma característica assintótica

com o aumento de sua massa molecular (CANEVAROLO, 2002).

Nem todos os compostos de baixa massa molecular geram polímeros. Para sua síntese,

é necessário que pequenas moléculas (monômeros) se liguem entre si para formar a cadeia

polimérica. Assim, cada monômero deve ser capaz de se combinar com outros dois

monômeros no mínimo, para ocorrer a reação de polimerização. Os números de pontos

reativos por molécula é chamado de funcionalidade, portanto o monômero deve ter

pelo menos funcionalidade 2. A bifuncionalidade pode ser obtida com a presença de

grupos funcionais reativos e/ou duplas ligações reativas (CANEVAROLO, 2002).

Quanto as propriedades dinâmico-mecânicas, estas são influenciadas pelas

propriedades dos seus componentes e pela morfologia do sistema. Os polímeros apresentam

comportamento viscoelástico, ou seja, após serem deformados apresentam comportamento

elástico e plástico, conforme Oliveira (2013). Ou como explica Cruz (2006), quando um

polímero é solicitado em uma tensão cíclica, por exemplo senoidal, a resposta a esta tensão

também será uma deformação do tipo senoidal, porém atrasada em relação á tensão inicial.

O material polimérico quando sofre deformação, tem parte da energia armazenada

como energia potencial e outra parte é dissipada como energia térmica, sendo esta

manifestação o amortecimento mecânico ou atrito interno, conforme Cruz (2006). Pode-se

avaliar as propriedades mecânicas a partir de uma solicitação, na forma de deformação ou na

aplicação de uma tensão, monitorando-se a resposta do material (CASSU, 2005). Assim

sendo, a análise DMTA permite avaliar a dependência de temperatura de propriedades visco-

elásticas, determinando o módulo de elasticidade aplicando-se uma força oscilatória na

10

amostra. A análise de DMTA é capaz de fornecer informações sobre o comportamento

viscoelástico do sistema, desmenbrando-o em duas componentes: viscosa e elástica.

Dependendo da resposta obtida, o material pode ser classificado como elástico ou

viscoso. Para a aplicação de uma tensão senoidal:

ε = ε0 . senωt (2.1)

A resposta será:

σ = σ0 . sen(ωt + δ) ou (2.2)

σ = σ0 . cosδ sen ωt + σ0senδ cosωt (2.3)

Para um material perfeitamente elástico ou Hookiano, a deformação é proporcional à

tensão aplicada, tendo um ângulo de fase ígual a zero.

Para um material viscoso ideal (Newtoniano) a deformação e a tensão aplicada

apresentam uma relação igual a viscosidade , tendo um ângulo de fase igual a 90º.

Para um material viscoelástico, a deformação e a tensão aplicada descrevem um

comportamento intermediário,tendo um o ângulo de fase entre 0º e 90º.

É possível obter o módulo de amortecimento (elástico) e o módulo de perda

(viscosidade), dividindo-se a tensão pela deformação, conforme abaixo:

E* = 𝜎

=σ0 cos 𝛿𝑠𝑒𝑛ωt

ε0senωt+

σ0 sen 𝛿𝑐𝑜𝑠ωt

ε0senωt=

σ0

ε0𝑐𝑜𝑠𝛿 +

σ0

ε0𝑠𝑒𝑛𝛿

cosωt

senωt (2.4)

E’ = σ0

ε0 . 𝑐𝑜𝑠𝛿 = E* .cosδ (2.5)

E” = σ0

ε0 . 𝑠𝑒𝑛𝛿 = E

* .senδ (2.6)

A tanδ fornece o fator de perda ou damping, que expressa a capacidade de um material em

converter energia mecânica.

E"

E′=

𝑠𝑒𝑛𝛿

𝑐𝑜𝑠𝛿= 𝑡𝑎𝑛𝛿 (2.7)

2.2 Degradação de Polímeros

Muitos são os fatores que afetam as propriedades mecânicas dos polímeros e

consequentememente influenciam nos resultados dos ensaios mecânicos. Entre eles:

11

a) Fratura Mecânica – que apresenta uma falha macroscópica.

b) Perda de Cor ou Esbranquiçamento: ocorre quando submetido a stress ou tensão. O

embranquecimento do material deve-se a variações nos índices de refração, reflexão, etc.

c) Diminuição das Propriedades Mecânicas: como resistência ao impacto, módulo de

elasticdade, tensão na ruptura, entre outros.

d) Degradação Térmica: quando o material é submetido à valores específicos de temperatura,

o polímero pode sofrer degradações em suas moléculas. A degradação do polímero pode

ocorrer, quando o material é submetido a fatores externos, como exposição à luz solar e a

agentes químicos.

Segundo Coelho (2002), há alguns mecanismos de degradação térmica que procuram

explicar as mudanças ocorridas na estrutura do polímero. Dentre elas a depolimerização e a

reação de grupos funcionais.

A depolimerização ocorre quando as cadeias dos polímeros são quebradas em alguns

pontos, já a reação de grupos funcionais presentes no polímero em questão, iniciam o

processo de cissão em suas cadeias.

e) Fotodegradação: ocorre quando o material é exposto à radiação ultravioleta. Nesta

condição, os materiais poliméricos sofrem reações químicas oxidativas que podem levar o

material à falha (RABELLO, 1997). Este processo ocorre através da absorção de luz ou por

aditivos que transferem esta energia para o polímero. Esta energia é capaz de formar radicais

ativos que ocasionam a decomposição das cadeias poliméricas (COELHO, 2002).

f) Degradação Atmosférica: outros fatores externos também podem gerar degradação do

polímero, como oxigênio, ozônio e outros poluentes atmosféricos. Estes elementos reagem

com os polímeros formando radicais reativos que promovem a cissão das cadeias poliméricas

(COELHO, 2002).

2.3 – Durabilidade do Polímero Quando Submetido ao Processo de Fadiga

O processo de fadiga pode ser entendido como uma mudança nas propriedades do

material decorrentes da aplicação repetida de forças que podem levar à falha do material.

A fadiga pode ocorrer sob solicitações bastante inferiores ao limite de resistência à

tração ou ao limite de escoamento, isso ocorre porque sob carregamento ciclíco, a deformação

plástica gerada na ponta da trinca não tem tempo de relaxar durante os períodos em que é

submetido a uma força de carregamento. Assim sendo, o mecanismo da deformação plástica é

controlado e o começo da falha é acelerado (CRUZ, 2006).

12

O processo de formação da falha por fadiga inicia-se com a formação de pequenas

nucleações em uma seção inicialmente ilesa e à seguir tem-se a propagação das mesmas de

uma maneira estável até resultar em fraturas catastrófica.

A falha por fadiga não ocorre repentinamente, há alguns estágios que acontecem antes

da falha catastrófica, listadas à seguir:

a) Ocorre a nucleação, devido às mudanças subestrutural e microestrutural.

b) Surgem as fissuras microscópicas.

c) Ocorre o crescimento das micro trincas, podendo, eventualmente, tornar-se trincas

macroscópicas, levando à fratura catastrófica.

d) Ocorre a propagação estável da trinca.

e) Fratura catastrófica.

Este processo ocorre em tensões e frequências relativamente baixas e resulta em uma

vida maior de fadiga. À tensões e frequências relativamente maiores, ocorre o aquecimento

por histerese do polímero e o calor gerado a partir de fadiga mecânica não pode ser dissipado

para o meio ambiente afetando as propriedades físicas e mecânicas (MARK, 2004).

As micro trincas que são formadas no interior do material, originam-se geralmente das

imperfeições intrínsecas ao material, oriundas do processo de fabricação ou condições

impróprias de processamento. Esse pequenos defeitos quando são submetidos a algum tipo de

carga, funcionam como concentradores de tensão, propagam e levam a falha do componente

em um tempo inferior ao previsto.

São vários os fatores que podem contribuir para o surgimento da fadiga em polímeros,

como a degradação química ou oxidação, a natureza do carregamento (implicando em

variação simultãnea de tensão e deformação), a natureza viscoelástica do material, os tipos de

esforços de solicitação e ainda a baixa condutividade térmica e a alta histerese do material,

levando ao aumento de temperatura durante o processo de fadiga, levando à falha por

amolecimento do material (CRUZ, 2006).

Desta forma, tem-se dois tipos de falha por fadiga: a falha mecânica e a falha térmica.

