Equipamento de fluência para o estudo de juntas coladas



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EQUIPAMENTO DE FLUÊNCIA PARA O ESTUDO DE JUNTAS COLADAS


Queiroz, R.A.¹*; Sampaio,E.M.¹; Cortines, V.J.¹; Rohem, N.R.F²;

Mattos, H.C.²; Perrut, V. A.³;

*Rua Bonfim, 25 – Vila Amélia, Nova Friburgo-RJ, cep: 28625-570 – Campus UERJ

¹Universidade do Estado do Rio de Janeiro – Campus Instituto Politécnico –

(UERJ/IPRJ) - Laboratório de Adesão e Aderência (LAA) – (roalbani@gmail.com); ²Universidade Federal Fluminense (UFF); ³ CENPES/PETROBRAS;
RESUMO

Juntas coladas têm sido amplamente utilizadas como alternativa de união entre diversos tipos de materiais. Alguns estudos já foram realizados com o objetivo de caracterizar diversas propriedades associados às juntas, porém, pouco ainda se conhece sobre o comportamento dessas uniões em relação à fluência. Os ensaios de fluência, geralmente, são testes de longo prazo e, nos casos mais comuns, o tratamento estatístico é pautado em um pequeno grupo amostral, restrito pela baixa produtividade de resultados, custo por ensaio e o longo período de tempo até obtê-los. Com o objetivo de aumentar a escala de produção e, consequentemente, viabilizar um tratamento estatístico mais confiável, foi desenvolvido pela equipe do LAA o equipamento de fluência para juntas coladas capaz de realizar simultaneamente 10 ensaios. Os resultados preliminares de ensaio de tração realizado no equipamento mostram que a dispersão dos resultados é semelhante ao adquirido em uma máquina de tração universal. Testes com adesivos epóxi estão sendo realizados e os resultados parciais mostram a importância no estudo da resistência das juntas coladas em fluência.

Palavras-chave: fluência, juntas coladas, equipamento, adesivo epóxi.



INTRODUÇÃO

A utilização de juntas coladas com adesivos estruturais vem ganhando ao longo do tempo considerável importância na área industrial, principalmente por se tratar de uma alternativa de união entre componentes distintos que não podem ser submetidos a processos com variação térmica. É uma técnica já bastante difundida na indústria aeroespacial, seu peso reduzido aliado à relativa resistência mecânica são fatores de destaque e despertam o interesse da indústria em geral.

Alguns estudos já realizados analisaram o comportamento das tensões distribuídas ao longo da junta, mecanismos de falha, influência de tratamentos superficiais dos substratos, fatores de forma da região colada e meios de como aumentar a resistência mecânica da junta, porém, pouco ainda se conhece sobre seu comportamento em função do tempo sob carregamento, ou seja, sob fluência.

Definida como a deformação permanente dos materiais e dependente do tempo, quando são submetidos a uma carga ou tensão constante, a fluência é geralmente um fenômeno indesejável e, com frequência, é o fator limitante da vida útil de uma peça. (1)

Para muitas situações de fluência com vidas relativamente curtas, o tempo de vida até a ruptura, é a consideração de projeto predominante. Obviamente, para a sua determinação, os ensaios de fluência devem ser conduzidos até o ponto de ruptura; esses são denominados ensaio de ruptura por fluência. Dessa forma, o conhecimento dessa característica de fluência para um material permite ao engenheiro de projeto assegurar a sua adequação para uma aplicação específica. (1)

O estudo em fluência tem com principal complicador o tempo de duração dos ensaios. Geralmente os testes são realizados em máquinas de ensaio universal fabricada com alto padrão tecnológico porém, destinadas a caracterização de materiais através de ensaio de tração ou compressão de curto prazo. Utilizá-la para o estudo de fluência implica em alto custo por ensaio, baixa produtividade de resultados e longo tempo de pesquisa para obtenção de dados conclusivos, visto que, a execução de apenas um experimento pode consumir períodos em torno de 1000 horas.

Com o propósito de aumentar a escala de produção de resultados experimentais e viabilizar o estudo em um menor intervalo de tempo, o Laboratório de Adesão e Aderência (LAA) desenvolveu o equipamento para ensaio de fluência, Figura 1Figura 1.

Projetado para testar dez juntas simultaneamente, permite planejar os experimentos de forma sequencial e paralela, ou seja, dez ensaios, com parâmetros distintos, ocorrem ao mesmo tempo e, ao concluir um teste em uma das unidades de ensaio, substitui-se a junta rompida por outra a ser testada, não havendo interferência nos outros ensaios em andamento.

Cada unidade de ensaio é capaz de aplicar até 1200kg ao corpo de prova e, durante toda a duração do teste, é possível, monitorar e/ou alterar o carregamento se necessário.

O equipamento conta com um reservatório de ar, dimensionado à mantê-lo independente da linha de alimentação, ou seja, mesmo que haja um eventual problema de fornecimento de ar, o equipamento mantem os parâmetros de ensaio inalterados, evitando a interrupção dos testes.

