UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA - DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA - DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM

CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM

JOÃO CARLOS ROBALLO BASSO

MEDIÇÃO DE TENSÕES RESIDUAIS EM POLIESTIRENO PELO MÉTODO DO FURO CEGO

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JOÃO CARLOS ROBALLO BASSO

MEDIÇÃO DE TENSÕES RESIDUAIS EM POLIESTIRENO PELO MÉTODO DO FURO CEGO

Dissertação apresentada para a obtenção do título de mestre em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade do Estado de Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas – CCT.

Orientador: Dr. Ricardo Pedro Bom.

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FICHA CATALOGRÁFICA

B322m

Basso, João Carlos Roballo. Medição de Tensões Residuais em Poliestireno

pelo Método do Furo Cego/ João Carlos Roballo Basso; orientador: Ricardo Pedro Bom. – Joinville,

2011. 139 f. : il ; 30 cm.

Incluem referências.

Dissertação (mestrado) – Universidade do Estado Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas, Mestrado em Ciências e Engenharia de Materiais, Joinville, 2011.

1.Polímeros. 2. Métodos de Medição. I. Bom, Ricardo Pedro.

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MEDIÇÃO DE TENSÕES RESIDUAIS EM POLIESTIRENO PELO MÉTODO DO FURO CEGO

por

JOÃO CARLOS ROBALLO BASSO

Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de

MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

área de concentração em Polímeros, e aprovada em sua forma final pelo

CURSO DE MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

DO CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA.

Dr. Ricardo Pedro Bom CCT / UDESC (presidente)

Banca Examinadora:

Joinville, 15 de dezembro de 2011.

Dr. Paulo Anselmo Ziani Suarez Instituto de Química / UnB

Dr. Renato Barbieri CCT / UDESC

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AGRADECIMENTOS

Inúmeras pessoas contribuíram para tornar esta conquista uma realidade. Listar todos os seus nomes e méritos é para mim impossível, mas insisto em lembrar aqui alguns deles, que estiveram presentes em momentos especiais.

A Deus, fonte permanente de inspiração.

Ao Prof. Dr. Ricardo Pedro Bom, que forneceu toda a orientação e suporte necessários em todas as etapas deste trabalho;

Ao Prof. Dr. Renato Barbieri e todos os professores do PGCEM, pelos ensinamentos prestados dentro e fora de sala de aula;

Aos meus colegas do curso, Carlos, Danilo, Henrique, Delne, Kelen, Jonas, Mariana, Altair, Lidice, pelas trocas de conhecimentos e vivências que a todos engrandece;

Aos meus colegas da Whirlpool S.A., Marcos Hermann, Edivar Herdt, que prestaram um inestimável apoio científico e tecnológico;

Ao Prof. Écio Molinari do Laboratório de Polímeros da SOCIESC cujo suporte de infra-estrutura foi fundamental para algumas etapas deste trabalho.

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RESUMO

BASSO, João Carlos Roballo. Medição de Tensões Residuais em Poliestireno pelo Método

do Furo Cego. 2011. 139 f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais –

Área: Polímeros) – Universidade Federal de Santa Catarina. Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais. Joinville, 2011.

Tensões residuais em peças poliméricas são grande fonte de incertezas para o projeto de componentes industriais. São causadas principalmente durante o processo de injeção. Alguns dos problemas relacionados a esse fenômeno são a diminuição da resistência mecânica, surgimento de trincas e empenamento das peças. Muitos esforços são empregados na minimização dessas tensões residuais e, para isso, uma etapa indispensável é a sua medição. Existem métodos e equipamentos já disponíveis para medição de tensões residuais em materiais metálicos, porém, no campo dos materiais poliméricos ainda há muitos aspectos a serem melhor explorados. Neste trabalho foi construído um dispositivo para medição de sinais de extensiometria, o qual foi utilizado para determinação de tensões residuais segundo as técnicas mais utilizadas atualmente para metais. Técnicas de simulação de injeção foram utilizadas para estimar o surgimento de tensões residuais em corpos-de-prova poliméricos sob diversas condições de fabricação. Análise estatística foi realizada para selecionar as condições de fabricação mais propícias ao tensionamento das peças. Corpos-de-prova foram fabricados nas condições de processo selecionadas. Medições de peso das amostras confirmaram estatisticamente que os parâmetros de processo utilizados alteraram significativamente a massa final das peças. Medições de tensões residuais foram realizadas aplicando-se a técnica do furo cego nas amostras fabricadas, determinando-se tensões residuais de tração entre 2,7 MPa e 6,2 MPa, nas camadas próximas às superfície das amostras. O perfil típico de tensões residuais previsto em literatura foi observado nos experimentos realizados.

