Desenvolvimento numérico-experimental de corpos de prova aplicáveis a ensaios de tração, compressão e torção de polímeros

Abstract

Ensaios de tração, compressão e torção representam a base para a caracterização de propriedades mecânicas, seleção e desenvolvimento de materiais. Adicionalmente, fornecem as condições de contorno para o desenvolvimento de projetos de engenharia eficientes e seguros. As metodologias de ensaio são padronizadas (por exemplo pela ASTM - American Society for Testing and Materials-, ISO - International Organization for Standardization -, entre outras entidades) e buscam garantir precisão e repetibilidade entre equipamentos e laboratórios. Normas para variados ensaios em metais são amplamente disseminadas e aceitas, mas no caso de polímeros são centralmente aceitos os ensaios de tração e flexão – os quais, por sua vez, utilizam corpos de prova diferentes e não permitem a caracterização de propriedades ao cisalhamento e à compressão por exemplo. Assim, torna-se de grande relevância a obtenção de um corpo de prova único que, eliminando efeitos geométricos, de volume, de campos de tensão e de processabilidade, permita a realização dos principais ensaios mecânicos. Baseado neste conceito, este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento numérico e a validação experimental de uma família de corpos de prova que possam ser aplicados em ensaios de tração, compressão, torção e em benefício de ensaios como relaxamento e fluência de polímeros com precisão e reprodutibilidade minimizando distorções dos campos de tensões, efeitos de atrito e de flambagem. Para o estudo, simulações e validações experimentais foram considerados materiais limites em termos de uso e extremos na resistência e módulo de elasticidade dentre os principais empregados na indústria: o PEAD (polietileno de alta densidade) e o POM (poli (óxido de metileno)). Os resultados obtidos demonstram que considerações analíticas complementadas por modelos refinados não lineares de elementos finitos permitem o desenvolvimento de geometrias unificadas aplicáveis a múltiplos ensaios em materiais de variadas rigidez e resistência, considerando as especificidades de cada material e modelo. Os ensaios experimentais validaram as propostas e direcionaram as considerações que devem ser realizadas quando simulados os materiais poliméricos e tipos de geometrias na realização de múltiplos ensaios

Tensile, compression and torsion tests represent the basis for mechanical properties characterization, selection and development of materials. Besides, these tests provide the boundaries conditions to the development of efficient while at the same time safe engineering projects. The testing methodologies are standardized (for example, by ASTM - American Society for Testing and Materials-, ISO - International Organization for Standardization ASTM, ISO and other entities) and look for ensuring accuracy and repeatability between laboratories and equipments. Considering metallic materials, standards used for many tests (tension, compression, bending, torsion) are widely accepted, while, in the case of rigid polymers, predominantly tensile and flexural tests are usually conducted and accepted. However, these tests employ different samples and are not able to fully characterize mechanical properties under shear and compression. Consequently, it is beneficial to obtain a single specimen shape which, eliminating processing and geometric effects, is able to support the most important mechanical tests. Based on this concept, this work looks for the numerical development and experimental validation of a specimen geometry (or family of geometries) which could be employed for tensile, compression, torsion and relaxation/creep tests of thermoplastic polymers with accuracy and repeatability, minimizing stress field distortions, friction effects and buckling. To the study, its simulations and experimental validations were considered extreme polymeric materials in terms of properties such as tensile resistance and elastic modulus considering some of the most important materials used in industry: PEHD (high density polyethylene) and POM (polyoxymethylene). Results demonstrate that analytical considerations combined to refined nonlinear finite element models allow the development of unified geometries applicable to multiple tests in materials of varying stiffness and resistance. The experiments validated the proposals and proved that unified geometries can be employed for multiple tests.