FACULDADE DE TECNOLOGIA SENAI CIMATEC MESTRADO PROFISSIONAL EM GESTÃO E TECNOLOGIA INDUSTRIAL LEANDRO GUIA DAMASCENO RESISTÊNCIA DO POLICARBONATO AO ENVIRONMENTAL STRESS CRACKING (ESC) SOB A INFLUÊNCIA DE CONCENTRADORES DE TENSÃO EM CONTATO COM O ÁLCOOL ISOPROPÍLICO E METANOL Salvador 2010
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FACULDADE DE TECNOLOGIA SENAI CIMATEC · O Rômulo e Pollyana, responsáveis pelo laboratório de polímeros do SENAI CIMATEC pela injeção dos corpos de provas e todos os ensaios
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FACULDADE DE TECNOLOGIA SENAI CIMATEC
MESTRADO PROFISSIONAL EM GESTÃO E
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
LEANDRO GUIA DAMASCENO
RESISTÊNCIA DO POLICARBONATO AO ENVIRONMENTAL STRESS CRACKING (ESC) SOB A INFLUÊNCIA DE
CONCENTRADORES DE TENSÃO EM CONTATO COM O ÁLCOOL ISOPROPÍLICO E METANOL
Salvador
2010
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LEANDRO GUIA DAMASCENO
RESISTÊNCIA DO POLICARBONATO AO ENVIRONMENTAL STRESS CRACKING (ESC) SOB A INFLUÊNCIA DE
CONCENTRADORES DE TENSÃO EM CONTATO COM O ÁLCOOL ISOPROPÍLICO E METANOL
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Gestão e Tecnologia Industrial, Faculdade Tecnologia SENAI CIMATEC como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Gestão e Tecnologia Industrial.
Orientador: Prof. Dr. Alexandre Barros
Salvador 2010
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Ficha catalográfica
A ser elaborada pela Biblioteca da Faculdade de Tecnologia SENAI Cimatec
S581
Damasceno, Leandro Guia Resistência do Policarbonato ao Environmental Stress Cracking
(ESC) sob a Influência de Concentradores de Tensão em Contato com o Álcool Isopropílico e Metanol / Leandro Guia Damasceno - Salvador, 2010.
44f; il.; color. ESC; polímeros; policarbonato; mecânica da fratura; concentrador
de tensão; carga constante.
Orientador: Prof. Dr. Alexandre Barros Co-orientador: Dra. Andrea Lopes Latado Dissertação (Mestrado) – Faculdade de Tecnologia SENAI Cimatec,
2010.
1. ESC. 2. Polímeros. 3. Policarbonato. 4. Mecânica da Fratura. 5. Concentrador de tensão. 6. Carga constante.
CDD 658.78
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LEANDRO GUIA DAMASCENO
RESISTÊNCIA DO POLICARBONATO AO ENVIRONMENTAL STRESS CRACKING (ESC) SOB A INFLUÊNCIA DE
CONCENTRADORES DE TENSÃO EM CONTATO COM O ÁLCOOL ISOPROPÍLICO E METANOL
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Dedico este trabalho aos meus pais
e a minha querida esposa.
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AGRADECIMENTOS
Este espaço é reservado primeiramente para agradecer a Deus por me abençoar,
dando-me saúde, paz e força, elementos fundamentais para que eu conseguisse
terminar esta pesquisa.
Agradeço aos meus orientadores, o Prof Dr. Alexandre Barros e a Drª. Andrea
Latado pela presteza, atenção e paciência ao longo deste período. A todos os
ensinamentos passados que servirão para a vida acadêmica, profissional e pessoal.
O Rômulo e Pollyana, responsáveis pelo laboratório de polímeros do SENAI
CIMATEC pela injeção dos corpos de provas e todos os ensaios de tração e de
tração com carga constante realizados.
Ao laboratório de qualidade Lear pela realização dos entalhes nos corpos de provas,
mais precisamente a Henrique Lins pela liberação dos equipamentos.
Deixo meu sincero agradecimento a Ford Motor Company por financiar parte dos
estudos. Não posso deixar de agradecer aos colegas e amigos da turma de
Mestrado que estive mais próximo durante a jornada acadêmica, a Fernanda Silva, e
aos meus amigos de trabalho Nadilma Costa e Reginaldo Nascimento por todo
apoio dado.
Não devo esquecer-me de agradecer especialmente a minha esposa, Virginia
Damasceno, pela motivação, compreensão e amor, principalmente nos momentos
que não pude lhe dar a atenção necessária por está dedicado as pesquisas.
Agradeço de coração aos meus pais, Evandro e Marina, por todo apoio dado em
minha vida. Sucesso e conquistas totalmente influenciados por eles. E ao meu irmão
Marcio pelo companheirismo de amigo desde sua existência
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RESUMO
A substituição de materiais feitos de vidros e metais por materiais poliméricos está
crescendo de forma significativa nas indústrias. A fratura sob tensão ambiental
(environmental stress cracking ou ESC) é um fenômeno responsável por diversas
falhas de produtos plásticos em serviço, que consequentemente tem implicações
enormes nas indústrias e economia gerando grandes insatisfações aos
consumidores finais. O ESC é a falha devido à ação conjunta de uma tensão, que
pode ser interna ou externa, e um fluido em determinados polímeros, principalmente
nos polímeros amorfos. Esta combinação é responsável por causar a ruptura frágil e
repentina do produto polimérico. O policarbonato é um termoplástico amorfo de alta
transparência, mais leve que o vidro e de boa resistência mecânica. Este polímero
possui uso bastante diversifivado em sua cadeia produtiva, tornando-o cada vez
mais utilizado pelas indústrias. Na indústria este tipo de polímero é usado para a
fabricação de inúmeras peças, desde as lentes de iluminaçao de automóveis a
lentes de óculos. Estas peças requerem constantes solicitações mecânicas (tensões
residuais e externas) e podem estar em contato com agentes químicos dos mais
variados, podendo falhar repentinamente ao longo de sua vida. O mecanismo de
fratura sob tensão ambiental ou Environmental Stress Cracking no policarbonato é
comum para este tipo de polímero fazendo com que as peças falhem em serviço
com tensões muito inferiores à tensão de escoamento do material. Outro fator muito
importante para a fratura do policarbonato pelo mecanismo de ESC são as áreas
concentradoras de tensão, geradas pelos desenhos, formas, espessuras das
paredes e cantos vivos que a peça possui. Esta Dissertação de mestrado tem como
objetivo avaliar a resistência do policarbonato sob a influência de um concentrador
de tensão em contato com o álcool isopropílico e metanol utilizando os conceitos da
mecânica da fratura.