Palavras-chave: Tensões Residuais. Poliestireno. Técnica do Furo Cego. Extensiometria.

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ABSTRACT

BASSO, João Carlos Roballo. Residual Stress Measurement in Polystyrene through the

Hole Drilling Technique. 2011. 139 f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de

Materiais – Área: Polímeros) – Universidade Federal de Santa Catarina. Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais. Joinville, 2011.

Residual stresses in polymeric parts are a great source of uncertainties for the design of industrial components. They are originated mainly during the injection molding process. Some of the problems related to this phenomenon are reduction to the mechanic strength, cracks propagation and warpage. Many efforts are employed to minimize these residual stresses and, to achieve that, an essential step is its measuring. There are methods and devices already available to measure residual stress in metallic materials, but in the field of polymeric material, many aspects remain unexplored. In the present work, a device to measure strain gage signals was built, which was employed to determine residual stresses according to the most established techniques nowadays. Injection simulation techniques were utilized to estimate the build-up of residual stresses in polymeric test specimens under different manufacturing setups. Statistical analysis was performed to select the most favorable parameters for parts tensioning. Test specimens were fabricated in the selected process conditions. Samples weight measurements confirmed statistically that the process parameters selected have significantly altered the parts final mass. Residual stress measurements were carried out by employing the hole drilling technique in the manufactured specimens, thus being determined tensile residual stresses from 2.7 MPa by 6.2 MPa, in the layers closest to the parts surface. The typical profile for residual stress distribution, as described in literature, was observed in the experiments performed.

Keywords: Residual Stress. Polystyrene. Hole Drilling Technique. Strain Gage. Injection

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LISTA DE SÍMBOLOS

σ Tensão de tração mecânica

σE Tensão de tração limite de escoamento

σ1 Tensão de tração principal na direção principal σ2 Tensão de tração principal na direção secundária σx, σy Tensões de tração numa orientação genérica

σz Tensão de tração na direção do eixo z (espessura da peça) α Direção da tensão de tração principal σ1

τ Tensão de cisalhamento

τxx Tensão de cisalhamento na direção xx τyy Tensão de cisalhamento na direção yy τxy Tensão de cisalhamento no plano xy

Cisalhamento no plano xy

Ɛ Deformação específica

Ɛ1 Deformação específica na direção da tensão principal σ1 Ɛ 2 Deformação específica na direção da tensão principal σ2 Ɛ I Deformação específica na direção do extensômetro I da roseta Ɛ II Deformação específica na direção do extensômetro II da roseta Ɛ III Deformação específica na direção do extensômetro III da roseta

Ɛr Deformação residual resultante

βI Ângulo do extensômetro I da roseta βII Ângulo do extensômetro II da roseta βIII Ângulo do extensômetro III da roseta Z Profundidade do furo

D0 Diâmetro do furo

D Diâmetro médio da grade dos extensômetros E* Módulo de Young complexo

E’ Componente real do módulo de Young complexo E’’ Componente imaginária do módulo de Young complexo

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υ coeficiente de Poisson

Ω Ohm, unidade de resistência elétrica Ga Fator de ganho da etapa de amplificação Gf Fator de ganho do extensômetro (gage factor)