Pode-se determinar a magnitude do aquecimento por histerese através da equação:

Δenergia = π δ2 J’’ ou Energia = π f J” função (f, T) δ2 (2.8)

O aumento na temperatura por unidade de tempo, fica:

13

ΔT = 𝜋 𝑓 𝐽” (𝑓,𝑇)δ2

𝜌 𝑐𝜌 (2.9)

O polipropileno apresenta elevado valor de J” (entre 0,5 e 5 x 10-11cm2/dina), desta

forma, a falha para este material será quase que exclusivamente por aquecimento por histerese

(CRUZ, 2006). A influência da frequência na ocorrência da fadiga térmica é descrita pela

literatura em alguns estudos, como é possível verificar na figura 2, logo abaixo.

Figura 2 – Exemplo da influência da frequência na fadiga térmica e mecânica (VAIDYA, U. K; GOEL, A.;

CHAWLA)

Vale ressaltar, que a ocorrência da fadiga térmica em plásticos depende não somente

da frequência de carregamento e da tensão aplicada, mas também das características térmicas

e de amortecimento do material (CRUZ, 2006).

2.4 Propagação da Trinca

Há inúmeros modelos de propagação de trincas por fadiga que são capazes de

descrever o comportamento em fadiga de um material sujeito a uma amplitude de

carregamento constante (HAAG et al, 2013). Desta forma, a equação de Paris-Erdogan para a

taxa de propagação da trinca, pode ser utilizada.

14

A equação PARIS-ERDOGAN (1963), relaciona a taxa de propagação da trinca

(da/dN) e a amplitude do fator de intensidade de tensões (ΔK).

𝑑𝑎

𝑑𝑁= 𝑍 𝛥𝐾m , onde: (2.10)

a é o comprimento da trinca e N é o número de ciclos. Já o Z e o m são constantes do

material, que variam com o meio, a temperatura e a frequência. ΔK por sua vez, é a variação

do fator intensidade de tensão.

ΔK = Y (ΔS) √𝑎 , onde: (2.11)

Y = fator da geometria estrutural da trinca

A Lei de Paris-Erdogan, mostra que a estimativa de vida de fadiga é extremamente

suscetível às condições iniciais do material, como falhas preexistentes, propagação inicial de

trinca e mudanças na forma.

De acordo com Strohaecker (2003), a partir da Lei de Paris-Erdogan pode-se

quantificar a resistência à propagação de uma trinca pré-existente em um componente

submetido a um carregamento cíclico. Com isso, pode-se prever a vida residual ou

estabelecer os intervalos necessários de inspeção para que esta opere dentro de limites

aceitáveis de segurança. Esta lei ainda permite a obtenção de critérios para a seleção de

materiais para uma determinada aplicação além de poder comparar as características quanto

a fadiga no desenvolvimento de novas ligas.

Como aparece na figura 3, (SISQUINI, 2001), a curva apresenta três regiões

características. A região I, apresenta o comportamento da propagação de trinca para baixas

tensões. O valor de ΔKth, também conhecido como limiar de propagação, abaixo do qual a

taxa de propagação não é observada. A inclinação desta região é geralmente muito íngreme.

Conforme a trinca começa a crescer, ocorre a redução da aceleração da trinca, levando à

região II (CRUZ, 2006). A região II ou de Paris-Erdogan, apresenta uma variação linear, que

é própria do modelo Paris-Erdogan. Na região III, as taxas são bastante elevadas. A variação

do fator de intensidade de tensão tende a um valor Kc, que caracteriza uma propagação

extremamente rápida e instável da trinca, chegando à fratura do material (MAZELLA, 2007).

15

Figura 3 – Taxa de propagação de trincas por fadiga versus ΔK

Segundo Cruz (2006), a ponta da trinca é o local mais fortemente tracionada. O

material localizado neste local e na sua vizinhança, pode ser capaz de conduzir calor

suficiente para evitar o aquecimento elevado da amostra. Desta forma, o aumento da

frequência não é tão prejudicial ao surgimento da falha quanto seria se não houvesse a

dissipação térmica.

É possível calcular o número de ciclos necessários para que o tamanho da trinca cresça

desde um valor inicial, a0, até o valor final af. Partindo de:

𝑑𝑎

𝑑𝑁= 𝑓 (𝛥𝐾, ΔKth, ΔKc, R) (2.12)

R = 𝜎𝑚í𝑛

𝜎𝑚á𝑥=

𝐾𝑚í𝑛

𝐾𝑚á𝑥 (2.13)

E, rearranjando a equação (2.12), escrevendo dN em função de da, e integrando-se os

extremos, tem-se:

16

ΔN = ∫ 𝑑𝑁 = 𝑁𝑓

𝑁0∫

𝑑𝑎

𝑓 (𝛥𝐾,𝛥𝐾𝑡ℎ ,𝛥𝐾𝑐 ,𝑅)

𝑁𝑓

𝑁0 (2.14)

Esta equação pode ser utilizada para aprevisão de vida útil do material.

17

CAPÍTULO 3

3 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1 Materiais Poliméricos

Polímeros são materiais compostos por macromoléculas. Essas macromoléculas são

cadeias compostas pela repetição de uma unidade básica, chamada mero. Daí o

nome: poli (muitos) + mero (GORNI, 2003). A matéria prima que origina o polímero é o

monômero, que por sua vez tem a sua origem nos combustíveis fósseis como petróleo ou gás

natural, como nos informa GORNI (2003). Sendo esta a fonte mais barata para obtenção do

polímero.

Os polímeros são divididos em três categorias, a saber: termoplásticos, termorrígidos e

elastômeros.

Termoplásticos: são comercialmente conhecidos como plásticos. É um polímero

reciclável, podendo ser fundido diversas vezes e apresentam propriedades mecânicas

variáveis, podendo ser maleáveis, rígidos ou frágeis.

Termorrígidos: são polímeros que apresentam estabilidade em relação às variações de

temperatura. São rígidos e muitos frágeis ao mesmo tempo. Apresentam uma grande

desvantagem que é o fato de não poderem ser reciclados, levando centenas de anos para serem

decompostos.

Elastômeros: também conhecidos como borrachas, apresentam excelente elasticidade,

mas também não são recicláveis devido à incapacidade de serem fundidos.

Os polímeros são utilizados pela população há muitos anos. Segundo MARQUES

(2009), desde os tempos mais remotos o homem tem usado polímeros naturais como amido,

celulose e seda, entre outros. Já a partir da primeira metade do século XX, quando o Químico

alemão Hermann Staudinger (1881-1963), descobriu o processo de polimerização, a síntese de

polímeros deixou de ser apenas um fenômeno natural (MARQUES, 2009). Após a descoberta

do processo de polimerização, o uso dos polímeros no cotidiano só vem aumentando. Isso se

deve as características dos polímeros como baixa densidade, alta elasticidade, grande

resistência ao impacto, elevada resistência a corrosão, baixa temperatura de processamento,

além de serem isolantes térmicos e elétricos. Estas características fazem com que os

polímeros possam substituir os metais e as cerâmicas em diversas situações.

18

Materiais poliméricos são componentes orgânicos de elevado peso molecular, produto

de reações de polimerização por adição ou condensação de diferentes componentes básicos

(CALLISTER, 2007).

Os materiais poliméricos podem ser classificados em dois tipos, termorrígidos e

termoplásticos, dependendo da influência da temperatura em suas características

(CALLISTER, 2007).

Um polímero pode ser amorfo ou cristalino. O polímero cristalino é aquele em que os

átomos ou moléculas estão alinhados em posições relativamente definidas e ordenadas. Já os

polímeros amorfos são aqueles em que os átomos não têm qualquer ordenamento geométrico

(CANEVAROLO, 2002).

Os materiais termoplásticos amolecem com o aquecimento e eventualmente fundem,

retornando ao estado sólido com o resfriamento. O polipropileno, é um exemplo de material

termoplástico (CALLISTER, 2007).