Palavras-chave: ESC; polímeros; policarbonato; mecânica da fratura; concentrador
de tensão; carga constante.
VII
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ABSTRACT
The replacement of glass and metals for polymers is growing significantly in
industries. Environmental stress cracking (ESC) is one of the phenomena
responsible for many failures of plastic products in service, which consequently has
great implications for the industries and the economy, generating dissatisfaction
among final customers. ESC is a failure that occurs when a combined action of
stresses, internal or external, and a fluid gets in contact with a polymer, especially if
the polymer is amorphous. This combination is responsible for causing a brittle and
sudden fracture of the polymeric product. Polycarbonate is an amorphous
thermoplastic polymer of high transparency, lighter than glass and that has good
mechanical strength. The production process of this polymer is very flexible, which
makes it each day more used by the industries. In the industry this type of polymer is
used for manufacturing many different parts, including head and tail lamp lenses for
cars and lenses for glasses. These parts are exposed to constant mechanical efforts
(residual and external stresses) and may be in contact with many different chemical
agents that may cause a failure during its life time. The mechanism of Environmental
Stress Cracking in polycarbonate is common for this type of polymer, leading the
parts to failure even when under much lower stresses than its yield stress. Another
very important factor that contributes to the fracture of polycarbonate through ESC
are the stress concentration areas generated by designs, shapes, wall thicknesses
and sharp edges that may exist in the plastic part. This dissertation has the objective
of evaluating the resistance of polycarbonate under the influence of a stress and in
contact with isopropyl alcohol and methanol, using fracture mechanics concepts.
Graminho Mitutoyo digital, resolução de 0.01 mm e capacidade de 0 a 300 mm.
Figura 49 – Projetor de perfil Mitutoyo PJ–A3000.
Figura 50 – Graminho Mitutoyo digital.
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Figura 51 – Lâmina orbital de corte Eduley.
3.4 Ensaio de Tração
O ensaio de tração é um dos ensaios mais utilizados na determinação das
propriedades mecânicas da maioria dos materiais. No ensaio de tração, um corpo de
prova com formas e dimensões padronizadas é submetido a uma força de tração
uniaxial que tende a esticá-lo ou alongá-lo. As extremidades do corpo de prova são
fixadas nas garras de uma máquina de ensaio que aplica esforços crescentes na
sua direção axial. Durante o ensaio, são medidas a força e a deformação
correspondente. Em geral, o ensaio é realizado até a ruptura do corpo de prova.
Os ensaios de tração para avaliação da influência do entalhe ao mecanismo de ESC
desta dissertação foram realizados numa máquina universal de ensaios mecânicos,
laboratório de polímeros do SENAI CIMATEC, providas de garras pneumáticas e
célula de carga de 1 KN. Os ensaios foram realizados de acordo com a norma
ASTM D 1708 – Stardard Test Method for Tensile Properties of Plastics by Use of
Microtensile Specimens.
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A temperatura de ensaio foi de 23°C com velocidade de deslocamento de 5 mm/mim
e distância entre as garras de 110 mm. Para cada ensaio foram utilizadas 05
amostras de corpo de prova com o objetivo de reduzir a variação do sistema de
medição.
3.5 Ensaio de Tração com Carga Constante
Define-se ensaio de tração com carga constante como sendo a deformação que
ocorre no material sob tensão constante em função do tempo. Assim como nos
metais, a temperatura de ensaio exerce uma enorme influência no fenômeno.
Portanto para este ensaio a temperatura foi de 23°C.
O esforço aplicado ao policarbonato também influi nos resultados do mecanismo de
ESC. Quanto maior a tensão aplicada, maior será a velocidade de propagação da
trinca. Para o ensaio de tração com carga constante, o corpo de prova foi tracionado
com velocidade de 5 mm/min até atingir a tensão requerida. O corpo de prova foi
tracionado até atingir uma tensão constante (valor abaixo da tensão de escoamento
do material) durante um período de 8 horas ou até sua ruptura.
Os ensaios foram realizados em corpos de provas com entalhes de 2 mm em
diferentes condições de cargas para os diferentes agentes. Os valores de cargas
selecionados para os ensaios são apresentados no capítulo seguinte.
3.6 Técnicas de Obtenção do Entalhe e Método de Contato com Agente
Químico
Na mecânica da fratura estuda-se quanto o material suporta uma tensão sem
propagação de trinca de modo instável. Os principais fatores que devem ser
considerados para o projeto de um material para situações com presença de trincas
são:
• a máxima tensão de trabalho que o material deverá suportar e
• o máximo tamanho de trinca admissível.
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Os entalhes dos corpos de provas foram realizados com uma lâmina orbital de corte
no laboratório da Lear Corporation em Camaçari, Bahia. Foram feitos entalhes de 1
mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm e 5 mm.
Figura 52 – Detalhe do entalhe no corpo de prova.
Para reduzir a variação do tamanho dos entalhes foram utilizados outros
equipamentos para garantir precisão dimensional. Todo entalhe a ser feito era
marcado com o graminho mitutoyo digital no corpo de prova. Logo em seguida era
confeccionado o entalhe com a lâmina orbital de corte. Após o corpo de prova ser
entalhado, o mesmo era colocado no projetor de perfil para analisar a qualidade do
entalhe e sua dimensão. Qualquer problema dimensional ou com a superfície do
entalhe, o corpo de prova era descartado.
