Compósitos laminados fibra-metal: características e tenacidade à fratura

1. Prof. Fernando L. Bastian Laboratório de Materiais Compósitos Programa de Engenharia Metalúrgica e de Materiais COPPE/Universidade Federal do Rio de Janeiro Compósitos laminados fibra-metal: características e tenacidade à fratura

2. Objetivos 1. Apresentar as principais características dos LFMs: • Tipos • Constituintes • Configurações • Propriedades mecânicas • Comportamento em fadiga • Principais usos

3. Objetivos 2. Apresentar os resultados do comportamento em fratura dos LFMs: Desenvolvimento de metodologia para a determinação da tenacidade à fratura na instabilidade: J Integral CTOD de Schwalbe (5)

4. Objetivos Avaliação de tenacidade à fratura de LFMs unidirecionais: J Integral CTOD de Schwalbe (5) Determinação de tamanhos críticos de trinca de LFMs. Cálculo de tensões residuais de LFMs baseado em valores de Jc obtidos com corpos de prova C(T) e SE(B). Comparação com os valores obtidos em ensaios de chapas largas trincadas, M(T), e dados da literatura.

5. Nova família de compósitos estruturais projetados para produzir materiais de alta resistência mecânica e tolerantes ao dano, para a indústria aeronáutica. Laminados fibra-metal Taxas de propagação de trincas muito pequenas quando comparadas com as ligas de alumínio aeronáuticas tradicionais. Fabricados com chapa finas alternadas (0,3 a 0,5 mm de espessura) de ligas de alumínio 2024 e 7475 coladas por pré-impregnados de epóxi reforçado por fibras de aramida ou de vidro.

6. Laminados fibra-metal ARALL®: Reforçado por fibras de aramida unidirecionais. Aplicações secundárias como em asas de aeronaves. GLARE ®: Reforçado por fibras de vidro uni ou bi-direcionais do tipo S2. Aplicações primárias como em fuselagens.

7. Configurações Configuração de um laminado GLARE 3/2 • A configuração é designada por uma seqüência do tipo m/n, onde: • m é o numero de camadas de liga de Al. • n é o numero de camadas do pré-impregnado. • m = n+1

8. Configurações dos LFMs LFM unidirecional com configuração 3/2 LFM bi-direcional com configuração 3/2

9. Propriedades dos LFMs Densidade - pode ser até 16% menor do que das ligas de Al. Durabilidade - corrosão - as ligas de alumínio são anodizadas e recobertas com primer antes da adesão. As camadas externas são protegidas por primer. Elas protegem as camadas internas dos pre-impregnados e alumínio. Resistência ao fogo - resistência muito elevada. Sem penetração de chama/vazamento após 15 min com chama de 1100ºC. Resistência ao impacto - superior a dos compósitos de fibra de carbono e ligas de Al como a 2024 - T3.

10. Características dos laminados GLARE e ARALL

11. Propriedades mecânicas dos laminados GLARE e ARALL

12. Redução de peso resultante do uso de laminados GLARE

13. Curvas de crescimento de trinca por fadiga em função do número de ciclos de carregamento do ARALL, GLARE e liga 2024

14. Mecanismo de fechamento de trincas (crack-bridging)

15. Usos do GLARE: Partes da fuselagem superior do Airbus A380

16. Usos do GLARE: Bulkhead do Bombardier Learjet 45

17. Usos do GLARE: Contêiner ECOS resistente a explosões

18. J integral Desenvolvimento de metodologia para a determinação da tenacidade à fratura na instabilidade em LFMs CTOD de Schwalbe (5)

19. De tração compacto, C(T) Corpos de prova 1.(a) 1.(b)

20. Crescimento da trinca perpendicular ao entalhe em GLARE e no plano do entalhe em ARALL. Corpos de prova C(T). GLARE ARALL

21. Corpos de prova Flexão em três pontos, SE(B) 2)

22. Corpos de prova, SE(B) Crescimento de trinca no plano do entalhe em GLARE

23. Corpos de prova de tração compacto, C(T) Dispositivos anti-flambagem 3)

24. Corpo de prova de flexão, SE(B) Dispositivo anti-flambagem 4)

25. Indentações Nos corpos de prova C(T) o deslocamento do ponto de aplicação da carga foi medido por extensômetro colocado na linha de aplicação de carga. Nos corpos de prova SE(B) o deslocamento do ponto de aplicação de carga foi medido usando o deslocamento da ponte de máquina. O valor de deslocamento correspondente às indentações foi, então, descontado.