Tabela 1 - Comparação das propriedades entre termoplásticos e termorrígidos. (SANTOS, 2006)

3.2 Materiais Termoplásticos

O polipropileno é um termoplástico que é originado pelo monômero propileno

(C3H6). É polimerizado por um processo de reação de poliadição e a massa molar varia

entre 80.000 e 500.000. É um polímero semicristalino que possui uma densidade aproximada

de 0.90 – 0.91 g/cm3 e índice de refração 1.45. A temperatura de transição vítrea e a

temperatura de fusão estão em torno de -18°C e 165°C, respectivamente. É um polímero com

alta cristalinidade, em torno de 60 a 70%, por isso a sua resistência mecânica e a sua

dureza são relativamente boas. O módulo de elasticidade do material varia entre 1.14 – 1.55

GPa. A resistência à tração varia entre 31.0 – 41.4 MPa. A resistência ao escoamento

apresenta valores da ordem de 31.0 – 37.2 MPa. Já o alongamento varia entre 100 – 600%,

(CALLISTER, 2007).

19

Figura 4 - Estrutura do Polipropileno

Figura 5 - Macromolécula de Polipropileno

Termoplástico é um polímero que, a uma certa temperatura, apresenta elevada

viscosidade podendo ser conformados e moldados. É um material polimérico sintético, que,

quando sujeito à ação do calor, é facilmente deformado podendo ser remodelado e voltando

ao seu estado inicial (sólido) quando submetido ao resfriamento (HARPER, 2000).

O campo de aplicação dos polímeros tem sido largamente ampliado nos últimos anos,

ocupando espaços antes pertencentes aos outros materiais como às cerâmicas e os metais

(RODRIGUES, 2007).

O baixo custo do material aliado à sua versatilidade, fazem do propileno um polímero

de interesse para a indústria e para a ciência (MACHADO, 2002).

Os materiais termoplásticos apresentam características favoráveis à sua utilização e

produção, como baixo custo de produção, alta tenacidade à fratura, boa resistência ao

impacto, boa resistência à propagação de microtrincas, fácil controle de qualidade e a

possibilidade de reciclagem de matéria-prima (FERREIRA, 1999).

3.3 Fadiga Mecânica

O estudo da fadiga se faz necessário um vez que do número total de falhas, aquelas

provocadas por fadiga representam 50% a 90% (ROSA, 2002). Segundo FERREIRA (2001),

fadiga é um tipo de falha mecânica, causada primariamente pela aplicação repetida de

carregamentos variáveis, sendo caracterizada pela geração e propagação lenta e gradual de

20

trincas que levam à ruptura e ao colapso súbito do componente. Este tipo de falha pode

ocorrer ainda no regime elástico do material, ou seja, sob solicitações bastante inferiores ao

limite de resistência. A fadiga é um processo progressivo, mas a ruptura é brusca, causando

sérios danos. As falhas por fadiga sempre têm início com uma pequena trinca, pré-existente

pela manufatura do material ou que se desenvolveu ao longo do tempo, pelas deformações

cíclicas, ao redor dos pontos de concentração de tensões (MILFONT, 2013).

É possível identificar as seguintes sequências quando ocorre a falha do material por

fadiga: a trinca é inicialmente formada a partir de minúsculas imperfeições no material

(originando as nucleações). Se estes pontos de imperfeição forem submetidos a tensões

consecutivas e constantes, terá início a propagação da trinca. Chegando finalmente a ruptura

do material devido ao crescimento instável da trinca. É importante ressaltar que as condições

para a nucleação e a velocidade de propagação da trinca são influenciadas por diversos

fatores, tais como: carregamento, geometria, microestrutura do material, fatores ambientais

(temperatura, meio, umidade, etc.) e processos de fabricação (tensões residuais, acabamento

superficial, defeitos, etc.) (FERREIRA, 2001).

O ensaio de fadiga é um método utilizado para especificar os limites de tensão e de

tempo de uso de um produto, peça ou elemento de máquina (SCALET et AL, 2013). Os

aparelhos de ensaio de fadiga são constituídos por um sistema de aplicação de cargas, que

permite simular esforços das condições reais de trabalho, e por um contador de número de

ciclos (SCALET et AL, 2013).

Normalmente os resultados de um ensaio de fadiga são representados por uma curva

S-N, ou curva de Wöhler, onde se relaciona a tensão ao número N de ciclos até a ruptura. À

medida que se diminui a tensão aplicada, o corpo de prova resiste a um maior número de

ciclos. Quando o material atinge o ponto de tensão máxima, a curva S-N, torna-se

praticamente horizontal. A partir deste momento o corpo de prova não mais sofrerá fratura

mecânica e o número de ciclos para o rompimento da peça torna-se praticamente infinito.

VAIDYA et al (2013), estudaram o comportamento de um termoplástico reforçado

com fibras longas. As fibras de vidro longas são freqüentemente utilizados em aplicações

estruturais onde o carregamento cíclico é importante. Assim, a caracterização do

comportamento em fadiga é muito importante. Muitos fatores influenciam o comportamento

em fadiga, tais como: condições de processamento, tamanho da fibra, orientação com relação

ao eixo de carregamento, descontinuidades na matriz do polímero, propriedades da matriz,

propriedades interfaciais e condições de teste. Dois métodos comuns de fabricação de

termoplásticos reforçado com fibras longas são molde de extrusão – compressão e injeção. As

21

fibras tendem a se orientar ao longo da direção que conduz a propriedades mecânicas

superiores ao longo da direção do fluxo. O comprimento das fibras também é importante para

o estudo de fadiga dos materiais reforçados. As fibras longas transportam uma fração

significativa de carga a mais em comparação com fibras curtas. Ainda há locais de menor

concentração de tensão (extremidades das fibras) se comparado com fibras curtas.

Os resultados da caracterização microestrutural mostram que a orientação das fibras é

anisotrópica. Foi designado a orientação do compósito paralelo ao eixo longitudinal do fluxo

e perpendicular ao eixo como transversal. A maior parte das fibras estavam alinhados ao

longo da direção do fluxo. O teste de tração mostrou que quando a amostra é carregada em

tensão ou fadiga, a maior parte das fibras nas amostras longitudinais são carregados para a sua

força máxima, enquanto na transversal apenas uma pequena fração das fibras é carregada para

a força máxima. Assim, as amostras longitudinais apresentam melhor performance do que as

amostras transversais. Já o teste de tração demonstrou que as amostras longitudinais

apresentaram melhor performance do que as amostras transversais na frequência de 10Hz.

Resultados semelhantes foram encontrados para as amostras testadas a 15 e 20Hz. O melhor

desempenho na direção longitudinal indica que o módulo de elasticidade é o responsável por

este comportamento. O aumento da frequência diminui a vida nas duas amostras.

Pode-se concluir do trabalho que a orientação das fibras representam um importante

papel nas propriedades de fadiga e tração nas amostras dos polímeros reforçados com fibras

longas. As longitudinais apresentaram melhor desempenho do que as transversais. Amostras

submetidas a uma frequência menor tiveram maior tempo de vida do que aquelas testadas

com frequencia mais alta. Isto se deve ao aquecimento de histerese, que ocorre em altas

freqüências e também devido à baixa condutividade térmica da matriz de polímero. Em altas

freqüências há menos tempo para a dissipação de calor para o ambiente, o que levou ao

aumento da temperatura e falha da amostra. A vibração foi medida em termos de resposta de

frequencia e relação de amortecimento. Os resultados indicaram que a fibra de vidro /

polipropileno, apresentaram melhores resultados qualitativamente devido a orientação

preferencial da fibra e ao processo de moldagem por compressão.

Para KULTURAL et al (2006), os materiais poliméricos devem ser classificados de

acordo com o mecanismo de falha que eles apresentam. Este fenômeno depende basicamente

da frequência e da amplitude da carga cíclica e da natureza viscoelástica do material. Se a

frequência aumenta, a temperatura também sobe, causando um amolecimento na estrutura,

provocando uma falha por fadiga térmica. Um outro modo de falha é a propagação de trincas

até atingir um tamanho crítico provocando uma falha por fadiga mecânica. No trabalho foram

22

realizados testes de fadiga a três diferentes concentrações de CaCO3 (0%, 20%, e 40%) em

polipropilenos, onde as amostras foram produzidas por moldagem em injeção. Ensaios de

tração foram realizados em diferentes frequências de 23 e 50Hz.

