Ensaios de compósitos

No ensaio de tração em compósitos são determinados os valores característicos elásticos do módulo de tração e do coeficiente de Poisson, assim como a resistência à tração nas direções principais de material plásticos reforçados de fibra.

• Os métodos de ensaio mais comuns para ensaios de tração em compósitos são ISO 527-4 & ISO 527-5, ASTM D3039 assim como EN 2561 e EN 2597.
• O padrão de trabalho AITM 1-0007 da Airbus inclui as condições de ensaio de tração em laminados multidirecionais sem entalhe e para ensaios de tração com entalhe para determinação da resistência à tração Open Hole Tension (OHT) e da resistência à tração Filled Hole Tension (FHT). Os ensaios de tração Open Hole e Filled Hole são utilizados principalmente para aplicações aeroespaciais para fins de determinação de fatores redutores para laminados multidirecionais sob carga de tração com furo aberto ou furo fechado. Outros métodos de ensaio padronizados para determinação da resistência à tração de Open Hole e Filled Hole são os métodos conforme as normas ASTM D5766 e ASTM D6742.

No ensaio de compressão em compósitos são determinados o módulo de compressão e a resistência à compressão nas direções principais do material de plástico reforçados de fibra. Visto que a resistência à compressão na direção das fibras do laminado é geralmente inferior à resistência à tração e os modos de falha de um laminado FRP sob carga de tração e carga de compressão são muito diferentes, o ensaio de compressão é de grande importância para o ensaio em compósitos.

Está disponível uma variedade de métodos e normas para ensaios de compressão em compósitos, distinguindo entre três princípios de aplicação de carga:

• Ensaio de compressão com aplicação de força frontal (End Loading Compression) conforme ASTM D695, DIN EN 2850 Tipo B e Boeing BSS 7260 Tipo III e IV
• Ensaio de compressão com aplicação de força por cisalhamento (Shear Loading) conforme ASTM D3410, ISO 14126 Método 1, DIN EN 2850 Type A e Airbus AITM 1-0008 Tipo de Amostra A
• Ensaio de compressão com aplicação de força combinada (Combined Loading) conforme ASTM D6641, ISO 14126 Método 2 e Airbus AITM1-0008 Tipo de Amostra A

Além dos métodos de ensaio acima mencionados para determinação dos valores característicos de compressão de laminados não entalhados existem ensaios de impacto Charpy em compósitos normalizados para determinação da Open Hole Compression (OHC) conforme ASTM D6484 e Filled Hole Compression (FHC) conforme ASTM D6742.
Em conjunto com os valores característicos de compressão do laminado não entalhado podem ser determinados então os fatores de redução correspondentes para laminados multidirecionais sob carga compressiva. Ensaios de impacto Charpy também são descritos nas normas industriais Airbus AITM1-0008 Tipo de Amostra B, D e C e Boeing BSS 7260 Tipo I.

No ensaio de cisalhamento em compósitos são determinados os valores característicos de cisalhamento In-Plane de plásticos reforçados com fibras, como por exemplo, o módulo de cisalhamento e a resistência ao cisalhamento. Para os materiais FRP com diferentes valores característicos nas principais direções do material, o módulo de cisalhamento deve sempre ser determinado com ensaios separados e não pode ser calculado a partir de outros valores característicos elásticos, como é o caso de materiais isotrópicos, por exemplo.

Para a determinação dos valores característicos de cisalhamento e do comportamento de cisalhamento há 3 métodos de ensaio diferentes estabelecidos:

• Ensaio de tração com laminado de ±45° conforme ISO 14129, ASTM D3518 e Airbus AITM 1-0002
• Ensaio de cisalhamento V-Notched Beam (Iosipescu) conforme ASTM D5379
• Ensaio de cisalhamento V-Notched Rail conforme ASTM D7078

Para o ensaio de tração com laminado de ±45° (In plane shear test) pode ser utilizada a mesma configuração dos ensaios de tração. Contudo, a aquisição de dados da deformação transversal adicionalmente à deformação longitudinal é absolutamente necessária para o cálculo da deformação por cisalhamento.

Para o ensaio de cisalhamento Iosipesu e o ensaio de cisalhamento V-Notched Rail são necessárias amostras entalhadas e dispositivos de ensaio correspondentes. Também aqui a medição de deformação biaxial é necessária. Frequentemente são utilizados Strain gages biaxiais. De forma alternativa, a medição da deformação pode ser feita mediante Digital Image Correlation (DIC).
Com os ensaios de cisalhamento com entalhe em V também podem ser determinados os valores característicos de cisalhamento Out-of-Plane quando laminados com a espessura suficiente estão disponíveis.

Devido à configuração do ensaio, da geometria e da fabricação da amostra e da execução do ensaio relativamente fáceis, os ensaios de flexão em compósitos são frequentemente utilizados na Garantia de Qualidade ou para comparações rápidas entre materiais. São diferenciados como ensaios de flexão de 3 pontos e de 4 pontos. Métodos de ensaio normatizados comuns para ensaios de flexão de plásticos reforçados com fibras são:

• Ensaio de flexão de 3 e 4 pontos conforme ISO 14125 e ASTM D7264
• Ensaio de flexão de 3 pontos conforme EN 2562, EN 2746 e ASTM D790
• Ensaio de flexão de 4 pontos conforme ASTM D6272

Quando a rigidez de toda a configuração de ensaio é suficiente, ou quando a elasticidade na configuração de ensaio pode ser determinada e corrigida no software de ensaios, o uso do curso da máquina de ensaios é geralmente permitido no ensaio de flexão de 3 pontos.
Já para o ensaio de flexão de 4 pontos é necessária a medição da deflexão no centro da amostra com o auxílio de um sistema de medição de deslocamento adequado.