R Resistência elétrica

ΔR Variação na resistência elétrica L Comprimento

ΔL Variação no comprimento V Tensão elétrica

ΔV Variação na tensão elétrica

Ve Tensão de entrada da ponte de Wheatstone

Coeficientes de cálculo da deformação residual resultante a Coeficientes de cálculo de e

t Parâmetro de Student

tcr Parâmetro crítico de Student Média amostral

s Desvio padrão amostral µo Média populacional

n Número de elementos da amostra R2 Coeficiente de correlação

gl Graus de liberdade

p(t, gl) Probabilidade do erro de tipo I F Parâmetro do teste F

Sb2 Variância entre grupos Sw2 Variância dentro de grupos H0 Hipótese nula

I Número de tratamentos (ANOVA)

J Número de observações em cada tratamento (ANOVA)

SQTr Soma dos quadrados das variações entre os tratamentos (ANOVA) SQEr Soma dos quadrados das variações dentro dos tratamentos (ANOVA) SQT Soma total dos quadrados das variações (ANOVA)

w Parâmetro de Tukey-Kramer

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QME: Média quadrática entre dois grupos (Tukey) I Número de tratamentos (Tukey)

J Número de observações em um determinado tratamento (Tukey) m Massa do corpo-de-prova

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1: Extensômetro linear. ... 27

Figura 2: Ponte de Wheatstone. ... 28

Figura 3: Circuito amplificador. ... 29

Figura 4: Uso de amplificadores operacionais na entrada do circuito de amplificação. ... 30

Figura 5: Ponte de Wheatstone ativa. ... 30

Figura 6: Posicionamento de extensômetros para eliminação dos sinais de flexão. ... 31

Figura 7: Ligação em série de extensômetros submetidos a cargas opostas. ... 32

Figura 8: Arranjo em quarto de ponte com dois extensômetros em série. ... 32

Figura 9: Tensões planas atuantes em um elemento sólido... 33

Figura 10: Tensões principais σ1 e σ2 e direção principal. . ... 34

Figura 11: Círculo de Mohr de um elemento sob tensões planas. ... 34

Figura 12: Limites de falha em tensões planas conforme Von Mises e Tresca ... 35

Figura 13: Resultados experimentais de falha para diversos materiais. ... 36

Figura 14: Orientação dos extensômetros de uma roseta tripla. ... 37

(13)

Figura 16: Elementos principais da técnica do furo cego. ... 39

Figura 17: Representação da técnica do furo cego. ... 40

Figura 18: Região de influência de tensões residuais em profundidades sucessivas... 41

Figura 19: Erro de excentricidade em medições com extensômetros tipo roseta ... 42

Figura 20: Peso dos indivíduos de acordo com a) alimentação b) preferência musical. ... 44

Figura 21: Relatório do teste de Student ... 46

Figura 22: Tela de resultado da análise de variância ... 47

Figura 23: Análise gráfica do método de Tukey-Kramer. ... 48

Figura 24: Casos típicos da análise gráfica de Tukey-Kramer. ... 49

Figura 25: Tela de relatório da análise de Tukey-Kramer ... 49

Figura 26: Gráficos de resposta do método de resposta em superfície. ... 50

Figura 27: Modelos de experimentos tipo CCD com dois fatores... 51

Figura 28: Experimentos tipo CCD com três fatores. ... 51

Figura 29: Deformação das macromoléculas e linhas de fluxo de um polímero na região atrás da frente de fluxo durante a fase de preenchimento. ... 52

Figura 30: Peças de poliestireno fotografadas através de filme polarizado. ... 53

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Figura 32: Distribuição de tensões na direção do fluxo em diferentes espessuras de uma peça

injetada em cinco instantes típicos. ... 57

Figura 33: Resultados medidos e calculados de tensões residuais em poliestireno ... 58

Figura 34: Estudo comparativo dos métodos do furo cego e remoção de camadas ... 59

Figura 35: Corpos-de-prova fabricados por compressão para ensaios de extensiometria. ... 61