O material utilizado foi o homopolímero isoestáticode polipropileno conhecido como

HE125MO. O material de enchimento da estrutura é o CaCO3 e as razões de enchimento nos

espécimes são 0 (polipropileno puro), 20 e 40% em peso, respectivamente. As três amostras

com composições diferentes foram sujeitas à diferentes cargas cíclicas, com frequência de 23

e 50Hz. Os valores de limite de resistência e o alongamento da quebra foram tomados como

limite para parar o teste. Durante o teste da fadiga, as temperaturas foram medidas até a falha

para obtenção de controle.

Figura 6 – Stress amplitudes vs. log cycles (50Hz) - Kultural et al (2008)

Figura 7 - S–N curves of PP40 and PP0 at 23 Hz - Kultural et al (2008)

23

Figura 8 - S–N curves of all types of materials at different cyclic frequencies (23 vs. 50 Hz) -

Kultural et al (2008).

Pode-se concluir do trabalho que a amplitude de tensão, frequência e tipo de carga são

os maiores fatores que influenciam a falha por fadiga. No trabalho, todas as amostras

falharam por fadiga térmica. A diferença entre a taxa de calor gerado e a taxa de dissipação de

calor para o ambiente que eleva a temperatura do material, depende da amplitude de tensão,

frequência, ambiente, condutividade térmica e capacidade de calor do material. Finalmente,

pode-se dizer que o mecanismo de falha térmica domina as maiores frequências e amplitudes

de tensão com aumento de temperatura até falhar.

OLIVEIRA et al (2009), estudaram a influência da temperatura no desempenho

mecânico de PEI (poli(éter-imida)) enriquecidos com fibra de vidro. Foram utilizados os

materiais PEI, enriquecido com fibras de vidro, confeccionados com tecidos na configuração

8HS e espessura de 1,92 mm e laminados de resina epóxi / fibras de vidro (fabricados com

resina epóxi a 181ºC), fabricados com intuito de comparar os laminados termoplásticos com

os materiais usualmente utilizados na indústria aeronáutica. Foram realizados testes de

microscopia óptica, de digestão ácida (feita com o objetivo de verificar o conteúdo

volumétrico de fibras e matriz nos compósitos), análise térmica (realizada com o intuito de

determinar a temperatura de transição vítrea), ensaios de resistência ao cisalhamento,

resistência a tração (com o objetivo de determinar tanto o valor médio da resistência quanto o

módulo de elasticidade) e ensaios de fadiga (do tipo tração - tração).

24

Figura 9 - Vida em fadiga de dois compósitos: PEI/fibras de vidro e resina epóxi/fibras de vidro -

OLIVEIRA et al (2009).

A figura 9, apresenta os resultados de resistência à fadiga. Pode-se observar que o

laminado PEI / fibra de vidro, apresentou uma queda mais significativa nos valores de

resistência a fadiga, quando analisado em baixo ciclo. Entretanto, em altos ciclos, a situação

se inverte.

Figura 10 - Efeito da temperatura no comportamento em fadiga dos laminados de fibras de carbono/PEI -

OLIVEIRA et al (2009).

A figura 10, apresenta o desempenho mecânico em fadiga dos laminados PEI / fibras

de vidro e epóxi / fibras de vidro. As amostras de PEI / fibra de vidro, apresentaram perdas de

propriedades mecânicas quando avaliadas a temperaturas de 80ºC e a perda em altos ciclos.

Foram observadas quedas nos valores das resistências nos ensaios de resistência a

fadiga, tração e cisalhamento à temperatura de 80°C. Entretanto para os dois últimos o valor

25

não foi significante. Já para os ensaios de fadiga, os valores foram consideráveis. A

diminuição nas propriedades mecânicas se deve a existência de tensões térmicas no interior

dos laminados, resultante do processo de aquecimento das amostras.

O trabalho desenvolvido por FARIA (2012), teve como objetivo contribuir para a

avaliação do efeito higrotérmico na resistência à fadiga de compósitos termoplásticos

PPS/fibras de carbono. Danos por fadiga causam uma redução gradual nas propriedades

mecânicas dos compósitos, tais como resistência e dureza. A fadiga em compósitos reforçados

com fibras contínuas consiste em um fenômeno muito complexo, principalmente quando

associada a fatores ambientais (umidade, temperatura, radiação UV, etc).

Foram realizados testes de condicionamento higrotérmico (controla a alteração do

ganho de umidade no compósito em função do tempo, pela medida da mudança de massa em

amostras de acompanhamento completamente expostas à condição de testes, até que essas

alcancem o estado efetivo de equilíbrio de umidade na estrutura do laminado), ensaios de

tração e ensaios de fadiga.

Os ensaios de resistência à tração foram realizados com o objetivo de caracterizar

a influência do efeito higrotérmico sobre as propriedades mecânicas e avaliar as cargas mais

adequadas a serem utilizadas para a realização dos ensaios de resistência à fadiga dos

compósitos de PPS.

Figura 11 - Curvas representativas do ensaio de tração - FARIA (2012)

Para uma estrutura constituída de compósitos poliméricos o comportamento em

fadiga é uma consideração relevante em aplicações de engenharia, especialmente na

indústria aeroespacial. O estudo do comportamento em fadiga é de suma importância, pois é a

maior causa individual de falhas em materiais sob carregamento constante. A avaliação dos

26

efeitos ambientais no comportamento de vida em fadiga nos compósitos para estruturas

aeroespaciais é tão importante quanto os efeitos nas propriedades estáticas.

Figura 12 - Comportamento em fadiga dos laminados climatizados - FARIA (2012)

Os ensaios de tração constataram que o efeito higrotérmico aumentou a resistência à

tração para os laminados PPS devido, provavelmente, a incorporação das moléculas de água

no compósito diminuindo a rigidez da matriz, aumentando, consequentemente, a sua

tenacidade. Este comportamento pode ter sido provocado, principalmente, pela expansão

do volume da matriz polimérica e pela ocorrência de um maior distanciamento das

cadeias moleculares. A partir dos ensaios de fadiga, foi observado que o condicionamento

higrotérmico não alterou de forma significativa o comportamento de vida em fadiga dos

laminados PPS. Nesta avaliação, foram observados pequenos decréscimos de valores da

tensão de resistência à ruptura para estes laminados. Este fato se deve à baixa absorção de

umidade da matriz PPS associada ao compromisso estrutural destas fibras durante os ensaios

de tração-tração em fadiga.

ISHIZAKI et al (2006), estudaram o comportamento do polipropileno reforçado com

fibra de coco verde e o comportamento do material quando submetido à diferentes valores de

frequência e temperatura.

Em compósitos polímero-fibra celulósica, a matriz polimérica é responsável pela

distribuição da tensão aplicada ao compósito e sua escolha é limitada principalmente pela

temperatura necessária ao processamento, já que as fibras lignocelulósicas degradam em

27

temperaturas elevadas. Desse modo, a temperatura de processamento deve ser tal que permita

a obtenção de misturas homogêneas, sem ocorrência de degradação de fibra.

O objetivo do trabalho foi o preparo de compósitos de polipropileno reforçados com

fibras de coco verde em diferentes proporções e obtidos em diferentes temperaturas de

processamento e velocidade de rotação e a avaliação desses compósitos quanto seu módulo de

flexão e características morfológicas. Foi utilizado o homopolímero de polipropileno (PP

1074).

Os ensaios de flexão foram realizados segundo a norma ASTM D790-92, Método I –

Procedimento B, a temperatura de 25 °C e velocidade de ensaio de 1mm/min, com

espaçamento entre barras de 50mm, utilizando o método de três apoios e célula de carga de 1

kN. O teste foi interrompido quando se atingiu 5% de deformação, conforme descrito na

norma.

As velocidades de rotação estudadas foram de 20, 40 e 60 rpm. De um modo geral, os

melhores resultados encontrados foram a 60 rpm, principalmente quando maiores teores de

carga foram usados. Tal comportamento evidencia que a homogeneidade da mistura exerce

forte influência sobre o módulo de flexão já que quanto maior a rotação, maior também é o

cisalhamento, resultando em uma mistura mais homogênea.

Neste trabalho foram empregadas temperaturas de 170, 180 e 190 °C. Os melhores

resultados do ensaio de flexão foram obtidos na temperatura de 170 °C.

Figura 13 - Valores de módulo de flexão para o PP e suas composições com fibra de coco verde em função da

velocidade de rotação a 170 ºC - ISHIZAKI et al (2006).

