propriedade do adesivo epox 17cbecimat-410-013
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DETERMINAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE UM ADESIVO ESTRUTURAL EPÓXI.
A.F.Santos(1); C.G Schön(1) Av. Prof. Mello Moraes, 2463 São Paulo.alessandra.santos@poli.usp.br
(1) EPUSP- Escola Politécnica da USP – Departamneto de Engenharia Metalurgica e de Materiais.
RESUMO Na indústria automobilística há uma grande preocupação em relação ao custo e peso das
peças utilizadas em projetos, deste modo os adesivos vem sendo utilizados para substituir a solda ponto. A indentação instrumentada pode ser utilizada para determinar propriedades mecânicas do polímero e neste trabalho propõe-se o uso desta técnica para investigar o adesivo epóxi Betamate 1496 diretamente montado na estrutura da carroçaria do veículo Pólo Hatch da Volkswagen objetivando identificar as possíveis diferenças entre o polímero em diferentes fases de seu processamento industrial (estado pré-curado e curado) em diferentes regiões da porta. O estudo foi realizado utilizando os procedimentos experimentais propostos por Pintaúde e colaboradores1 na avaliação das propriedades do adesivo. Baseado nos resultados idênticos de dureza (0,03 GPa ) e módulo de elasticidade (1 GPa) conclui-se que o material no estado pré-curado já atingiu as máximas resistências mecânicas e térmicas.
Palavras-chave: indentação instrumentada, polímero termofixo, propriedades mecânica,
dureza.
INTRODUÇÃO
Na engenharia moderna há uma grande preocupação em relação ao custo e
ao peso das peças utilizadas em projetos automobilísticos. Os adesivos
poliméricos vêm sendo empregados na indústria aeronáutica e automobilística com
êxito a fim de minimizar gastos para essa finalidade(2).
O impulso para usar adesivo para colagem de metal surgiu na década de quarenta
quando adesivos sintéticos de alta resistência tornaram-se viáveis comercialmente.
Deste modo engenheiros e projetistas começaram a usá-los com sucesso no lugar
de outros métodos de junção como soldagem e rebitagem(3,4,5) Grandes investimentos
em produção permitiram que em 2001 fossem consumidos 45200 toneladas de
adesivos para junção de metais(2,6).
Em 1984, por exemplo, a Volvo anunciou o uso do epóxi para substituir
alguns pontos de solda feitos com solda a ponto, reduzindo o número convencional
de solda ponto de 4000 pontos para 500 pontos de solda na construção de chassis(7).
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O adesivo Betamate 1496 d e b a s e e p ó x i é utilizado na fabricação da
carroçaria do veículo Pólo v.Hatch da Volkswagen do Brasil S.A com essa
finalidade(8).
A cura do adesivo ocorre em duas etapas: pré-cura e cura final. O processo de
pré-cura é realizado por indutores que circulam no perímetro da peça produzindo o
aquecimento do aço que troca de calor com o adesivo epóxi e provoca a pré-cura do
material a 180 Cº em 40 segundos. A cura final ocorre na estufa de pintura na
temperatura entre 170Cº a 175Cº em 15 minutos.
1.1 Indentação Instrumentada
A indentação instrumentada é uma técnica capaz de determinar propriedades
mecânicas de pequenas regiões em uma microestrutura(9). Além da dureza e módulo
de elasticidade(10), esta técnica pode ser empregada para caracterizar o nível de
tensão residual(11), o limite de escoamento e o coeficiente de encruamento do
material.(10)
. Neste ensaio aplica-se uma carga determinada (P) a um penetrador de geometria
conhecida contra a superfície do material. A profundidade de penetração (h) é
registrada “in situ”. A curva P-h resultante é utilizada na avaliação das propriedades
mecânicas do material, sendo possível analisar os parâmetros de descarregamento
(vide figura 1) e determinar o módulo de elasticidade E, e a rigidez de contato S. O
módulo de elasticidade determina o grau de recuperação do material após a remoção
da carga(12).
Figura 1 Representação esquemática da curva Pxh de ensaio de dureza
instrumentada(12).