Figura 36: Dispositivo de ensaio estático de deformação medido com sistema HBM. ... 62

Figura 37: Dispositivo de ensaio estático de deformação com ponte de Wheatstone. ... 63

Figura 38: Diagrama de blocos de um ensaio de extensiometria ... 63

Figura 39: Diagrama elétrico da Ponte de Wheatstone (1) e amplificador (2). ... 64

Figura 40: Dispositivo de extensiometria implementado... 64

Figura 41: Corpos-de-prova para ensaio de tração equipados com extensômetros. ... 66

Figura 42: Corpo-de-prova equipado com extensômetros simples e roseta. ... 67

Figura 43: Molde utilizado para fabricação das peças. ... 68

Figura 44: Dimensões do molde e cavidades utilizados para fabricação das amostras. ... 68

Figura 45: Modelo utilizado para simulação de injeção. ... 69

Figura 46: Modelo da peça e sistema de alimentação para simulação... 69

Figura 47: Estimativa de resposta das tensões residuais aos fatores de estudo. ... 73

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Figura 49: Posicionamento do extensômetro no corpo-de-prova. ... 76

Figura 50: Cavacos rígidos gerados na operação de fresamento. ... 76

Figura 51: Leitura dos sinais de deformação do corpo-de-prova A em função do tempo. ... 77

Figura 52: Leitura dos sinais de deformação do corpo-de-prova B em função do tempo. ... 77

Figura 53: Leitura dos sinais de deformação do corpo-de-prova C em função do tempo. ... 78

Figura 54: Curva Tensão x Deformação obtida pelo equipamento HBM. ... 79

Figura 55: Leitura dos sinais do extensômetro do corpo-de-prova D em função do tempo. ... 80

Figura 56: Leitura dos sinais do extensômetro do corpo-de-prova E em função do tempo... 80

Figura 57: Leitura dos sinais do extensômetro do corpo-de-prova F em função do tempo. .... 81

Figura 58: Resultados de deformação medida por ponte de Wheatstone. ... 82

Figura 59: Resultados dos testes de extensiometria. ... 83

Figura 60: Resultados dos testes de extensiometria (A-F) e ensaios de tração (CP1-CP5). .... 85

Figura 61: Análise de Tukey-Kramer. ... 88

Figura 62: Sinais de extensiometria sob tensão dinâmica - CP1. ... 89

Figura 63: Sinais de extensiometria sob tensão dinâmica - CP2 ... 90

Figura 64: Sinais de extensiometria sob tensão dinâmica - CP3 ... 90

Figura 65: Sinais de extensiometria sob tensão dinâmica - CP4 ... 91

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Figura 67: Sinais de deformação da máquina de tração em relação ao extensômetro ... 92

Figura 68: Leituras dos extensômetros simples e triplo. ... 94

Figura 69: Leituras dos extensômetros triplo e simples. ... 95

Figura 70: Deformações específicas medidas pelos extensômetros simples e triplo. ... 97

Figura 71: Correlação das medições do extensômetro triplo e simples. ... 97

Figura 72: Distri uição de tensões residuais σ1 na superfície da peça para o caso 1. ... 98

Figura 73: Ponto para medição das tensões residuais obtidas em simulação. ... 98

Figura 74: Profundidade de medição das tensões residuais obtidas em simulação. ... 101

Figura 75: Tensões residuais calculadas em simulação. ... 101

Figura 76: Corpo-de-prova obtido no processo de injeção. ... 103

Figura 77: Gráfico de variabilidade das medições de massa. ... 104

Figura 78: Leituras dos sinais elétricos medidos na peça 16. ... 105

Figura 79: Leituras dos sinais elétricos medidos na peça 10. ... 106

Figura 80: Leituras dos sinais elétricos medidos na peça 6. ... 106

Figura 81: Leituras dos sinais elétricos medidos na peça 8. ... 107

Figura 82: Leituras dos sinais elétricos medidos na peça 30. ... 107

Figura 83: Leituras dos sinais elétricos medidos na peça 26. ... 108

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Figura 85: Tensões residuais medidas e simuladas na peça 16. ... 116