28

Figura 14 - Valores de módulo de flexão para o PP e suas composições com fibra de coco verde em função da


Figura 15 - Valores de módulo de flexão para o PP e suas composições com fibra de coco em função da


Pode-se concluir do trabalho que dentre as condições de processamento, a temperatura

de 170 °C, a velocidade do rotor de 60rpm e o teor de fibra de coco verde de 30% forneceram

o melhor desempenho quanto a flexão, conforme corroborado pelas análises de microscopia

eletrônica de varredura.

Neste trabalho foi adotado a realização de testes de fadiga do tipo flexão – flexão,

visto que havia uma lacuna existente no estudo de fadiga térmica em polímeros, quando estes

são solicitados a esforços de flexão.

A maioria dos trabalhos publicados relacionados à fadiga de materiais poliméricos está

relacionada com ensaios dinâmicos do tipo tração - tração, que é o tipo de equipamento mais

comum disponível comercialmente. Porém, o que se observa é que grande parte dos

componentes mecânicos feitos em polímeros (reforçados ou não) estão sujeitos a cargas de

flexão variando no tempo. Na indústria automotiva, por exemplo, é comum a ocorrência deste

tipo de carregamentos em componentes tais como para-choques, painel central e painéis de

portas, que são fixados em balanço e devido ao carregamento vertical cíclico, proveniente das

29

irregularidades do piso, provocam esforços de flexão nas fixações. Se o tipo de falha dinâmica

for a térmica, o material pode "amolecer" e falhar por perda excessiva de rigidez (degradação

do módulo elástico do material), o que é bem comum em alguns termoplásticos

(HERTZBERG et al. 1980), gerando vibrações e ruídos excessivos no veículo.

30

CAPÍTULO 4

4.0 – MATERIAIS E MÉTODOS

Utilizou-se neste trabalho, um material termoplástico, devido às suas características

que são bastante desejáveis, como: baixa densidade, facilidade de fabricação, preço mais

acessível que os materiais metálicos, isolantes térmicos e elétricos, excelente resistência à

corrosão, capacidade de amortecimento, boa resistência mecânica, entre outros.

O termoplástico utilizado neste trabalho foi o polipropileno, pois este apresenta

excelentes propriedades físicas quando comparado a outros materiais poliméricos de baixo

custo (CRUZ, 2006). O material possui uma usinabilidade muito boa e pode ser soldado

através de termofusão. O polipropileno é utilizado na fabricação de tanques, ductos para

líquidos ou gases, aparelhos ortopédicos, parafusos, arruelas, cepos para corte, peças

estruturais, painéis para isolamento de motores, peças e elementos para máquinas e balancins

entre outros.

O polipropileno deve ser visto como um conjunto de três tipos: homopolímero,

copolímero alternado e o copolímero estatístico (ou randômico). Os três tipos de polímeros

podem ser modificados e adaptados às utilizações específicas através das técnicas de

formulação ou compostagem.

O copolímero estatístico de polipropileno se obtém através da adição de eteno

ao propeno. O produto é um pouco mais resistente ao impacto do que o homopolímero, mas

há uma melhoria acentuada da transparência. O copolímero alternado é fabricado em duas

etapas na polimerização. O homopolímero, produzido na primeira etapa, é em seguida

copolimerizado com o eteno. A proporção do eteno é bem mais elevada do que na

produção do copolímero estatístico. A parte copolimerizada se torna emborrachada, o que

permite melhorar a absorção da energia no impacto.

Em termos ambientais, o polipropileno tem bastante aceitação, pois é reciclável e

fácil de incinerar.

O polipropileno é um material muito versátil, podendo ser utilizada em uma grande

variedade de produtos finais e em diversos segmentos de mercado. Os principais processos de

transformação pelos quais a resina de polipropileno pode passar são: injeção, filme, fibra,

extrusão, ráfia e sopro.

31

A injeção é uma das técnicas de processamento mais utilizadas para converter a resina

de polipropileno em produtos finais. A máquina injetora promove a plastificação do polímero

de forma rápida e uniforme, mantendo a composição e temperatura da massa homogênea, para

assim transmitir o material fundido através dos canais de injeção de um molde. O material é

então refrigerado dentro do molde, de forma a permitir a sua solidificação. Como exemplo de

materiais fabricados por esse processo, têm-se as os parachoques, revestimentos internos e

painéis de instrumentos.

Já o processo de extrusão, consiste em fazer passar a massa polimérica moldável por

dentro de um cilindro aquecido por meio da ação bombeadora de uma ou duas roscas sem fim,

promovendo o cisalhamento, homogeneização e plastificação do material. Posteriormente, o

material passa em uma matriz com o perfil desejável, de forma contínua. O material

extrudado pode ser enrolado em bobinas, cortado em peças de dimensões especificadas, ou

cortado em grânulos reguladores, com uma faca rotativa. Por este processo podem ser

fabricados tubos, perfis, filmes, fibras e ráfia em polipropileno.

No processo de fabricação de fibras, o material no final da extrusora é forçado passar

por uma matriz com vários orifícios, formando filamentos. Esses filamentos passam por um

resfriamento e por um conjunto de rolos, formando as fibras.

Ráfia é o nome empregado às fitas planas produzidas por extrusão. O material é

extrudado formando um filme tubular e, posteriormente cortado em diversas partes resultando

em fitas, as quais são orientadas, tracionadas e enroladas em cilindros (HOLZSCHUH et al,

2008). É utilizada na fabricação de embalagens.

Na fabricação de filmes, após extrudado, o material passa por um conjunto de

cilindros e rolos para reduzir e controlar a espessura do filme (PASQUINI, 2005).

A principal utilização do processo de sopro se encontra na fabricação de garrafas e

recepientes plásticos, que é o principal mercado do sopro. Neste processo, o polímero fundido

proveniente de uma extrusora é expulso de uma fenda onde está o molde do recepiente a ser

utilizado. Neste momento, um fluxo de ar prevíamente dimensionado é soprado para dentro

do molde herméticamente fechado, fazendo com que o polímero assuma a forma do mesmo.

Existem diversos tipos de máquinas de sopro, com diferenciações entre o tipo de recepiente e

o volume de produção.

O material polimérico utilizado neste trabalho é um polipropileno fornecido pela FIAT

Indústria Automotiva.

Os corpos de prova para o presente projeto foram ensaiados até a obtenção da fratura

térmica (não foi verificado fratura mecânica), ou seja, quando houve uma perda acentuada de

32

rigidez e de resistência mecânica do corpo de prova. O critério de falha utilizado, estabeleceu

uma percentagem de perda de rigidez máxima do material, na qual foi considerada que ela

falhou (ou seja, perdeu a sua função estrutural). Foi adotado a perda de pelo menos 20% da

força inicial, como critério de fadiga térmica. Percentual este adotado como critério por

alguns autores. Foram utilizados 5 amostras para cada condição de temperatura e frequência.

A Figura 16 mostra uma foto do corpo de prova, segunda a norma DIN 53442 (1990-09).

Figura 16 - Corpo de Prova Polipropileno

4.1 – Ensaio de Flexão em Três Pontos

Os ensaio de flexão em três pontos foram feitos nas amostras de fadiga, para avaliar a

rigidez, uma vez que a fadiga térmica pode causar a perda de rigidez do componente.

O equipamento utilizado para os ensaios de flexão foi uma máquina de ensaios

universal SHIMADZU AG-X Plus, do Laboratório de Ensaios Mecânicos da UFSJ. Durante o

procedimento foi utilizada velocidade de ensaio de 2 mm/min.

Figura 17 - Máquina utilizada para ensaios na flexão, SHIMADZU® AG-X Plus.

33

Figura 18 - Detalhe do ensaio de flexão em três pontos

Foram ensaiados 5 corpos de prova, após serem submetidos às condições de estudo

(25ºC e 3Hz, 25ºC e 9Hz e 60ºC e 3Hz). Os ensaios de flexão em três pontos foram realizados

à temperatura ambiente, após as amostras serem submetidas a determinadas condições de

ciclos e temperatura.

O ensaio de flexão em três pontos consiste na aplicação de uma carga crescente em

determinados pontos de uma barra geometricamente padronizada. É utilizada uma barra bi

apoiada em dois pontos, com aplicação de carga no centro da distância entre os apoios.