Embora para um estudo mais apurado dos mecanismos de fluência seja importante o monitoramento da deformação do corpo de prova durante os ensaios, a proposta inicial do projeto do equipamento restringiu-se em avaliar a eficácia em aplicar carga às juntas por meio de cilindros e reguladores pneumáticos. Sendo assim, este primeiro equipamento não conta com sistema voltado à mensuração do deslocamento da junta nem controle de temperatura, sendo seu foco principal aplicar carregamento constante ao corpo de prova até sua ruptura e registrar o período de duração do ensaio.






Figura 1: Equipamento de fluência desenvolvido pelo Laboratório de Adesão e Aderência. g) reservatório de ar.

Apesar das restrições citadas anteriormente, o equipamento desenvolvido viabiliza avaliar um parâmetro fundamental no projeto de juntas coladas, o tempo de vida até a ruptura.



OBJETIVO

Este trabalho tem como objetivo qualificar a capacidade de ensaio do equipamento de fluência através de testes comparativos realizados em uma máquina de ensaio universal (SHIMADZU) e apresentar os resultados obtidos nos ensaios de fluência realizados em juntas de cisalhamento coladas com adesivo estrutural de base epóxi.


MATERIAIS E MÉTODOS
As juntas de cisalhamento foram fabricadas de acordo com a norma ASTM D 1002(2), Figura 2, utilizando substrato metálico ASTM A36, seguindo o procedimento para tratamento superficial e colagem, RT TMEC nº003/08 / PETROBRAS(3). A Tabela 1 apresenta as tolerâncias encontradas nas juntas fabricadas.




Figura 2: Forma e dimensões da junta de cisalhamento single-lap.

Tabela 1: Condições finais das juntas após a colagem;



Comprimento total [mm]

Largura [mm]

Comprimento do overlap [mm]

Espessura do adesivo [mm]

189,8 (+0,3)

25,4 (+0,1)

13 (+0,1)

0,5 (+0,1)

Ensaios de tração foram realizados no equipamento de fluência para determinação da tensão média de ruptura das juntas, τu. Utilizando esta informação como referência, foi possível selecionar tensões menores e determinar o percentual correspondente à tensão de ruptura da junta. A tensão selecionada para o início do estudo em fluência foi de 11,4MPa, correspondendo a 80% do carregamento máximo que a junta suportaria.

Seguindo um padrão decrescente de carregamento, testes subsequentes foram realizados e os tempos de duração registrados. Para cada tensão foi ensaiado o mínimo de cinco corpos de prova. A média de tempo do grupo de resultados correspondente a cada nível de tensão representa o tempo de vida da junta em função do carregamento estático aplicado.

Os ensaios foram realizados em ambiente com temperatura controlada, ajustada em 20°C.


RESULTADOS E DISCUSSÕES
A tabela 1 apresenta os resultados obtidos através do equipamento de fluência em ensaios para determinação da τu.
Tabela 2: Grupo G4 - Grupo amostral para tensão de ruptura média

Unidade de ensaio

Corpo de prova

Pressão de Ruptura [bar]

Tensão de ruptura [Mpa]

Tempo [s]

Taxa de aplicação de pressão [bar/min]

Taxa de aplicação de tensão [kPa/s]

1

38.E2.01

4,2

14,9

590,0

0,4

22,9

2

38.E2.02

4,2

14,9

570,0

0,4

23,7

3

38.E2.03

3,8

13,5

510,0

0,4

23,7

4

38.E2.04

4,2

14,9

560,0

0,4

24,1

5

38.E2.05

3,8

13,5

530,0

0,4

22,8

6

38.E1.06

4,0

14,2

535,0

0,4

23,9

7

38.E1.07

4,0

14,2

520,0

0,4

24,6

8

38.E1.08

4,2

14,9

585,0

0,4

23,1

9

38.E1.09

3,6

12,8

500,0

0,4

22,7

10

38.E1.10

3,8

13,5

515,0

0,4

23,4

Média:

G4

4,0

14,1

541,5

0,4

23,5

Erro positivo

G4

0,2

0,8

48,5

0,0

1,1

Erro negativo

G4

0,4

1,3

41,5

0,0

0,8

Desvio padrão [%]:

G4

5,2

5,2

5,7

2,5

2,5

A análise dos resultados estabelece a τu em 14,1 MPa (+0,8; - 1,3) como desvio padrão de 5,2%. Testes semelhantes realizados na máquina universal de ensaios (SHIMADZU) obtiveram tensão de 14,93 MPa (+0,5; -0,6) com desvio padrão de 4,9%. A comparação dos resultados permite comprovar a confiabilidade do equipamento desenvolvido dada a precisão dos resultados, estatisticamente a mesma nos dois grupos de juntas ensaiadas, mostrando alto de nível de reprodutibilidade e repetibilidade tanto no processo de fabricação das juntas quanto na metodologia dos ensaios.



