Desbalanceamento de resistência mecânica em materiais poliméricos:caracterização experimental e aplicação exploratória para projeto

Abstract

Os critérios de escoamento convencionais para materiais dúcteis, como de Tresca e von Mises, adotam que os materiais apresentam mesmas propriedades mecânicas em tração e compressão (então chamados balanceados) e, consequentemente, que o fenômeno de escoamento independe do nível de tensão hidrostática (ou pressão) atuante. Na prática este tratamento é razoável para materiais metálicos dúcteis e isotrópicos, mas muitas vezes não se mostra realista para alguns materiais poliméricos, cerâmicos e mesmo materiais metálicos frágeis. Polímeros dúcteis de engenharia podem apresentar maiores propriedades mecânicas ao escoamento sob compressão, como resultado do arranjo das macromoléculas e mecanismo de deformação. Tal fato pode conduzir a excesso de conservadorismo ( ou em alguns casos específicos o oposto) se os critérios clássicos são diretamente aplicados, o que abre caminho para potencial aprimoramento estrutural de componentes tirando proveito de tal eventual desbalanceamento de propriedades. Assim, este trabalho apresenta uma investigação sobre as metodologias de projeto mecânico ao escoamento considerando materiais que apresentam propriedades desbalanceadas à tração e à compressão, assim como uma verificação experimental da existência de tal desbalanceamento ao escoamento em polímeros termoplásticos. O objetivo central é caracterizar experimentalmente as propriedades mecânicas de polímeros em tração e compressão, discutindo a eventual existência de dissimilaridade e, de posse dos dados experimentais, conduzir uma aplicação exploratória visando aprimoramento estrutural por meio do uso de critérios de escoamento dependentes do nível de tensão hidrostática. Para que tal objetivo possa ser atingido, é inicialmente apresentado o arcabouço conceitual necessário ao desenvolvimento do trabalho, envolvendo tópicos de elasticidade, plasticidade, critérios de escoamento (tradicionais e incorporando desbalanceamento) e propriedades dos materiais poliméricos. São então descritas as alterações metodológicas necessárias à filosofia de projetos tradicional, a qual é exploratoriamente aplicada ao projeto de clipes poliméricos por meio de procedimentos analíticos e numéricos de cálculo. Os resultados demonstram a existência de desbalanceamento de propriedades mecânicas tanto em relação à rigidez como ao escoamento. No caso específico do escoamento, alguns materiais apresentam desbalanceamento médio de até 39% maior resistência em compressão considerando dados tensão-deformação de engenharia. Uma breve aplicação exploratória dos dados experimentais (combinados aos critérios modificados e algoritmos de otimização) à avaliação da seção transversal de um clipe polimérico demonstra, com a manutenção da segurança e da rigidez, reduções de massa de até 40% para as alternativas avaliadas. Este fato notiva a ampliação futura da base de resultados experimentais e a condução de validações práticas em atividades de projeto

Conventional yield criteria for ductile materials, such as Tresca and von Mises original formulations, predict that yielding phenomena is independent on the hydrostatic stress state (pressure), which means that tensile and compressive stress-strain behaviours are equally treated. In practice it means that yield strength is considered the same under tension and compression, which is reasonable for isotropic ductile metallic materials but most times inaccurate for polymers, ceramics and even brittle metals. Engineering ductile polymers sometimes present larger compressive yield strength (therefore called uneven polymers), as a result of chains arrangement and deformation micromechanism, which can lead to excessive conservatism (or the opposite under specific conditions) if classical criteria are simply adopted. This calls the attention to the possibility of structural improvement taking advantage of these dissimilar mechanical properties. As a step in this direction, this work evaluates the effects of implementing pressure dependent yield criteria (such as parabolically and conically modified von Mises theories) on design practices for components with regions working under compression. In addition, the work experimentally characterizes mechanical properties under tensile and compressive loading for several thermoplastic polymers. The main goal is to verify unevenness levels in ductile polymers and perform a brief exploratory application of modified theories looking for structural improvement of selected components (snap-fits). To achieve these goals, the work initially presents the conceptual background, including elasticity, lasticity, yield criteria (classical and modified theories) and mechanical behavior of polymers. In the sequence, an adapted design philosophy is presented to consider unevenness and an exploratory application is conducted for snap-fits cross section improvement. The results show that three of four tested polymers presented uneven mechanical properties, including stiffness and yield strength. Related to yielding, some materials presented up to 39 % greater properties under compression considering engineering stress-strain data. Based on these results, the application of the modified criteria and optimization algorithms to snap-fits cross sections was able to reduce up to 40 % weight, while maintaining original safety and stiffness levels. This fact motivates future additional experimental testing and design practical validation efforts for engineering polymers.