26. 5) Indentações

27. Corpo de prova SE(B). Curvas de carga vs. deslocamento do GLARE 1 3/2 incluindo a curva correspondente à indentação

28. 6) Acuidade do entalhe

29. Influência do mecanismo de fechamento de trinca na tenacidade à fratura

30. Metodologia proposta • Corpos de prova C(T) modificados para medir o deslocamento do ponto de aplicação da carga na linha de carregamento. Alternativamente, corpos de prova sem essa modificação podem ser empregados desde que se meça as indentações em corpo de prova C(T) sem entalhe e desconte esse valor. • Corpos de prova SE(B) podem ser usados desde que se desconte as indentações, de acordo com o norma ASTM D 504525 (fig. 5 (b)). • Corpo de prova com entalhes usinados (sem pré-trinca de fadiga) com diâmetros na ponta do entalhe menores que 0,05 mm (usinados ou cortados por lâmina) são necessários. • Placas anti-flambagem devem ser usadas para os corpos de prova C(T) e SE(B).

31. Metodologia proposta • Quando os corpos de prova C(T) apresentam fratura segundo um plano perpendicular ao entalhe, como aconteceu no GLARE 1 3/2, o teste é inválido. Nesse caso, a tenacidade deve ser medida usando corpos de prova SE(B). • O ponto critico na curva de carga versus deslocamento é definido seguindo a norma ASTM para a avaliação de instabilidade do tipo “pop-in”. Na presente metodologia recomenda-se uma linha com uma diferença de 2% ao invés de 5% da norma. • O cálculo de JC pode ser efetuado usando equações da ASTM modificadas para a componente elástica, de acordo com a equação 2. • A presente metodologia pode ser aplicada para testar compósitos com fibras tanto perpendiculares como paralelas ao entalhe.

32. Metodologia do CTOD Não foi possível medir o CTOD das normas ASTM e BSI devido a que o modelo da dobradiça plástica, “plastic-hinge” não funciona para os LFMs. Para os LFMs o fator rotacional é variável, indicando que não há um centro de rotação plástica fixo.

33. CTOD de Schwalbe - 5 CTOD é medido em uma superfície do corpo de prova em pontos localizados a 2,5 mm de cada lado da ponta da pré-trinca de fadiga ou entalhe.

34. De tensão compacto, C(T) Corpos de prova De dobramento, SE(B) 1)

35. Método de medição de 5

36. Curvas carga vs. 5

37. Valores de Jc e 5c de laminados unidirecionais

38. Comprimentos críticos de trinca dos FMLs e ligas tradicionais

39. Comprimentos críticos de trinca dos FMLs e ligas tradicionais

40. Comprimentos críticos de trinca dos FMLs e liga tradicionais (LE/ vs. ac)

41. Previsão da tensão residual de painéis trincados a partir da tenacidade medida em corpos de prova pequenos 1. Medidas de tensão residual em corpos de prova do tipo painel com trinca central, M(T). 2. Cálculo das tensões residuais dos painéis a partir dos valores de Jc obtidos de corpos de prova pequenos, C(T) e SE(B). 3. Comparação dos valores medidos e calculados.

42. Materiais testados: Medidas de tensão residual em painéis com trincas centrais M(T) GLARE 1 3/2 ARALL 2 3/2 ARALL 3 3/2 Corpos de prova testados: Largura (W): 150.0 e 200.0mm 2a/W: 1/4 e 1/3 Máquina de ensaio: 400 kN hidráulica Temperatura ambiente Velocidade do travessão da máquina: 0.5mm/mim

43. Corpos de prova M(T) Comprimento L é tipicamente 1,5 W. É necessário utilizar placas anti-flambagem.

44. Sistema de ensaio dos corpos de prova M(T)

45. Cálculo da tensão residual a partir dos valores de Jc

46. Tensões residuais calculadas e experimentais

47. Tensões residuais calculadas e experimentais Fig.1

48. Tensões residuais calculadas e experimentais Fig.2

49. Tensões residuais calculadas e experimentais Fig.3

50. Agradecimentos Dr. Enrique Mariano Castrodeza, COPPE/UFRJ Prof. Juan Elias Perez Ipiña, Universidad Nacional del Comahue - Argentina Sr. Eduardo Benotti Universidad Nacional del Comahue - Argentina CAPES, CNPq, Project Capes/Setcip 014/99 (Brasil/Argentina)