Essas preocupações foram levadas em consideração com o objetivo de reduzir a
variação no sistema de medição e no processo do entalhe.
Conforme Sanches (2006) publicou em seu trabalho sobre o mecanismo de ESC no
PET, esta dissertação utiliza o mesmo método para contato do agente com o corpo
de prova.
Para avaliar a interação dos agentes com o policarbonato, os corpos de provas
foram envolvidos por algodão embebido respectivamente no álcool isopropílico e no
metanol nas regiões concentradoras de tensão (entalhes).
Figura 53 – Corpo de prova embebido no agente químico.
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Todas as amostras, na região do entalhe, foram mantidas em contato com os
agentes por no mínimo 24 horas antes de cada ensaio, tempo definido como
suficiente para as moléculas dos agentes penetrarem nas cadeias poliméricas do
policarbonato por difusão.
3.7 Microscópio Eletrônico de Varredura – MEV
A microscopia eletrônica de varredura (MEV) é utilizada em várias áreas do
conhecimento, incluindo a análise de falhas em materiais poliméricos. O uso desta
técnica vem se tornando mais frequente por fornecer informações detalhadas, com
aumentos de até 300.000 vezes. Essa técnica 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 estrutural. O MEV apresenta intervalo
bastante abrangente na sua escala de observação, variando da ordem de grandeza
de milímetro (mm) ao nanômetro (nm), o que possibilita verificar, por exemplo,
estruturas anatômicas de uma planta. A utilização do MEV como técnica
complementar mostra-se de grande importância e versatilidade, tanto para o estudo
da micro-estrutura, possibilitando a obtenção de imagens com alta resolução, como
também para o estudo de propriedades do material e sua análise química.
3.9 Cromatografia de Permeação em Gel - GPC
Para validar a análise do mecanismo de ESC é necessário ter certeza que a peça
falhada não sofreu ataque químico. Entre os métodos modernos de análise, a
cromatografia ocupa um lugar de destaque devido a sua facilidade em efetuar a
separação, identificação e quantificação das espécies químicas. Dentre estes
métodos encontra-se a cromatografia de permeação em gel (GPC), utilizada para
determinar as massas molares médias e a distribuição de massas molares dos
polímeros. As análises de GPC foram realizadas pelo Laboratório Centro de
Caracterização e Desenvolvimento de Materiais, UFSCar/UNESP.
Várias propriedades dos polímeros que são importantes em termos de sua
processabilidade e aplicações estão diretamente relacionadas com as massas
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molares específicas. Isto ocorre porque as propriedades mecânicas, químicas e
outras são drasticamente afetadas pela massa molar média e especialmente pelas
frações de baixa e alta massa molar. O método pode ser aplicado a uma grande
variedade de agentes químicos e polímeros.
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4 RESULTADOS OBTIDOS
Nos tópicos que sucedem são apresentados e discutidos os resultados das análises
dos ensaios baseados na mecânica da fratura, bem como dos diversos ensaios de
tração e tração com carga constante realizados, visando à avaliação da resistência
do policarbonato ao mecanismo de ESC em contato com o álcool isopropílico e
metanol sob a influência de concentradores de tensão.
4.1 Influência do Entalhe nos Ensaios de Tração
Para o ensaio de tração sem entalhe, o corpo de prova de policarbonato possui um
comportamento mecânico completamente diferente quando comparado com os
corpos de provas de policarbonato com entalhe. As características da curva do
ensaio de tração para o corpo de prova sem entalhe, Figura 54, é semelhante ao da
Figura 31, com três regiões com comportamento mecânico diferentes. Na primeira
parte da curva sob deformação baixa o polímero é elástico linear, a uma deformação
de aproximadamente 3%, o policarbonato sofre escoamento e então estira. Os
emaranhados amorfos do policarbonato se desdobram, e se alinham. O processo
começa em um ponto de fraqueza, e um segmento do comprimento de referência se
estira como o gargalo formado por estricção em um corpo de prova de metal, até
que a taxa de estiramento é suficiente para provocar o alinhamento das moléculas.
A estricção se propaga ao longo de todo o corpo de prova até que a mesma fique
estirada (moléculas alinhadas).
O policarbonato estirado é mais resistente na direção do estiramento. É por isso que
a estricção se propaga em vez de simplesmente causar a fratura. Próximo a ruptura
do corpo de prova, a curva tensão deformação volta a subir devida a conclusão do
estiramento por completo tornando o policarbonato mais resistente neste momento.
É por este motivo que a tensão quando se aproxima da ruptura do corpo de prova
ela aumenta.
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Figura 54 – Ensaio de tração sem entalhe.
Já as curvas de tensão deformação dos corpos de prova de policarbonato sob a
influência de diferentes entalhes, Figura 55, possuem um comportamento diferente,
de comportamento dútil para comportamento frágil. As curvas apresentadas na
Figura 55 são representativas para os ensaios, pois à medida que o entalhe
aumenta o fator de concentração também aumenta, reduzindo a tenacidade à fratura
do corpo de prova. As propriedades mecânicas de resistência a tração determinadas
nestes ensaios, são apresentadas em forma gráfica.
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Figura 55 – Ensaio de tração para diferentes entalhes.
Estes ensaios foram realizados em corpos de provas de policarbonato sem contato
com os agentes químicos, pois os objetivos desses ensaios iniciais foram de avaliar
a influência do entalhe no policarbonato.
Os corpos de provas entalhados possuem concentradores de tensão na ponta do
entalhe mudando completamente o comportamento do policarbonato, de fratura dútil
para fratura frágil. Logo todos os corpos de provas de policarbonato com entalhe
acima apresentaram comportamento linear elástico da fratura sem regiões de
deformações plásticas com valor de KIC igual a 3,2 MPa√m. À medida que o entalhe
cresce o corpo de prova têm uma redução na taxa de deformação e na tensão de
ruptura do policarbonato.