Figura 86: Estado de tensões da peça 16. ... 117

Figura 87: Detalhe do furo realizado na peça 16. ... 117

Figura 88: Tensões residuais medidas e simuladas na peça 10. ... 119

Figura 89: Estado de tensões da peça 10. ... 119

Figura 90: Tensões residuais medidas e simuladas na peça 6. ... 120

Figura 91: Estado de tensões da peça 6. ... 121

Figura 92: Tensões residuais medidas e simuladas na peça 8. ... 122

Figura 93: Estado de tensões da peça 8. ... 122

Figura 94: Excentricidades nos furos das amostras 10, 6 e 8. ... 123

Figura 95: Tensões residuais medidas e simuladas na peça 30. ... 125

Figura 96: Estado de tensões da peça 30. ... 125

Figura 97: Tensões residuais medidas e simuladas na peça 26. ... 126

Figura 98: Estado de tensões da peça 26. ... 127

Figura 99: Detalhe dos furos executados nas amostras 30 e 26. ... 127

Figura 100: Tensões residuais medidas para a peça C1. ... 128

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ÍNDICE DE TABELAS

a ela 1: oeficientes a e para o teste do furo cego. ... 41

a ela 2: Aplicação do teste “t” para duas amostras. ... 45

Tabela 3: Exemplo de Tabela de Análise de Variância. ... 47

Tabela 4: Propriedades do poliestireno DOW 688G ... 60

Tabela 5: Características de malha do molde (Midplane). ... 70

Tabela 6: Características de malha da peça (Midplane). ... 70

Tabela 7: Características de malha dos canais de alimentação (Midplane). ... 71

Tabela 8: Características de malha dos canais de refrigeração. ... 71

Tabela 9: Parâmetros de processo utilizados para simulação. ... 72

Tabela 10: Planejamento do Experimento. ... 73

Tabela 11: Algoritmo utilizado para o teste do furo cego. ... 75

Tabela 12: Resultados de Extensiometria com o sistema HBM. ... 79

Tabela 13: Leitura dos sinais elétricos obtidos pela ponte de Wheatstone. ... 81

Tabela 14: Resultados de deformação obtidos pela ponte de Wheatstone. ... 82

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Tabela 16: Análise de variância dos dois testes de extensiometria. ... 84

a ela 17: este “t” comparando os dois métodos de e tensiometria. ... 85

Tabela 18: Resultados dos ensaios de tração. ... 86

Tabela 19: Análise de variância dos três métodos combinados. ... 87

Tabela 20: Resultados dos testes de tração e de extensiometria sob carga dinâmica ... 92

Tabela 21: Proporção entre as deformações obtidas por extensiometria e máquina de tração. 93 Tabela 22: Leituras médias dos extensômetros simples e triplo ... 94

Tabela 23: Deformações observadas nos extensômetro simples e triplo. ... 96

a ela 24: ensões residuais principais σ1 determinadas por simulação. ... 99

Tabela 25: Tensões residuais principais σ2 determinadas por simulação. ... 100

Tabela 26: Determinação das massas dos corpos-de-prova. ... 103

Tabela 27: Resultados das leituras dos extensômetros da peça 16. ... 109

Tabela 28: Resultados das leituras dos extensômetros da peça 10. ... 109

Tabela 29: Resultados das leituras dos extensômetros da peça 6. ... 110

Tabela 30: Resultados das leituras dos extensômetros da peça 8. ... 110

Tabela 31: Resultados das leituras dos extensômetros da peça 30. ... 111

Tabela 32: Resultados das leituras dos extensômetros da peça 26. ... 111

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Tabela 34: Sinais de deformação dos extensômetros da peça 16. ... 112