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Onde maxP é a máxima força de ensaio aplicada, maxh é a profundidade máxima
de indentação, hf é a profundidade final (= profundidade de indentação após o
descarregamento) , hc é a profundidade de contato entre o penetrador e amostra
(corresponde à profundidade ...) , dhdPS = é a rigidez de contato. Os parâmetros
maxP , maxh , hf , são obtidos diretamente da curva resultante do ensaio de
indentação, já hc e dhdPS = são obtidos analiticamente(13).Uma exigência do método
é que o material não apresente ofenômeno “pile-up”que consiste de um
empilhamento do material na borda da indentação durante a aplicação da força no
ensaio de indentação(14) conforme mostra a figura 2. Outro fenômeno que pode
ocorrer é o fenômeno “sink-in” (vide figura 2) que é caracterizado por um
afundamento do material ao longo do penetrador durante o ensaio de indentação.
Os fenômenos “sink-in” e “pile-up” afetam a área de contato que resultam
respectivamente em uma subestimação ou superestimação da área de contato em
função da profundidade da indentação(14) conforme figura 2. A área de contato é o
principal parâmetro para calcular dureza e módulo de elasticidade dos resultados
provenientes do ensaio de indentação.(10 ,15)
Figura 2: Efeito dos fenômenos “pile-up” (a) “sink in” sobre o perfil da penetração em um
ensaio de indentação(14) Um fator importante é que toda teoria para os cálculos de área de contato, módulo
elástico e dureza na indentação é que estes são baseados na teoria do contato
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elástico na qual o fenômeno “sink-in” sempre acontece. Desta forma quando o
fenômeno “pile-up” ocorre, a área de contato ( que é o parametro principal para o
calculo das demais propriedades do material) é fortemente subestimada e a
metodologia proposta por Oliver e Pharr torna-se ineficaz(16).
1.2 Metologia Proposta por Pintaúde e colaboradores Pintaúde e colaboradores1 propuseram uma relação alternativa para o calculo
de área de contato por ajustarem os pontos da tabela 1 da referência 11 por
meio de uma função semelhante à exponencial proposta por Suresh
Giannakopoulos (11), relacionaram maxA e a razão maxhhf
que são parâmetros obtidos
diretamente do ensaio de indentação e que levam em consideração os fenômenos
“pille-up”e “sink-in”, assim, foi possível obter a equação (A) :
×
=
62703695
max
1358683,2
max2
max
max exp62274,11hh
hh
hA ff
(A)
Esta metodologia foi usada no presente trabalho.
MATERIAIS E METODOS
As amostras foram retiradas da porta direita dianteira do veículo Pólo Hatch
2003 (conforme figura 3) em duas situações: na primeira as amostras foram
retiradas após aplicação (estado pré-curado) e na segunda com a cura final
realizada na estufa de pintura (estado curado).
Figura3 Região em que foram tirados os corpos de prova.
1
2
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Os corpos de prova foram preparados metalograficamente e embutidos num anel de
PVC com Durepox.
Parâmetros do Ensaio de Indentação Instrumentada
O equipamento utilizado para o ensaio de indentação instrumentada é um
durômetro Fischerscope modelo H100V, pertencente ao Laboratório de Fenômenos
de Superfícies do Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da
USP. Esse equipamento permite a aplicação de cargas variando de 1 a 1000 mN e
registra a profundidade de penetração em função da carga aplicada. Além disso,
permite o controle das taxas de carregamento e descarregamento, do tempo
de manutenção à carga máxima e a determinação do passo entre indentações
(mínimo de 10 µ m) e definição do número e posição das indentações em ensaios
seqüenciais, a tabela 1 apresenta os parâmetros utilizados no ensaio de indentação.
Tabela1. Parâmetros dos ensaios de indentação instrumentada: Carga máxima
(Pmax), número de pontos na fase de carregamento (nc), intervalo de tempo entre
pontos na fase de carregamento (∆tc ), número de pontos na fase de ensaio de
fluência (nf ), tempo da fase do ensaio de fluência (∆tf ), número de pontos na fase de
descarregamento (nd ) e intervalo de tempo entre pontos na fase do descarregamento
(∆td ). Os ensaios foram realizados nas amostras nos estados pré-curado com os
mesmos parâmetros.