A Figura 56 mostra o comportamento dos corpos de provas com entalhe. A
concentração de tensão faz com que o corpo de prova falhe sem que ocorra
deformação plástica aparente na ponta do entalhe. A concentração de tensão
impede a deformação plástica do corpo de prova não havendo alinhamento das
moléculas do policarbonato.
x
x
x
x
x
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Figura 56 – Ensaio de tração para corpo de prova com entalhe de 2 mm.
A deformação do corpo de prova sem entalhe para um corpo de prova com entalhe
de 01 mm se comparados, existe uma redução de 95% no alongamento até a
ruptura. Nas regiões de entalhes que geram concentradores de tensão, não é
possível ver zonas claras (esbranquiçadas) do policarbonato na região da fratura,
tornando este tipo de falha catastrófica em serviço.
A Tabela 03 mostra a influência dos entalhes para os corpos de provas do
policarbonato sem contatos com agentes.
Tabela 03 – Ensaios de tração para diferentes entalhes.
Corpo de Prova Força de Ruptura (N)
Alongamento (%) Desvio Padrão Força de Ruptura (N)
Tração CP 01 mm 2030,6 3,6 45
Tração CP 02 mm 1542,4 2,6 32
Tração CP 03 mm 1019,6 1,9 24
Tração CP 04 mm 724,3 1,2 17
Tração CP 05 mm 574,2 1,1 15
4.2 Influência dos Agentes nos Ensaios de Tração
Para avaliar a influência do álcool isopropílico e metanol nos ensaios de tração
foram utilizadas 03 configurações para os corpos de provas. As configurações de
ensaio podem ser vista na Tabela 04:
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Tabela 04 – Ensaios de tração e influências dos agentes.
Nomenclatura Tipo de Ensaio
Tração CP 02 mm Ensaio de tração com entalhe de 02 mm e sem contato com agente químico
Tração CP ISO 02 mm Ensaio de tração com entalhe de 02 mm e contato com o álcool isopropílico
Tração CP MET 02 mm Ensaio de tração com entalhe de 02 mm e contato com o metanol
Em geral, as forças de ruptura obtidas para os ensaios realizados na presença do
metanol e álcool isopropílico apresentam valores médios ligeiramente menores do
que os valores para o policarbonato com entalhe de 02 mm. É notável que o metanol
e álcool isopropílico influencie para a diminuição da resistência do policarbonato ao
mecanismo de ESC.
Quando comparados com o corpo de prova com entalhe e sem agente, a força de
ruptura para os corpos de prova com entalhe e em contato com os agentes diminui,
pois o entalhe concentra a tensão na ponta da trinca e facilita a penetração das
moléculas dos agentes. Para os corpos de provas em contanto com os agentes a
força de ruptura cai devido ao escorregamento das moléculas por difusão dos
agentes químicos no policarbonato.
Figura 57 – Influência dos agentes no ensaio de tração.
Analisando a Figura 57, pode-se perceber que o metanol é mais agressivo que o
álcool Isopropílico, o que já era esperado devido às moléculas do metanol penetrar
com mais facilidade no policarbonato do que o álcool isopropílico. A força de ruptura
x x
x
90
média do corpo de prova em contato com o álcool isopropílico é 1477,2 N, já para o
corpo de prova em contato com o metanol a força de ruptura cai para 1174,4 N.
4.3 Ensaios de Tração com Carga Constante – Força em Relação ao Tempo da
Fratura
Os ensaios de tração com carga constante foram realizados para os corpos de
provas com entalhe de 02 mm sob carga constante até a ruptura do policarbonato ou
até o tempo de 8 horas de ensaios. As forças em Newton selecionadas para os
ensaios de tração com carga constante foram de 1024, 896, 768, 640, 512, 384 e
256.
Os primeiros ensaios foram avaliados a força em relação ao tempo da fratura para o
policarbonato em contato com o álcool isopropílico. Neste ensaio pode-se evidenciar
que, quanto maior a força mais rápida será o crescimento da trinca e
consequentemente a fratura do corpo de prova. A Figura 58 mostra de forma clara a
influência da carga em relação ao tempo da fratura.
Figura 58 – Força constante em relação ao tempo de falha para o álcool isopropílico.
x
x
x
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O tipo de fratura por carga constante ocorre em condições de força abaixo da região
de escoamento do material. Para as três primeiras cargas foi possível perceber o
tempo de falha dos corpos de prova em contato com o álcool isopropílico, já para os
níveis de força igual ou abaixo de 640 Newtons não houve a fratura do
policarbonato, ou seja, não houve crescimento significativo da trinca durante o
período de ensaio estabelecido. O valor de força igual ou abaixo 640 Newtons não
gera a fratura pelo mecanismo de ESC no corpo de prova de policarbonato com
entalhe de 02 mm em contato com o álcool isopropílico.
A Tabela 05 mostra os tempos para ocorrência da fratura para as determinadas
cargas do policarbonato em contato com álcool isopropílico:
Tabela 05 – Força constante. Tempo de falha para o álcool isopropílico.
Tipo de Ensaio Força (N) Tempo (s) Desvio Padrão Tempo (s)
Carga Constante 1024 N 1024 1235 38 Carga Constante 896 N 896 2070 41 Carga Constante 768 N 768 2206 45 Carga Constante 640 N 640 Não houve fratura - Carga Constante 512 N 512 Não houve fratura - Carga Constante 384 N 384 Não houve fratura - Carga Constante 256 N 256 Não houve fratura -
Para os ensaios com os corpos de provas em contato com o metanol, o
comportamento foi mais agressivo do que o corpo de prova em contato com o álcool
isopropílico. Além das fraturas acontecerem mais rápidas para os corpos de provas
em contato com o metanol para as mesmas condições de carga, o corpo de prova
em contato com o álcool isopropílico suporta uma maior carga sem que ocorra a
fratura. Enquanto a força que não apresenta ruptura no policarbonato em contato
com o metanol é de 512 N.
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Figura 59 – Força constante em relação ao tempo de falha para o metanol.
A Tabela 06 mostra os tempos para ocorrência da fratura para as determinadas
cargas do policarbonato em contato com o metanol.
Tabela 06 – Força constante. Tempo de falha para o metanol.