O ensaio para determinação da resistência ao cisalhamento interlaminar (Interlaminar Shear Strength – ILSS Test) é um dos ensaios estáticos mais frequentes para plásticos reforçados de fibra, muitas vezes utilizado na Garantia de Qualidade. É necessária somente uma amostra relativamente pequena, o ensaio rápido e fácil de executar e, para a avaliação, somente é relevante a força máxima determinada no ensaio.

As normas de ensaio estabelecidas para o ensaio ILSS são as normas ISO 14130, EN 2377, EN 2563 e ASTM D2344.

Todas as 4 normas descrevem uma amostra retangular, mas utilizam dimensões parcialmente diferentes para o comprimento, a largura e a espessura da amostra. A norma ASTM D2344 descreve uma amostra curvada como, por exemplo, podendo ser retirada de um tubo de pressão ou da parede de um tubo.

O dispositivo de ensaio utilizado para o ensaio ILSS deve estar apto para observar na configuração do ensaio as tolerâncias muito pequenas exigidas nas normas de ensaio.

O índice crítico de liberação de energia e o índice de liberação de energia para o crescimento constante da trinca são determinados com o auxílio de métodos de ensaio de mecânica da fratura para entender o comportamento de delaminação de laminados de compósitos. Para a fabricação das amostras, é necessário um laminado no qual é gerada artificialmente uma trinca no plano central do laminado por meio de um filme plástico muito finos e não adesivo (frequentemente são utilizadas películas de Teflon).

São realizados principalmente métodos de ensaio com propagação da trinca por carga de tração normal em relação à superfície da trinca (Modo I) e métodos de ensaio com propagação da trinca por meio de carga de cisalhamento na secção transversal do laminado (Modo II). Para a calibração de métodos numéricos para o cálculo da propagação da trinca em um laminado, existe um método de ensaio adicional para carga tipo Mixed Mode I+II:

• Mode I como Double Cantilever Beam (DCB) Test conforme ISO 15024, EN 6033, ASTM D5528, Airbus AITM 1-0005 e Boeing BSS 7273
• Mode II como End-Notched Flexure (ENF) Test conforme ASTM D7905, EN 6034, Airbus AITM 1-0006 e Boeing BSS 7273
• Mode II como Calibrated End-Loaded Split (C-ELS) Test conforme ISO 15114
• Mixed Mode I+II como Mixed-Mode Bending (MMB) Test conforme ASTM D6671

O ensaio Compression After Impact (CAI) é um método de ensaio para determinar a resistência à compressão residual de um laminado após danos por impacto. A amostra a ser ensaiada sofre uma danificação prévia por uma energia de impacto definida na respectiva norma de ensaio. Esse método permite obter conclusões quanto à tolerância de danos de um laminado de compósito para garantir a segurança e confiabilidade de componentes, principalmente em estruturas de compósitos potencialmente expostas a cargas de impacto na aviação.

Para o ensaio CAI estão estabelecidos os seguintes métodos de ensaio normatizados: ASTM D7136 e ASTM D7137, ISO 18352, Airbus AITM 1-0010 e Boeing BSS 7260 type II.

Adicionalmente aos valores característicos mecânicos dos próprios laminados feitos em plásticos reforçados com fibra são necessários para o projeto e o design de estruturas de compósitos também ensaios para determinação da resistência de compostos.

Os métodos de ensaio utilizados para isso podem ser classificados em três grupos:

• Resistência de conexões adesivas (Lap Shear Test) conforme ASTM D5868, EN 6060 e Airbus AITM 1-0019
• Resistência de conexões aparafusadas ou cravejadas e ensaios de capacidade de furo com carga no plano do laminado conforme ASTM D5961, ASTM D7248, EN 6037, ISO 12815, Airbus AITM 1-0009, AITM 1-0065 e AITM 1-0067
• Ensaios de extração de cavilha e rebite (Pull-through) com carga normal em relação ao plano de laminado conforme ASTM D7332 e Airbus AITM 1-0066

Para determinar o comportamento de fadiga de laminados de compósitos e para dedução de curvas de Wöhler, são realizados principalmente ensaios cíclicos dinâmicos sob carga de tração cíclica. Os ensaios dinâmicos padronizados em compósitos são ASTM D3479 e ISO 13003. A norma ISO 13003 descreve adicionalmente o ensaio Composite Fatigue sob carga de flexão dinâmica cíclica.

Outros métodos de ensaios dinâmicos em compósitos padronizados são:

• Open Hole Tension e Open Hole Compression Fatigue conforme ASTM D7615
• Crescimento da trinca interlaminar sob carga tipo Mode I Fatigue conforme ASTM D6115
• Fadiga de conexões aparafusadas e ensaios dinâmicos de capacidade de furo conforme ASTM D6873 e Airbus AITM 1-0074
• A norma Airbus AITM 1-0075 inclui informações resumidas quanto à execução dos ensaios ILSS, ILTS, OHT & OHC, FHT & FHC, Pull-Through, CAI e Lap-Shear Fatigue.