RESULTADOS E CONCLUSÕES
Os resultados experimentais obtidos pela metodologia proposta por Pintaúde e
colaboradores, no estado pré-curado todas as amostras apresentam valores de
módulo de elasticidade muito próximos, em torno de 1,0 + 0,1 GPa,
independentemente da posição na porta ou do tempo de descarregamento conforme
figura 4 e valor de dureza do 0,03GPa conforme figura 5.
Amostra Pmax (mN)
nc ∆tc(seg)
nf ∆tf (seg)
nd ∆td (seg)
1 2
150 60 0,5 41 20 100 0.5,1.0,1.5,2.0,2.5
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Módulo de elasticidade
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
t (seg)
E (G
Pa)
Amostra 1Amostra 2
Figura 4. Resultados de módulo de elasticidade obtidos para amostras 1 e 2 no
estado pré-curado, obtidos pela metodologia proposta por Pintaúde e colaboradores
Dureza
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
t (seg)
H (G
Pa) Amostra 1
Amostra 2
Figura 5. Resultados de dureza obtidos para amostras 1 e 2 no estado pré-curado,
obtidos pela metodologia proposta por Pintaúde e colaboradores.
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No estado curado observa-se uma diferença significativa dos valores de
módulo de elasticidade, E (conforme figura 6) e dureza H (conforme figura 7),
dependendo da posição original da amostra na porta, com as amostras retiradas das
posições inferiores (amostra 2) apresentando E=0,8 + 0,1 GPa, enquanto que as
demais apresentam E=1,0+0,1 GPa, os valores de dureza, H, para todas as
amostras curadas foi H=0,03 GPa.
Módulo de elasticidade
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
t(seg)
E (G
Pa)
Amostra 1Amostra 2
Figura 6. Resultados de módulo de elasticidade obtidos para amostras 1 e 2 no
curado, obtidos pela metodologia proposta por Pintaúde e colaboradores.
Dureza
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
t (seg)
H (G
Pa) Amostra 1
Amostra 2
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Figura 7. Resultados de dureza obtidos para amostras 1 e 2 no estado curado,
obtidos pela metodologia proposta por Pintaúde e colaboradores
Com os resultados obtidos no ensaio de indentação instrumentada pela
metodologia proposta por Pintaúde e colaboradores baseados nos resultados de
dureza de 0,03 GPa e módulo de elasticidade de 1 GPa tanto para as amostras no
estado pré-curado como no estado curado, conclui-se que o material no estado pré-
curado já atingiu as máximas resistências mecânicas e térmicas e já está curado. BIBLIOGRAFIA 1 Pintaúde, G.; Schoen, C.G.; Sinatora,A .; Souza, R.M – A review of reverse
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DETERMINATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF AN EPOXY STRUCTURAL
ADESIVE FOR AUTOMOTIVE APPLICATIONS
Cost and weight reduction are major concerns of the automobilist industry. This leads
to the increasing substitution of spot weld by adhesives. Instrumented indentation
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testing can be utilized to determine mechanical properties of polymers and this study
suggests the use of this tecnique to investigate the adesive Betamate 1496 directly
assembled in the front door frame of the Volkswagen Polo v. Hatch vehicle. The aim
being to identify possible differences between states of the polymer in two phases of
processing: “uncured” state after assembling of the chassis and “cured” state, after
final cure at the painting muffle, both analysed at different positions around the door.
The study was carried out using the experimental procedures suggested by
Pintaúde et al. (Z. Metallkde. v. 05/11, p. 1252, 2005). Experimental results
obtained, show the same hardness (0,03 GPA) and elastic modulus (1GPA) at both
states, allowing to conclude that polyer in “uncured” state alredy reached maximal
thermal and mechanical strenght.
Key word: Instrumented indentation, mechanics properties, hardness,
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