Tipo de Ensaio Força (N) Tempo (s) Desvio Padrão Tempo (s)
Carga Constante 1024 N 1024 514 18 Carga Constante 896 N 896 538 23 Carga Constante 768 N 768 1293 28 Carga Constante 640 N 640 2271 31 Carga Constante 512 N 512 Não houve fratura - Carga Constante 384 N 384 Não houve fratura - Carga Constante 256 N 256 Não houve fratura -
Conforme o ensaio de carga constante mostra, o metanol é mais agressivo para o
mecanismo de ESC do que o álcool isopropílico. Nas mesmas condições de ensaios
variando apenas os agentes químicos o corpo de prova em contato com o metanol
sofre fratura mais rápido do que o álcool isopropílico. Para todas as faixas de cargas
selecionadas onde houve as fraturas, os corpos de prova em contato com o metanol
fraturaram mais rápido.
x
x
x
x
93
De acordo com a Figura 60, para os ensaios de tração com carga constante o
comportamento da propagação da trinca é diferente quando comparados com os
metais. O contato com o agente químico faz com que apareçam diversas trincas
próximas a região do entalhe. Não existe a propagação de uma única trinca iniciada
na ponta do entalhe, mais a propagação de diversas trincas na região de
concentração de tensão. Na região de fratura é possível perceber a deformação
plástica do material para ambos os corpos de provas em contato com os agentes
químicos. O metanol mostra ser mais agressivo também pela característica da
fratura, à medida que o corpo de prova em contato com este agente apresenta muito
mais deformação plástica e formações de crazes na zona de fratura. O álcool
isopropílico também apresenta uma deformação plástica e formação de crazes,
porém com intensidade menor.
Figura 60 – Detalhe da fratura; (a) corpo de prova em contato com o álcool
isopropílico e (b) corpo de prova em contato com o metanol.
4.4 Ensaios de Tração com Carga Constante – Deformação em Relação ao
Tempo da Fratura
Em muitas situações práticas as tensões que se desenvolvem no material são
relativamente baixas, não levando o material a nenhum modo de falha que
comprometa a sua resistência mecânica. No entanto a peça ou estrutura pode vir a
falhar por uma concentração de tensão, onde a mínima deformação pode passar a
ser muito grande, acima de um máximo admissível. Nestes casos se torna
necessário atuar sobre a rigidez do projeto ou reduzir a concentração de tensão.
Este caso pode ocorrer facilmente quando se adotam seções relativamente esbeltas
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para suportar a carga, que age em uma direção. Ocorre, no entanto que cargas
adicionais, como devido a uma excentricidade, podem surgir em direções diferentes,
levando a deslocamentos inaceitáveis.
No ensaio de carga constante, onde é avaliada a deformação do corpo de prova em
relação ao tempo de fratura, é possível perceber os níveis de deformações críticas
para que ocorra a fratura.
A Figura 61 mostra os ensaios realizados com corpos de provas em contato com o
metanol para diferentes níveis de carga.
Figura 61 - Ensaios de tração com carga constante. Deformação em relação ao
tempo da fratura para o policarbonato em contato com o metanol.
É possível verificar que a deformação crítica média para o corpo de prova em
contato com o metanol é de 1,3 mm, ou seja, toda carga que ocasione uma
deformação do corpo de prova igual ou superior a 1,3 mm levará a fratura do
policarbonato em contato com o metanol com o tempo de serviço da peça. Os
ensaios que a carga gerou deformações inferiores a 1,3 mm não apresentaram
ruptura no espaço de tempo estabelecido.
x
x x x
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Para o corpo de prova com entalhe se deformar é necessário que haja crescimento
da trinca, logo a deformação de um corpo de prova com entalhe indica de forma
indireta o tamanho e crescimento da trinca.
Para os ensaios realizados com corpos de provas em contato com o álcool
isopropílico para diferentes níveis de carga foi possível identificar uma deformação
crítica menor do que a do metanol, uma vez que a difusão das moléculas do álcool
isopropílico no policarbonato é menor do que a difusão do metanol restringindo sua
deformação antes da ruptura. Nos ensaios com o metanol a uma formação maior de
crazes próximo ao entalhe, fazendo com que os corpos de prova em contato com
este agente deformem mais do que com o álcool isopropílico, portanto, no metanol
há um escorregamento maior das moléculas devido à maior difusão do agente no
policarbonato.
Figura 62 - Ensaios de tração com carga constante. Deformação em relação ao
tempo da fratura para o policarbonato em contato com o álcool isopropílico.
A área de deformação plástica do corpo de prova em contato com o álcool
isopropílico é menor do que o corpo de prova em contato com o metanol.
x
x
x
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4.5 Ensaio de Fratura Assistida Pelo Ambiente - TTF (Time-To-Failure)
Conforme mencionado em capítulos anteriores, o método utilizado nesta dissertação
foi semelhante aos métodos utilizados para os metais, para avaliar o fenômeno de
corrosão sob tensão embora para o mecanismo de ESC não exista a quebra das
ligações atômicas.
Foram utilizados os mesmos corpos de provas e configurações para os ensaios de
carga constante em relação ao tempo de fratura. Os valores de K aplicados versus o
tempo de fratura (para os corpos de provas que apresentaram a fratura) foram
inseridos em gráficos, Figura 63, onde se verifica que o corpo de prova
aparentemente rompe com um valor de K bem inferior ao valor de Kıc do material.
Na verdade, o que ocorre é que o valor de Kıc do material pode permanecer
inalterado. É que, para um determinado valor de K inicial, em decorrência de
agressividade do metanol e do álcool isopropílico, há crescimento subcrítico de
trinca. Este crescimento subcrítico de trinca virá a aumentar o valor do fator de
intensidade de tensões efetivo (Kef), visto que a carga permanece constante, mas a
seção remanescente é, gradativamente, diminuída.