Tabela 35: Sinais de deformação dos extensômetros da peça 10. ... 113

Tabela 36: Sinais de deformação dos extensômetros da peça 6. ... 113

Tabela 37: Sinais de deformação dos extensômetros da peça 8. ... 113

Tabela 38: Sinais de deformação dos extensômetros da peça 30. ... 114

Tabela 39: Sinais de deformação dos extensômetros da peça 26. ... 114

Tabela 40: Sinais de deformação dos extensômetros da peça C1. ... 114

a ela 41: ensões principais σ1 e σ2 medidas na peça 16. ... 115

Tabela 42: Tensões principais e secundárias medidas nas peças 10, 6 e 8. ... 118

Tabela 43: Tensões principais σ1 e σ2 medidas nas peças 30 e 26. ... 124

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SUMÁRIO

INTRODUÇÃO 23

OBJETIVO DO TRABALHO 25

1 REVISÃO 26

1.1 COMPORTAMENTO MECÂNICO DE MATERIAIS POLIMÉRICOS 26

1.2 ANÁLISE DE DEFORMAÇÃO MECÂNICA POR MEIO DE

EXTENSIOMETRIA 27

1.2.1 COLAGEM DO EXTENSÔMETRO E CURA DO ADESIVO 30

1.2.2 ENSAIO DE TRAÇÃO COM ELIMINAÇÃO DOS EFEITOS DE FLEXÃO 31

1.3 ESTADO PLANO DE TENSÕES 33

1.4 CRITÉRIOS DE FALHA 34

1.5 DETERMINAÇÃO DO ESTADO PLANO DE TENSÕES POR

EXTENSIOMETRIA 36

1.6 MEDIÇÃO DE TENSÕES RESIDUAIS 38

1.6.1 MEDIÇÃO DE TENSÕES RESIDUAIS 41

1.7 ES E “t” DE S UDEN 42

1.8 ANÁLISE DE VARIÂNCIA 46

1.9 MÉTODO DAS DIFERENÇAS HONESTAMENTE SIGNIFICATIVAS 47

1.10 EXPERIMENTOS DE RESPOSTA EM SUPERFÍCIE 49

1.11 TENSÕES RESIDUAIS EM MOLDAGEM POR INJEÇÃO 52

1.11.1 ETAPA DE PREENCHIMENTO 52

1.11.2 ETAPA DE RECALQUE 54

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2 MATERIAIS E DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL 60

2.1 MATERIAL 60

2.2 EXTENSÔMETROS 60

2.3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 61

2.4 SISTEMA HBM 62

2.5 PONTE DE WHEATSTONE 62

2.6 ENSAIOS DE TRAÇÃO PADRONIZADOS 65

2.7 ENSAIOS DE EXTENSIOMETRIA E DE TRAÇÃO COM CARGA

DINÂMICA 65

2.8 USO DE EXTENSÔMETROS TIPO ROSETA TRIPLA 66

2.9 SIMULAÇÃO NUMÉRICA DE TENSÕES RESIDUAIS 67

2.9.1 MOLDE E CANAIS DE REFRIGERAÇÃO 69

2.9.2 CAVIDADES E CANAIS DE ALIMENTAÇÃO 69

2.10 PLANEJAMENTO DO EXPERIMENTO 72

2.11 FABRICAÇÃO DOS CORPOS-DE-PROVA 73

2.12 MEDIÇÃO DE TENSÕES RESIDUAIS PELO MÉTODO DO FURO CEGO 74

3 RESULTADOS E ANÁLISE 77

3.1 TESTES DE EXTENSIOMETRIA ESTÁTICOS PELO SISTEMA HBM 77

3.2 ENSAIOS DE EXTENSIOMETRIA ESTÁTICOS COM USO DE PONTE DE

WHEATSTONE 79

3.2.1 INTERPRETAÇÃO DOS TESTES DE EXTENSIOMETRIA ESTÁTICOS 82

3.3 ENSAIO DE TRAÇÃO 85

3.3.1 ANÁLISE DOS RESULTADOS DE EXTENSIOMETRIA E ENSAIO DE

TRAÇÃO 86

3.4 ENSAIOS DE EXTENSIOMETRIA E DE TRAÇÃO COM CARGA

(23)