Se aplicarmos um esforço no centro de uma barra bi apoiada, ocorrerá uma flexão e a

sua intensidade dependerá do local onde essa carga está sendo aplicada. A flexão será máxima

se for aplicada à força no centro da barra, como na figura abaixo:

Figura 19 - Flexão em uma barra bi apoiada

Na máquina de ensaio de flexão, utilizada neste trabalho, os apoios sobre os quais

descansa o corpo de prova são roliços com possibilidade de giro, o que ajuda na diminuição

da fricção ou do atrito do corpo de prova e os suportes.

34

4.2 – Ensaios de Fadiga

O ensaio de fadiga é um método utilizado para especificar os limites de tensão e de

tempo de uso de um produto, peça ou elemento de máquina (SCALET et AL, 2013). Os

aparelhos de ensaio de fadiga são constituídos por um sistema de aplicação de cargas, que

permite simular esforços das condições reais de trabalho, e por um contador de número de

ciclos (SCALET et AL, 2013).

A determinação da vida em fadiga em flexão com controle da temperatura e da

velocidade de carregamento foi realizado por um dispositivo baseado na norma DIN53442

(1990). O modelo esquemático encontra-se na, logo abaixo na figura 20.

Figura 20 - Modelo esquemático do dispositivo para ensaios de fadiga em flexão com controle de temperatura.

Este dispositivo baseia-se em um motor ligado a uma polia com um furo excêntrico

que transforma o movimento de rotação do eixo em um movimento de translação horizontal

para uma biela conectada ao corpo de prova. Através desde deslocamento horizontal na

extremidade da biela, pode-se determinar a tensão máxima no corpo de prova. Com a tensão

máxima e o número de ciclos até a falha, tem-se um ponto da curva S-N. Para determinar os

outros pontos da curva S-N, basta alterar a posição do furo excêntrico da polia, que

conseqüentemente, irá alterar o deslocamento horizontal da biela. O deslocamento utilizado

neste trabalho foi de 8 mm.

Este dispositivo de ensaio de fadiga tem em seu projeto a opção de variação da

frequência de deslocamento da biela, através da variação da rotação do motor, que pode ser

feita através de uma unidade de controle. O mesmo dispositivo de ensaio de fadiga foi usado

dentro de uma câmara com temperatura controlada (forno), com variação de temperatura entre

25ºC e 60ºC. O controle da temperatura dentro do forno foi feito através de termopares,

resistência elétrica e de uma unidade de controle.

Foram utilizados cinco corpos de prova para cada condição de teste (3Hz - 25ºC, 3Hz -

60º, 9Hz – 25ºC).

35

Convém salientar que o forno foi projetado para ser utilizado também em máquinas de

ensaio de tração simples, com abertura em ambas as extremidades (para acesso das garras) e

vidro transparente para viabilizar a utilização de video-extensometria, uma vez que o calor

pode danificar extensômetros mecânicos.

Figura 21 – Dispositivo finalizado

Figura 22 – Detalhe do controlador e do motor

36

Figura 23 – Detalhe do controlador e do motor

Nos ensaios de fadiga, foi utilizada a frequência fixa de 3Hz para as temperaturas de

25ºC e de 60ºC, e 9Hz para a temperatura de 25ºC. As temperaturas foram mantidas

constantes através da utilização de um termopar e de um controlador. Durante a realização dos

testes, não foi verificado aumento significativo da temperatura dos corpos de prova.

Figura 24 – Detalhe do Controlador e Termopar

Após o processo de fadiga, os corpos de prova eram submetidos ao teste de flexão em

três pontos. Vale ressaltar, que os três pontos da máquina Shimadzu AG-X Plus, apresentam

pontas arredondadas que permitem a movimentação das amostras quando da aplicação das

cargas. A máquina foi calibrada para uma velocidade de 2mm/min. Ao tocar o corpo de

prova, o deslocamento era zerado e a carga aplicada.

37

4.3 Ensaios Mecânicos de Tração

O ensaio de tração consiste na aplicação de carga de tração uniaxial crescente em um

corpo de prova até a sua ruptura. Os esforços ou cargas são medidos na própria máquina de

ensaio.

No ensaio de tração o corpo é deformado por alongamento, até o momento em que se

rompe. Os ensaios de tração permitem conhecer como os materiais reagem aos esforços de

tração, quais os limites de tração que suportam e a partir de que momento se rompem.

Figura 25 – Representação de um corpo de prova antes e após o teste de tração

Os ensaios de tração foram realizados foram realizados no Centro de Inovação e

Tecnologia em Compósitos (CITeC) da UFSJ, utilizando-se uma máquina universal de

ensaios da Shimadzu, modelo AG-X Plus, com capacidade de 100 kN (figura 26). Para este

ensaio foi usado a norma ASTM 638.

38

Figura 26 - Máquina utilizada para ensaio de tração

Foram ensaiados três corpos de prova a uma velocidade de ensaio de 5mm/min.

4.4 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)

O microscopio eletrônico de varredura permite a observação e a caracterização de

diferentes tipos de materiais, a partir da emissão e interação de feixes de elétrons sobre uma

amostra, sendo possível caracterizá-los do ponto de vista de sua morfologia e sua organização

ultraestrutural. O MEV apresenta intervalo bastante abrangente na sua escala de observação,

variando da ordem de grandeza de milímetro (mm) ao nanômetro (nm).

Um microscópio eletrônico de varredura (MEV) utiliza um feixe de elétrons no lugar

de fótons utilizados em um microscópio óptico convencional, o que permite solucionar

o problema de resolução relacionado com a fonte de luz branca (DEDAVID, 2007).

39

Figura 27 - Desenho esquemático para comparação entre microscópio óptico e microscópio eletrônico de

Varredura (DEDAVID, 2007)

O MEV é um aparelho que pode fornecer rapidamente informações sobre a

morfologia e identificação de elementos químicos de uma amostra sólida. Outra característica

importante do aparelho é a aparência tridimensional da imagem, resultado direto da grande

profundidade de campo. O MEV permite, também, o exame em pequenos aumentos e com

grande profundidade de foco, pois a imagem eletrônica complementa a informação

dada pela imagem óptica (DEDAVID, 2007).

O princípio de funcionamento do (MEV) consiste em utilizar um feixe de elétrons

de pequeno diâmetro para explorar a superfície da amostra, por linhas sucessivas e transmitir

o sinal do detector a uma tela catódica cuja varredura está perfeitamente sincronizada com

aquela do feixe incidente (DEDAVID, 2007).

No trabalho, quatro amostras foram analisadas ao MEV. Uma amostra antes de sofrer

fadiga, e as demais após o processo de fadiga nas três condições estudadas.

Foi utilizado o o microscópio Hitachi TM-3000, do Departamento de Engenharia

Mecânica da UFSJ.

40

Figura 28 - Microscópio eletrônico de varredura (MEV)

4.6 Teste de UltramicroDureza

A dureza é a capacidade que o material tem em resistir à deformação plástica. A

avaliação desta propriedade executa-se fazendo uma indentação com um material mais duro

do que a amostra a ser analisada.

O ensaio de ultramicrodureza pode ser utilizado na caracterização de propriedades

mecânicas de materiais monolíticos e de revestimentos. Além de não necessitar visualizar a

marca de endentação, este tipo de teste permite o emprego de cargas menores, da ordem de

miliNewtons.

Para a realização deste trabalho, foi utilizado o microscópio Shimadzu – Dynamic

Ultra Micro Hardness Tester, conforme figura 29.

41

Figura 29 - Microscópio Shimadzu – Dynamic Ultra Micro Hardness Tester

Foram analisadas quatro amostras, de acordo com cada condição de teste e uma

amostra antes de passar pelo processo de fadiga.

42

CAPÍTULO 5

5.0 – RESULTADOS E DISCUSSÕES

Nesta etapa será apresentado e discutido os resultados dos testes realizados, segundo a

metodologia exposta em Materiais e Métodos. A discussão dos resultados será feita com base

nos objetivos do trabalho e nas referências bibliográficas apresentadas.

A proposta principal do trabalho foi avaliar a durabilidade do polipropileno em ensaios

dinâmicos de flexão. Nestes ensaios de durabilidade, o principal parâmetro avaliado foi a

fadiga térmica, através da variação da temperatura ambiente e da frequência do carregamento.

A fadiga foi verificada através do teste de flexão em três pontos.