Pelos resultados, ficou evidente que, quanto maior foi o valor de K inicial aplicado
menor será o tempo necessário para levar a peça à fratura. Além disto, constata-se
que há um patamar de K abaixo do qual não ocorre crescimento subcrítico de trinca
(KIEAC do material, onde EAC é - "Environment Assisted Cracking") que para o álcool
isopropílico foi um valor igual 1,74 MPa√m e para o metanol foi um valor 1,39
MPa√m.
97
Figura 63 – Ensaio TTF no policarbonato em contato com o álcool isopropílico.
Figura 64 – Ensaio TTF no policarbonato em contato com o metanol.
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O TTF foi o ensaio utilizado para determinados fatores de concentração de tensão
onde o corpo de prova em contato com metanol e álcool isopropílico foi monitorado o
tempo que falharam. Neste ensaio a carga foi mantida constante para avaliação do
tempo de ruptura do material, se esta vier a acontecer.
Como também já era esperado ao analisar o comportamento do corpo de prova em
contato com o metanol com o corpo de prova em contato com o álcool isopropílico
percebe-se que o metanol para este ensaio também é mais agressivo que o álcool
isopropílico.
Com o ensaio de TTF é possível concluir que existem fatores de concentração de
tensão, onde mesmo que o policarbonato esteja em contato com o metanol e álcool
isopropílico não existirá o crescimento da trinca, ou seja, o policarbonato não irá
falhar em serviços devido ao mecanismo de ESC e que o valor de KIEAC para o
metanol é maior do que o valor de KIEAC para o álcool isopropílico. Peças fabricadas
em policarbonato em contanto com o metanol estão muito mais sujeitas a falhas pelo
mecanismo de ESC do que peças em conato com o álcool isopropílico.
Este ensaio mostra de forma inédita para o policarbonato que uma peça pode ter
contato com um agente químico a determinados níveis de tensão que a mesma não
irá falhar em serviço. No desenvolvimento de produtos é necessário que se conheça
o valor de concentração de tensão, para assim projetar peças livre de falhas para
eventuais contatos com agentes químicos que a mesma poderá ter contato.
99
Concentrador de tensão
Agente químico é absorvido
Crescimento de múltiplas trincas
Trincas se propagam além do
campo inicial.
Figura 65 – Propagação da trinca no policarbonato em contato com os agentes
químicos.
A Figura 65 mostra o comportamento da propagação da trinca no policarbonato sob
tensão em contato com o metanol. Não existe a propagação de uma única trinca na
ponta do entalhe, mas na verdade surgem diversas trincas secundárias na região de
100
concentração de tensão, portanto, quando forem utilizados os conceitos de
mecânica da fratura deve-se tomar cuidado com o método a ser testado. A
propagação da trinca para o corpo de prova em contato com o álcool isopropílico é
semelhante, porém com formação de trincas secundárias menores. Analisando as
fratura pode-se evidenciar primeiramente o agente é absorvido pela zona de
concentração de tensão, em seguida há uma criação de vários vazios na ponta e
próximo ao entalhe. Esses vazios por sua vez viram diversas trincas que se
propagam até gerar a fratura catastrófica do policarbonato.
4.6 Aplicações Prática da Questão de Pesquisa – Fratura de Lente de
Policarbonato em Serviços
O policarbonato é um polímero extensivamente utilizado em aplicações que tem
como requisitos uma alta resistência mecânica e térmica, associado à transparência
e um bom acabamento superficial. Uma das aplicações modernas desse material
são as lentes de iluminações automotivas (luzes internas, faróis e lanternas).
Todos os produtos estão sujeitos a diversos agentes químicos, os quais podem
afetar significativamente o comportamento mecânico ao longo de sua vida útil.
O proprietário de um veículo sempre tem a preocupação de deixá-lo limpo. A
limpeza é feita com agentes de diferentes composições químicas que em contato
com áreas de concentração de tensão levará a falha do polímero pelo mecanismo
de ESC. A ruptura de peças poliméricas por ESC causa grandes insatisfações para
os consumidores finais, além de gerar um alto custo de serviço com a troca de
produtos.
A Figura 66 mostra o desenho e reigião de fratura por ESC de uma peça com altos
custos de garantia e insatisfação do cossumidor final. Por motivo de
confidencialidade o nome da empresa e detalhes funcionais da peça não será
apresentado.
101
Figura 66 – Detalhe da região das trincas e fraturas
O alto valor de custo em garantia e as grandes reclamações dos consumidores finais
tornam-se um inibidor para o negócio prejudicando as vendas e lucros de uma
organização. A questão de pesquisa foi baseada também no estudo da falha
apresentada na Figura 66 que tinha uma ocorrência em torno de 1500 unidades de
defeitos por ano. A cota em destaque é muito importante para o mecanismo de ESC
devido o aumento de tensão nas regiões da fratura do policarbonato. Se as peças
forem produzidas com esta cota menor do que ela é especificada por desenho, a
peça sofrerá mais esforço nas regiões de fixações quando forem encaixadas. No
estudo realizado das peças retornadas de garantia (peças que falharam em serviço)
esta cota apresentava menor do que foi especificada.
As regiões de falhas possuem contatos com agentes químicos e estavam cheias de
concentradores de tensão, ou seja, todas as peças foram desenhadas para terem
cantos vivos, o que é um grande contribuidor para a fratura por ESC.
A técnica de luz polarizada em polímeros transparente permite visualizar as áreas de
concentração de tensão conforme pode ser visto na Figura 67.
Regiões da fraturaRegiões
da fratura
Figura 67 – Análise das tensões residuais provocadas pelos cantos vivos
102
Como em muitos casos o mecanismo de ESC é confundido com outros fenômenos,
principalmente por degradação química, para o estudo da questão de pesquisa
foram realizadas análises do peso molecular e análise da superfície de fratura.
Esta análise teve como objetivo determinar as massas molares médias e as curvas
de distribuição de massas molares (DPM) de duas peças moldadas em
policarbonato (PC) por cromatografia de permeação em gel (GPC) de baixa
temperatura. A determinação e comparação desses parâmetros estruturais indicarão
se houve (ou não) alguma reação química (degradação) entre a graxa utilizada e o
polímero. As análises foram realizadas pelo CCDM - Centro de Desenvolvimento e
Caracterização de Materiais.