3.4.1 INTERPRETAÇÃO DOS RESULTADOS DE EXTENSIOMETRIA

DINÂMICOS 92

3.5 USO DE EXTENSÔMETROS TIPO ROSETA TRIPLA 93

3.6 SIMULAÇÃO DE INJEÇÃO: TENSÕES RESIDUAIS DENTRO DA

CAVIDADE 98

3.7 DETERMINAÇÃO DAS MASSAS DOS CORPOS-DE-PROVA 102

3.8 DETERMINAÇÃO DE TENSÕES RESIDUAIS PELO MÉTODO DO FURO

CEGO 105

3.8.1 ANÁLISE DOS RESULTADOS DO FURO 1 115

3.8.2 ANÁLISE DOS RESULTADOS DOS FUROS 2 A 4 118

3.8.3 ANÁLISE DOS RESULTADOS DOS FUROS 5 E 6 123

3.8.4 ANÁLISE DO CORPO-DE-PROVA FABRICADO POR COMPRESSÃO 128

4 CONCLUSÃO 130

(24)

23

INTRODUÇÃO

Tensões residuais são aquelas existentes num material quando não há aplicação de cargas externas de origem mecânica ou térmica. Em peças poliméricas injetadas, as causas para seu surgimento estão fortemente ligadas às fases de preenchimento, recalque e resfriamento (MURAKAMI et al., 2008), embora haja muitas características de projeto que também influenciem nesse fenômeno. Entretanto, a moldagem por injeção é um recurso largamente utilizado na indústria, devido às suas características de alta produtividade, baixo custo de mão-de-obra, acabamento superficial da peça e versatilidade de projeto (STRAPASSON, 2004). Outros processos de fabricação, podendo-se citar a moldagem por compressão, submetem o material a taxas muito menores de variações térmicas e esforços mecânicos, sendo muito menos propensos ao surgimento de tais tensões (KIAM et al., 2007).

A rigor, não se pode afirmar genericamente que as tensões residuais sejam sempre prejudiciais ou sempre benéficas para o comportamento mecânico da peça. Tensões residuais de compressão, por exemplo, podem contribuir para aumentar o limite de resistência da peça à tração mecânica e à fadiga. Foi também observado que tensões de compressão na superfície da peça podem aumentar sua resistência contra a propagação de trincas e contra os efeitos de envelhecimento provocados pelos raios ultra-violeta (KWOK et al., 1996). Entretanto, na maioria das aplicações industriais, os problemas causados pelas mesmas são muito maiores que os benefícios. Mesmo nos casos particulares em que os benefícios sejam maiores que as desvantagens, a formação de tensões residuais é um processo muito difícil de ser controlado, portanto não é usual utilizar-se suas propriedades nos projetos de produto.

Podem-se citar vários problemas advindos do surgimento de tensões residuais em peças poliméricas. Pode ocorrer empenamento quando essas tensões forem concentradas numa região da peça devido, por exemplo, a diferenças na taxa de contração do material (MANRICH, 2005). É muito comum que as peças feitas em polímeros tenham pequena espessura, de modo que uma concentração de tensões numa região cause uma distorção significativa num ponto mais distante.

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O surgimento e propagação de trincas é outro efeito colateral freqüentemente observado. A presença de tensões em pontos sujeitos a solicitações mecânicas cíclicas irá acelerar esse processo ou pode até permitir o surgimento de fissuras em componentes nos quais isso não aconteceria nas condições de projeto previstas.

Também já se observou prejuízos à aderência de recobrimentos em peças poliméricas. Foi observado que a camada de eletrogalvanização sofre tendência de trincamento e desplacamento na presença de tensões residuais superficiais em peças de ABS (MURAKAMI, 2009).