5.1 – Ensaios de Flexão em Três Pontos

Os ensaios de flexão foram realizados em cinco amostras em cada condição de teste

especificada (25ºC e 3Hz, 25ºC e 9Hz, 60ºC e 3Hz). Primeiramente era verificado a máxima

força da amostra antes do processo de fadiga. Após esta etapa, a amostra era submetida à

fadiga no dispositivo apropriado, voltando a ser ensaiada na máquina de flexão em três pontos

até ser verificado a perda de pelo menos 20% da máxima força.

43

Tabela 2 – Amostras submetidas à fadiga em 25ºC e 3Hz

Amostras Elástico

(GPa)

Máxima

Força (N)

Máxima

Tensão

(MPa)

Máxima

Deformação

(%)

Amostra 1

(Antes)

2.77643

88.1672 31.7401 1.47748

Amostra 1

(Depois)

1.75641 60.5901 21.8124 1.47943

Amostra 2

(Antes)

1.48987 87.0546

21.5540 1.77522

Amostra 2

(Depois)

0.98324 66.4393

16.4499 1.78145

Amostra 3

(Antes)

1.50017 86.3234

21.2857 1.78092

Amostra 3

(Depois)

1.12452 62.1160

17.9229 1.78832

Amostra 4

(Antes)

1.76571 87.0240

21.7453 1.73391

Amostra 4

(Depois)

1.25489 61.5193

17.9305 1.74364

Amostra 5

(Antes)

1.47655 83.3352

21.2392 1.78054

Amostra 5

(Depois)

1.17366 64.5796

17.4967 1.78229

44


Amostras Elástico

(GPa)

Máxima

Força (N)

Máxima

Tensão

(MPa)

Máxima

Deformação

(%)

Amostra 1

(Antes)

1.52324 88.0241 21.4440 1.79592

Amostra 1

(Depois)

1.28281 69.7282 15.3105 1.78729

Amostra 2

(Antes)

1.52345 86.3711 22.1565 1.74765

Amostra 2

(Depois)

1.15276 70.0991 17.8080 1.79295

Amostra 3

(Antes)

1.58893 87.0069 21.8749 1.76840

Amostra 3

(Depois)

1.07709 61.0511 15.3492 1.76668

Amostra 4

(Antes)

1.55405 85.2108 21.5443 1.75950

Amostra 4

(Depois)

1.18930 68.1634 17.5577 1.76417

Amostra 5

(Antes)

1.54737 87.6586 21.2684 1.79895

Amostra 5

(Depois)

1.16399 70.1216 17.9403 1.80014

45


Amostras Elástico

(GPa)

Máxima

Força (N)

Máxima

Tensão

(MPa)

Máxima

Deformação

(%)

Amostra 1

(Antes*)

1.42898 80.9034 20.9707 1.73718

Amostra 1

(Depois*)

1.00915 30.3835 15.6518 1.73860

Amostra 2

(Antes*)

1.37165 83.0968 20.1716 1.79301

Amostra 2

(Depois*)

1.12184 65.4779 16.6103 1.80043

Amostra 3

(Antes*)

1.26647

82,7789

20.0647 1.80432

Amostra 3

(Depois*)

1.06955

65,9175

16.4624 1.80164

Amostra 4

(Antes*)

1.24348

79,6636

19.2411 1.80292

Amostra 4

(Depois*)

0.91367

60,9384

14.4769 1.80019

Amostra 5

(Antes*)

1.56225

79,0914

20.6387 1.72660

Amostra 5

(Depois*)

1.22467

62,173

15.1698 1.71995

Antes* = Antes de Sofrer Fadiga

Depois* = Depois de Sofrer Fadiga

É possível observar que não houve mudança significativa nos valores da Máxima

Deformação, nos corpos que sofreram fadiga e aqueles que não sofreram. Essa pequena

alteração ocorreu em todas as frequências e temperaturas testadas. Esses valores foram

calculados automaticamente pela máquina de ensaios utilizada nos testes de flexão em três

pontos. Este resultado está de acordo com aquele verificado por CRUZ (2006).

O módulo de elasticidade decaiu em todas amostras após sofrerem fadiga térmica,

como era esperado. O mesmo foi verificado com a máxima força.

46

5.2 – Ensaios de Fadiga

É apresentado nas figuras a seguir, a relação entre a Força (N) e a quantidade de

ciclos. Foi adotado como procedimento para verificação da fadiga térmica, conforme

explicado no capítulo 4, a perda de no mínimo 20% da força inicial, antes de iniciado o

processo de fadiga.

Figura 30 - a) Relação Força x Ciclos (25° C – 3 Hz)

Figura 30 - b) Relação Força x Ciclos (25° C – 3 Hz)

0100002000030000400005000060000700008000090000

100000

Forç

a (N

)

Número de Ciclos

25°C - 3Hz

Amostra 1

Amostra 2

Amostra 3

Amostra 4

Amostra 5

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

100000

0 2,1*10^4 3,2*10^4

Forç

a (N

)

Número de Ciclos

25°C - 9Hz

Amostra 1

Amostra 2

Amostra 3

Amostra 4

Amostra 5

47

Figura 30 - c) Relação Força x Ciclos (25° C – 3 Hz)

Verifica-se que, as amostras submetidas a uma temperatura de 25° C e a 3Hz de

frequência, não apresentaram a fadiga térmica antes de 1,3 x 105 ciclos.

Quando a frequência do teste é triplicada, verifica-se uma diminuição considerável na

quantidade de ciclos necessário para que as amostras sofram fadiga térmica, sendo necessário

um mínimo de 3,2 x 104 ciclos para tal situação.

Mantendo-se a frequência de 3 Hz e aumentando a temperatura para 60° C, verifica-se

uma queda drástica na resistência do material. As amostras não resistiram a mais que 5,4 x

103 ciclos. Em termos de projetos mecânicos, essa extrema sensibilidade ao aumento de

temperatura, torna-se crítica, pois um componente, projetado para ter uma determinada

rigidez à temperatura ambiente, pode vir a falhar (ou ter o seu desempenho prejudicado)

devido a uma variação climática ou a exposição direta aos raios solares.

Essa sensibilidade extrema dos polímeros em relação à temperatura, já havia sido

verificada por AZEVEDO et al (2011), onde foi observado que o módulo de elasticidade

em flexão de um polipropileno pode diminuir em até 60% para um aumento de apenas 35ºC

na temperatura de trabalho (de 25Cº para 60ºC), evidenciando a grande sensibilidade à

variação de temperatura que o polímero pode apresentar.

Segundo estudos realizados por OLIVEIRA et al (2009), para compósitos

termoplásticos de matriz PEI (poli(éter-imida) reforçados com fibras de vidro, foram

observadas quedas nos valores das resistências nos ensaios de fadiga (do tipo tração - tração)

à temperatura de 80°C, quando comparados à temperatura de 25°C. Foi verificada ainda, a

diminuição nas propriedades mecânicas oriundas de ensaios quasi-estáticos de tração,

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

0 5,4*10^3

Forç

a (N

)

Número de Ciclos

60°C - 3Hz

Amostra 1

Amostra 2

Amostra 3

Amostra 4

Amostra 5

48

compressão e cisalhamento, devido à existência de tensões térmicas no interior do material,

resultante do processo de aquecimento das amostras.

A temperatura de 60° C, foi utilizada no trabalho, por essa ser a temperatura

comumente adotada nas montadoras de automóveis onde o polipropileno é frequentemente

utilizado.

A influência do aumento da frequência também foi verificado. Houve uma redução

considerável no número de ciclos necessário para se verificar a ocorrência da fadiga térmica.

A quantidade de ciclos necessária quando a frequência foi triplicada, caiu de forma drástica,

quando comparada com a quantidade de ciclos verificada quando as amostras ficaram sujeitas

a frequência de 3 Hz.

Tal comportamento já era previsto, uma vez que estudos comprovam a relação entre a

tensão máxima e a frequência de carregamento. Os estudos realizados por KULTURAL et al

(2006), para amostras de polipropileno com diferentes porcentagens de CaCO3, demonstraram

que quando a frequência do carregamento aumenta, a temperatura também eleva-se, causando

histerese na estrutura do material, provocando a falha por fadiga térmica. Comportamento

semelhante foi encontrado por VAIDYA et al (2013), verificando que amostras submetidas a

uma frequência menor tiveram maior tempo de vida do que àquelas testadas em frequencia

mais alta.