As amostras foram identificadas pelo Laboratório CCDM (Centro de
Desenvolvimento e Caracterização de Materiais como LCP081364 e LCP081365.
As regiões da amostra LCP081364 de onde se retirou material para ser analisado
por GPC – Cromatografia de Permeação em Gel podem ser vistas na Figura 68. Os
números indicam as regiões da amostra LCP081364 selecionadas para serem
analisada por GPC.
Figura 68 – Foto ilustrativa moldada em PC e analisada por GPC.
A razão de se utilizar material retirado de cinco regiões distintas da amostra
LCP081364 foi procurar monitorar a influência da graxa sobre o polímero, isto é, se
a graxa estava promovendo ataque químico (degradação) do policarbonato. Os
critérios utilizados para seleção destas cinco regiões foram os seguintes.
103
Tabela 07– Análise da peça para o ensaio de GPC
Área da Peça Análise da Peça Região 01 Área que apresentou ruptura completa e presença de graxa na região. Região 02 Região com nítida presença de graxa. Região 03 Região sem qualquer contato com a graxa. Região 04 Região próxima à ruptura e com presença de graxa Região 05 Região oposta ao local onde se verificou ruptura e apresentava presença de graxa
As curvas de distribuição de massa molares (DPM) das diferentes regiões da
amostra LCP081364 e da amostra LCP081365 podem ser observadas na Figura 69.
A tabela 08 apresenta os dados obtidos por GPC.
Figura 69 – Curvas de DPM das diferentes regiões da amostra LCP081364 e da
Os valores das massas molares médias das regiões da amostra LCP081364 são
praticamente os mesmos quando comparados com a amostra LCP081365. Portanto
104
os resultados de GPC indicam que não houve ataque químico da graxa no
policarbonato, isto é, a graxa não provocou degradação no polímero.
Quando existe degradação química de um polímero, as ligações primárias
(covalentes) se rompem reduzindo assim o peso molecular quando comparados.
As regiões de falha e que ficaram em contato com a graxa da amostra LCP081364
foram analisadas por MEV. O objetivo desta análise foi de verificar se houve a
formação de micro trincas nas regiões que ficaram em contato com a graxa. A
presença de micro trincas nesta região indicaria que a graxa provocou um ataque
químico no policarbonato.
(a) (b)
(c) (d)
(a) (b)
(c) (d)
Figura 70 – Análise das fraturas por MEV: (a) superfície da fratura, (b) fratura frágil,
(c) possível início da fratura, (d) fratura semelhante a marcas de praia
A partir das análises da fratura feitas pelo MEV, pode-se perceber que a quebra
inicia na superfície das peças que possuem o canto vivo, região concentradora de
tensão. A falha tem características de fratura frágil, o mesmo tipo de fratura causada
pelo mecanismo de ESC.
A região de fratura desta peça era localizada nos pontos de fixação com tensões
constantes que por projeto possuíam cantos vivos (regiões de concentração de
tensão). Toda a fratura em serviço era localizada nos cantos vivos da peça que
estavam em contato com o agente químico.
Para resolver este problema foram modificadas as áreas concentradoras de tensão
eliminando os cantos vivos por áreas com raios de 0,5 mm gerando uma distribuição
e alívio de tensões conforme Figura 71.
105
Figura 71 – Melhoria no desenho. Alívio de concentração de tensão
Após a implementação desta modificação no processo não foi observado nenhuma
fratura após um período 12 meses de utlização das peças pelos consumidores
finais.
Como ações adicionais foram criadas controles de medição para a cota que estava
influenciando a fratura por ESC. A cada lote de fabricação são medidas 05 peças
para certificar que não houve variação de processo podendo afetar a intensidade de
tensão na área de fixação do policarbonato.
Em termos globais, foi criado um documento de desenvolvimento de produto que
serve como base de dados para futuros projetos. Este documento fala sobre o
mecanismo de ESC, e que toda peça de policarbonato em contato com agentes
químicos não deve ter concentradores de tensão (cantos vivos) quando forem
projetadas. Todo engenheiro que for fazer um novo projeto de peça em
policarbonato terá que avaliar a influência dos concentradores de tensão em
contatos com agentes químicos para que não ocorra a falha pelo meanismo de ESC
nas mãos dos conssumidores finais.
Com este estudo foi possível comprovar a teoria e os estudos realizados nesta
dissertação. Existe um fator de concentração que mesmo quando o policarbonato
tiver contato com o agente químico a produto não falhará em serviço.
Em termos organizacionais foi possível reduzir os custos industriais em 85%
causados pela troca de peças em serviços além do ganho de vendas devido o
aumento da satisfação dos consumidores finais.
106
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
De acordo com os resultados dos experimentos realizados nesta dissertação de
mestrado é possível concluir:
1. Os ensaios de tração para diferentes entalhes mostram que o comportamento do
policarbonato muda de acordo com a agressividade do concentrador de tensão.
O corpo de prova de policarbonato sem o entalhe possui fratura dútil com
diversas formações de crazes próximas a fratura, porém quando é introduzido o
concentrador de tensão o comportamento da fratura muda para frágil restringindo
a formações de crazes nos ensaios de tração. Quando o entalhe é introduzido no
corpo de prova de policarbonato não é possível perceber deformação plástica no
corpo de prova nos ensaios de tração sem o contato com o agente químico.
2. Confirmado a agressividade superior do metanol quando comparado com o
álcool isopropílico para o mecanismo de ESC no policarbonato. As moléculas de
metanol penetram com mais facilidade do que as moléculas do álcool isopropílico
nos corpos de provas de policarbonato tornando o mesmo mais suscetível ao
mecanismo de ESC.
3. A concentração de tensão acelera o mecanismo de ESC no policarbonato. Nos
ensaios carga constante, quanto maior o concentrador de tensão menor será o
tempo para acontecer à fratura e menor será a deformação do corpo de prova.