Todos esses problemas acabam, de diversas maneiras, trazendo prejuízos à indústria e ao consumidor. Esses prejuízos aparecem na forma de reclamações do cliente, reposição de peças danificadas, quebras de equipamentos, superdimensionamento das peças, entre os exemplos mais comuns. De fato, é comum nas indústrias a presença de uma ou várias pessoas dedicadas à otimização do processo de injeção, e a minimização desse fenômeno é uma de suas missões permanentes. E tal tarefa constitui-se um desafio considerável, observando-se as restrições usuais de velocidade de produção, exigências de qualidade e custos.

Nesse contexto, a medição dessas tensões residuais torna-se uma tarefa crítica. Há várias estratégias conhecidas para minimizar-se a formação dessas tensões (LEÃES, 2008), mas freqüentemente são necessárias medições diretas para comprovar-se a efetividade dessas técnicas. Em materiais metálicos, tais técnicas de medição já se encontram bastante exploradas, havendo inclusive procedimentos padronizados tais como o da norma ASTM E837-01 (ASTM, 2001). Entretanto, tal estudo no campo dos materiais poliméricos, ainda encontra-se em desenvolvimento. Chiang e Chang (CHANG et al., 2007) realizaram medições de empenamento em peças de PC/ABS por meio de medições de distâncias entre pontos predeterminados de uma peça. Weng et al., (WENG et al., 2009) utilizaram a técnica de birrefringência para avaliar a presença de tensões residuais em peças de PC e PMMA. Kim e Youn (KIM et al., 2007) utilizaram o método do furo cego para medir tensões residuais em peças planas de PS. Youn et al., (YOUN et al., 2009) utilizaram o método do furo cego e o método de remoção de camadas para avaliação de tensões residuais em peças de geometrias complexas.

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furo cego destaca-se com as vantagens de boa precisão e resolução, baixa incerteza, grande faixa de medição, curto tempo para completar a medição e possibilidade de realizar medições dinâmicas. Algumas desvantagens, que podem ser muito relevantes em contextos específicos, são o custo do extensômetro, a dificuldade de transportar o equipamento para campo, o fato de serem realizadas medições pontuais ao invés de amplas, o fato de ser um método semidestrutivo e a dificuldade de obter-se leituras próximas à superfície. Naturalmente deve ser considerado também o investimento para aquisição dos equipamentos de realização da furação e leitura dos sinais dos extensômetros.

Além dos estudos em andamento com medições experimentais, muito tem sido pesquisado sobre o cálculo e simulação de tensões residuais. Choi e Im (CHOI et al., 1999) propuseram um modelo matemático da constituição de tensões residuais, identificando as condições de contorno aplicáveis às temperaturas e pressão de injeção e pressão de recalque durante o processo de injeção. Chen et al. (CHEN et al., 2000) propuseram um modelo matemático para a formação de tensões residuais em peças poliméricas durante a fase de resfriamento. Wu et al. (WU et al., 2009), propuseram um modelo matemático para predição de tensões residuais do material injetado antes da abertura do molde.

OBJETIVO DO TRABALHO

Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento e calibração de um dispositivo para medição de tensões residuais em peças poliméricas pelo método do furo cego, utilizando-se recursos e equipamentos normalmente disponíveis nas Universidades e indústrias em geral. A precisão, acuracidade e repetibilidade das medições de extensiometria foram verificadas experimentalmente. Utilizando-se recursos de simulação, foi estudada a influência do tempo de injeção e da pressão de recalque na formação de tensões residuais em corpos-de-prova injetados de poliestireno e posteriormente foram fabricadas amostras em condições propícias à geração de tais tensões. O dispositivo desenvolvido foi utilizado para medição das tensões residuais nas amostras fabricadas, levando à observação de perfis de tensão compatíveis com aqueles previstos pela literatura e pelos aplicativos de simulação computadorizada. Com as medições realizadas foi possível determinar-se a tensão residual principal σ1 e σ2 preexistente

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