A tabela 2 apresenta os resultados obtidos em testes de fluência realizados nas tensões correspondentes a 80%; 70% e 60% da τu.
Tabela 3: Resultado dos ensaios de fluência a 80%; 70% e 60% da τu;

80 % da (σu)

70 % da (σu)

60 % da (σu)

Corpo de prova

Tensão [Mpa]

Tempo [h]

Corpo de prova

Tensão [Mpa]

Tempo [h]

Corpo de prova

Tensão [Mpa]

Tempo [h]

38.E4.01

11,4

0,0

03.01

9,9

1581,2

--







38.E4.02

11,4

0,2

03.02

9,9

2500,0

--







38.E4.03

11,4

14,8

03.03

9,9

2500,0

--







38.E4.04

11,4

42,5

03.04

9,9

1833,9

--







38.E4.05

11,4

0,3

03.05

9,9

427,4

--







38.E4.06

11,4

0,3

--







38.E20.05

8,5

1175,0

38.E4.07

11,4

0,2

--







38.E20.04

8,5

1175,0

38.E4.08

11,4

0,2

--







38.E20.03

8,5

1175,0

38.E4.09

11,4

0,2

--







38.E20.02

8,5

1175,0

38.E4.10

11,4

21,3

--







38.E20.01

8,5

1175,0

Média:

11,4

8,0

Média:

9,9

1280,8

Média:

8,5

1175,0

Máximo:

11,4

42,5

Máximo:

9,9

2500,0

Máximo:

8,5

1175,0

Mínimo:

11,4

0,0

Mínimo:

9,9

427,4

Mínimo:

8,5

1175,0

Erro positivo:

0,7

34,5

Erro positivo:

0,7

1219,2

Erro positivo:

0,7

0,0

Erro negativo:

0,7

8,0

Erro negativo:

0,7

853,5

Erro negativo:

0,7

0,0

Desv. Padrao [%]

0,0

169,7

Desv. Padrao [%]

0,0

43,1

Desv. Padrao [%]

0,0

0,0

Os ensaios realizados na tensão correspondente a 70% da τu tiveram duração máxima de 2500 horas. Das cinco juntas ensaiadas, três apresentaram ruptura e duas permaneceram unidas até a conclusão do ensaio. Levando-se em consideração apenas os tempos das juntas rompidas obtém-se em média 1280 horas sob carregamento, porém, é perceptível grande dispersão nos resultados. Há presença de fratura em períodos menores que 500 horas como também, ausência de fratura por período de 2500 horas.

Os ensaios a 60% da τu ainda estão em andamento. Nenhuma das cinco juntas submetidas a esse carregamento apresentou ruptura até o presente momento, por tanto, ainda não é perceptível dispersão nos resultados parciais para este ensaio.
CONCLUSÕES
A comparação dos resultados obtidos nos diferentes equipamentos, máquina universal (SHIMADZU) e equipamento de fluência, comprova alta confiabilidade das informações fornecidas através do equipamento desenvolvido.

Embora a tensão de ruptura das juntas testadas tenham atingido valores na ordem de 14 MPa, os ensaios de fluência mostraram expressiva queda de resistência mecânica em níveis de tensão próximos a τu, sendo o tempo médio de vida estimado em 8 horas em tensões correspondentes a 80% da τu e 1280 horas a 70% da τu.

Isto significa dizer que, embora os ensaios de tração caracterizem a resistência mecânica das juntas, os valores obtidos não devem ser adotados como um fator decisivo em projetos que prevejam um carregamento estático próximo aos limites de resistência do modelo.

Diferente do comportamento pré-estabelecido para metais, juntas coladas são sensíveis à fluência em temperaturas ambiente e exigem estudos específicos para caracterizar seu comportamento em função do tempo.


REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS


  1. CALLISTER, W. D. Ciência e Engenharia de Materiais, Livros Técnicos e Científicos Editora , Rio de Janeiro, 2000;

  2. ASTM D 1002 – 05: Standard Test Method for Apparent Shear Strength of Single-Lap-Joint Adhesively Bonded Metal Specimens by Tension Loading (Metal-to- Metal);

  3. RT TMEC nº003/08 – Qualificação de Adesivo para Reparo Estrutural;

  4. ASTM D 638M – 96: Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics;

  5. ASTM D 2294 – 96: Creep Properties of Adhesives in Shear by Tension Loading (Metal to Metal);


CREEP EQUIPMENT FOR BONDED JOINTS STUDY
ABSTRACT
Bonded joints have been used as an alternative to bind together different materials. Some studies have determined several properties of bonded joints, but there is little knowledge about creeping behavior. Generally, creep tests take a long time and, quite often, the statistic results consider only a small group of specimens due to long testing times and high costs per specimen. This compromises data reliability. As a way to solve this problem, LAA developed creep testing equipment capable of analyzing ten specimens simultaneously. The preliminary tensile tests show the results dispersions are similar to the ones obtained by a universal testing machine. New tests using epoxy adhesives are being made and the partial results have showed the importance of creep studies on bonded joints.

Key-words: creep, bonded joints, equipment, epoxy adhesives;





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