Não foram realizados testes com a frequência de 9 Hz e temperatura de 60° C, porque

foi verificado que a resitência do polímero nestas condições é irrisória.

Verifica-se portanto a extrema sensibilidade do material estudado quando submetidos

a valores mais altos de temperatura e frequência.

É apresentando a seguir, os resultados da análise de variância (ANOVA) feita para os

testes de fadiga já apresentados.

49

RESI1

Pe

rce

nt

86420-2-4-6-8

99

95

90

80

70

60

50

40

30

20

10

5

1

Mean

0.738

3,473764E-15

StDev 2,922

N 45

AD 0,248

P-Value

Probability Plot of RESI1Normal

Figura 31 – Teste de Normalidade

O teste de normalidade apresentado na figura 31, valida os resultados apresentados

pois obteve-se p-value superior a 0,05.

A análise ANOVA para a força, apresentou valores de R2 (adj) igual a 84,41%.

Tabela 5 – Análise ANOVA

S = 3.230 R-Sq = 87.25% R-Sq(adj) = 84.41%

O R-adj, especifica a confiabilidade da amostra. Os resultados obtidos através da

análise ANOVA, comprova o que foi mostrado nos gráficos de Força x Número de Ciclos

(figuras 30 – a, b, c), ou seja, os maiores valores foram verificados com ciclo 0 e à

temperatura de 25ºC.

5.3 – Ensaios de Tração

As amostras foram submetidas ao teste de tração, antes de passarem pelo processo de

fadiga. Os resultados são apresentados à seguir.

50

Figura 32. a) – Curva Tensão x Deformação de uma amostra de polipropileno

Figura 32. b) – Curva Tensão x Deformação de uma segunda amostra de polipropileno

Figura 32. c) – Curva Tensão x Deformação de uma terceira amostra de polipropileno

51

Os ensaios de tração foram feitos para estimar o deslocamento inicial imposto no

ensaio de fadiga. Com o módulo de elasticidade, as amostras foram simuladas e avaliadas se a

tensão estava abaixo da tensão de escoamento, conforme mostra a simulação a seguir com o

deslocamento estático imposto durante o ensaio de fadiga:

Figura 33. Tensões de Von Mises máximas durante um ensaio estático de flexão.

5.4 – Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV)

É apresentado à seguir as micrografias de uma amostra antes de sofrer o processo de

fadiga.

Figura 34. a) – Amostra antes de sofrer fadiga – Aumento 100x

52

Figura 34. b) – Amostra antes de sofrer fadiga – Aumento 500x

Figura 34. c) – Amostra antes de sofrer fadiga – Aumento 1000x

As micrografias abaixo, são de uma amostra após ser submetida ao processo de fadiga

à temperatura de 25ºC e a 3Hz de frequência.

53

Figura 35. a) – Amostra fadigada a 25ºC e 3 Hz – Aumento 100x

Figura 35. b) – Amostra fadigada a 25ºC e 3 Hz – Aumento 500x

54

Figura 35. c) – Amostra fadigada a 25ºC e 3 Hz – Aumento 1000x

As micrografias de uma amostra que sofreram fadiga quando submetidas à

temperatura de 60ºC e a 3 Hz de frequência, são apresentadas abaixo.


55



As micrografias apresentadas abaixo, são de uma amostra já fadigada que foi

submetida á temperatura de 25ºC e a 9Hz.

56



57


É possível observar que todas as amostras apresentam aspecto de integridade, sem a

existência de poros ou micro-trincas induzidos pelo processo de fadiga., tanto antes quanto

depois de sofrerem o processo de fadiga.

5.5 – Análise Ultramicrodureza

É apresentando à seguir, os gráficos das amostras quando submetidas ao ensaio de

ultramicrodureza. Têm-se primeiramente, os gráficos de uma amostra que não sofreu fadiga.

58

Figura 38. a) Gráfico Força x Profundidade de uma amostra antes de sofrer fadiga

Figura 38. b) Gráfico Profundidade x Tempo de uma amostra antes de sofrer fadiga

59

Figura 39. a) Gráfico Força x Profundidade – Amostra 60ºC e 3Hz

Figura 39. b) Gráfico Profundidade x Tempo – Amostra 60ºC e 3Hz

A seguir, tem-se os gráficos das amostras após sofrerem fadiga com a condição de

25ºC e 3Hz.

60



É mostrado abaixo, os gráficos das amostras que foram submetidas ás condições de

25ºC e 9 Hz.

61



A tabela abaixo mostra os valores de profundidade máxima (hmax) alcançados pelo

punção para uma força de 0,3N e módulos de elasticidade (Eit). Pode-se obsevar que para a

mesma força, as amostras que sofreram fadiga tiveram uma profundidade de indentação

menor que as amostra que não sofreram fadiga. Isso possivelmente se deve ao fato de o

material ter encruado durante o processo de fadiga. Ao contrário do que foi observado nos

62

ensaios estáticos de 3 pontos, o módulo de elasticidade medidos pela ultramicrodureza

apresentou valores consideravemente maiores. Convém salientar que esta medida é feita

somente na superfície da material, a uma profundiade de poucos microns, e esta deve estar

perfeitamente polida para a realização dos ensaios. Um estudo mais aprofundado seria

necessário para uma melhor avaliação deste comportamento.

Tabela 6 – Resultados da ultramicrodureza.

Amostras hmax

(m)

Eit

(N/mm2)

Sem Fadiga 18,3 934

Fadiga com 3 Hz e 25ºC 16,5 1249



Onde Eit, é o módulo de elasticidade e hmax é profundidade máxima.

63

CAPÍTULO 6

6.0 CONCLUSÃO

No presente trabalho foram utilizadas amostras de um polipropileno fornecido pela

empresa FIAT Automotive, com o objetivo de avaliar a durabilidade do material em ensaios

dinâmicos de flexão. Nestes ensaios de durabilidade, o principal parâmetro avaliado foi a

fadiga térmica, através da variação da temperatura ambiente e da frequência do carregamento.

Nos ensaios de flexão, foi observado que os valores da deflexão máxima nos corpos

que sofreram fadiga e aqueles que não sofreram não foram discrepantes. O módulo de

elasticidade, por sua vez, decresceu em todas amostras que sofreram fadiga térmica. O mesmo

foi verificado com a máxima força.

Os testes de fadiga evidenciaram a sensibilidade do polipropileno quando submetidos

a valores superiores de temperatura e frequência. Este fato se deve, provavelmente, a

existência de tensões térmicas no interior dos polímeros, resultantes do processo de

aquecimento destas amostras.

Os valores de tensão apresentados pela amostra, quando submetidas a uma frequência

de 3 Hz e a uma temperatura de 25° C, apresentou comportamento bastante superior às

amostras que foram submetidas a uma frequência de 9 Hz e aquelas submetidas a uma

temperatura de 60° C.

Vale lembrar, que o aquecimento interno das amostras, ocorre não somente com o

aumento da temperatura de ensaio, mas também com o aumento da frequência de

carregamento, fenômeno conhecido como histerese. Pelos resultados da ultramicro dureza,

pode-se observar que as amostras que sofreram fadiga apresentaram um discreto encruamento

na superfície do material, bem como um aumento do módulo de elasticidade.

É importante ressaltar, que o uso do polipropileno não é recomendado quando seu uso

exigir exposição a elevadas temperaturas e nem quando apresentar elevada frequência de

carregamento. Para tanto, é aconselhável utilizar um polipropileno reforçado. Há trabalhos

demostrando o bom funcionamento deste material, quando reforçado, suportando

temperaturas acima de 60° C. O mesmo é verificado, quando um material reforçado é

submetido a carregamentos superiores a 3 Hz de frequência.

64

7.0 – SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Para dar continuidade ao trabalho aqui apresentado, sugere-se:

- Realizar ensaios de fadiga com outros valores de tempertaura e frequência à fim de

comparar o comportamento do material em outras condições.

- Realizar a mesma metodologia utilizando um polipropileno reforçado, realizando

comparação entre o comportamento de um material reforçado e outro não.

- Variar o deslocamento a fim de uma curva SxN para ensaios em flexão sobre

diferentes condições

- Instrumentar o dispositivo com células de carga para ter uma maior precisção na

obtenção dos resultados.

65

8.0 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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