Os efeitos de concentração de tensão utilizados foram comprovados, pois nos
entalhes maiores a fratura no corpo de prova era mais rápida do que nos corpos
de provas com entalhes menores.
4. Para a avaliação do mecanismo de ESC é fundamental que as condições
estabelecidas para os ensaios sejam bem definidas e seguidas, à medida que os
resultados podem ser mascarados pela escolha do método errado ou por falta de
repetibilidade do sistema de medição. Para avaliar o mecanismo de ESC devem
ser pré-fixados os parâmetros a serem estudados, de forma que se obtenha o
mínimo ou nenhuma variação que interfira nos resultados.
5. Todos os ensaios realizados são possíveis perceber a influência do agente para
o mecanismo de ESC. O comportamento do policarbonato em contato com os
agentes químicos selecionados nesta dissertação muda completamente quando
comparado aos ensaios sem contato com os agentes. O álcool isopropílico e o
metanol são agressivos para o policarbonato e peças que venham a ter contato
107
em regiões de concentração de tensão está suscetível a falhar em serviço devido
ao mecanismo de ESC.
6. O contato do metanol e álcool isopropílico reduz a vida útil do policarbonato sob
a influência de concentradores de tensão.
7. Os valores de tensão crítica, obtidos nos ensaios de carga constante, foram
expressivos para a avaliação do mecanismo de ESC do policarbonato.
8. O tempo de ruptura de uma peça de policarbonato em contato com o metanol é
menor do que o tempo de ruptura de uma peça de policarbonato em contato com
o álcool isopropílico, pois, todos os ensaios de carga constante, os corpos em
contato com o metanol fraturou primeiro.
9. Não são todos os métodos aplicados na mecânica da fratura para os metais que
podem ser aplicados para os polímeros, uma vez que o mecanismo de ESC gera
a formação de diversos crazes na ponta da trinca. A fratura não é gerada pelo
crescimento único e exclusivo de uma trinca, e sim de diversas. A formação de
diversos crazes foi observada nos ensaios de tração com carga constante,
mesmo para corpos de provas com entalhe, portanto não é possível avaliar o
aumento do KI devido o aumento da trinca.
10. Existe um nível para o fator de concentração de tensão que não gera a fratura
pelo mecanismo de ESC no policarbonato. Através dos ensaios de carga
constante foi possível conhecer o fator de concentração que não existe
crescimento significativo da trinca. Com este tipo de ensaio é possível previnir
diversas falhas em serviços geradas pelo mecanismo de ESC.
11. O valor de KIEAC para o corpo de prova de policarbonato em contato com o
metanol é igual a 1,39 MPa√m e para o álcool isopropílico é igual a 1,74 MPa√m.
Com estes dados pode-se concluir que o metanol é mais agressivo que o álcool
isopropílico. Peças de policarbonato em contato com o álcool isopropílico
suportam maiores concentrações de tensão sem a ocorrência de falha pelo
mecanismo de ESC do que peças em contato com o metanol.
12. É possível reduzir os custos e melhorar a qualidade do produto com a redução
do fator de intesidade de tensão em uma peça de policarbonato em contato com
agentes químicos.
108
5.1 Contribuições
Esta dissertação teve uma grande contribuição para a comunidade acadêmica, à
medida que a mesma utilizou conceitos da mecânica da fratura, ainda pouco
explorados nos polímeros, para explicar o mecanismo de ESC no policarbonato. A
literatura nacional ainda é muito escassa para assuntos relacionados ao mecanismo
de ESC e conceitos de mecânica da fratura em polímeros, logo esta dissertação
aborda essas áreas de pesquisa para agregar valor e servir como referências para
futuros trabalhos acadêmicos e profissionais.
Para as indústrias esta dissertação serve como base de pesquisa para identificar um
valor de concentração de tensão em que as peças de policarbonato não sofra fratura
por ESC. Com este estudo é possível reduzir os custos gerados por falhas de peças
em serviços, uma vez que os projetistas podem desenvolver produtos com
concentração de tensão reduzida.
Para o estudo de pesquisa específico, esta dissertação contribuiu com a eliminação
de falhas por ESC em serviço de uma lente de policarbontato. Essa eliminação de
desperdício melhorou a satisfação dos clientes aumentando o lucro e vendas da
organização. O mesmo conceito aplicado nesta dissertação poderá ser utilizado em
diversas peças de policarbonato que falham em serviço reduzindo os custos gerados
pelas falhas.
5.2 Atividades Futuras de Pesquisa
Os ensaios e resultados apresentados nesta dissertação, como nos trabalhos
acadêmicos de forma geral, não têm como objetivo esgotar os assuntos abordados.
Esta dissertação tem um escopo e objetivo definido, não podendo abranger todos os
assuntos sobre o tema que é grande e vasto. O tema de estudo gera discussões e
questionamentos e, consequentemente, suscita a necessidade inerente a todo
pesquisador de conhecer com maior profundidade do tema estudado. Os objetivos
específicos e gerais desta dissertação estão explanados nas considerações finais.
Ao decorrer desta dissertação surgiram alguns questionamentos que estão
identificados a seguir, que servem de sugestão para futuros trabalhos de pesquisa:
109
1. Estudar a influência de outros fatores que contribuem para o mecanismo de ESC
no policarbonato (temperatura de ensaio, parâmetros de solubilidade do polímero
e do agente, densidade e grau de cristalinidade e grau de orientação das
moléculas).
2. Utilizar a metodologia desenvolvida nesta dissertação para avaliar a influência de
outros tipos de agentes químicos e outros polímeros.
3. Realizar ensaios de carga constante em tempos maiores para caracterizar
melhor o comportamento do policarbonato para o mecanismo de ESC para os
corpos de provam que não apresentaram falha.
4. Utilizar recursos do MEV (microscópio eletrônico de varredura) para explicar a
superfície de fratura dos corpos de provas de policarbonato.
5. Fazer ensaios de tração com carga constante com variação menor da tensão
constante, a fim de identificar valores diferenciados mais precisos para o KIEAC
110
REFERÊNCIAS
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