Utilização de métodos ópticos de correlação de imagem para a determinação da tenacidade à fractura de adesivos estruturais

Mestrado em Engenharia Mecânica

A utilização das juntas adesivas tem aumentado nas últimas décadas devido às suas características competitivas comparativamente aos métodos tradicionais de união, como a soldadura, a rebitagem ou a ligação aparafusada. De facto, as juntas adesivas são mais leves, comportam-se bem sob cargas cíclicas ou de fadiga, permitem a ligação de materiais diferentes e apresentam menores concentrações de tensões. Para aumentar a confiança no projecto de estruturas coladas, é importante conseguir prever com precisão a sua resistência mecânica. A abordagem pela Mecânica da Fractura é frequentemente aplicada por uma análise energética, onde o parâmetro principal a determinar para previsão da evolução do dano e rotura é a taxa crítica de libertação de energia (Gc). Este parâmetro pode ainda ser dividido em componente de tracção (GIc) e corte (GIIc). Diversos autores abordaram recentemente o tema da determinação do valor de GIc de camadas finas de adesivos em juntas coladas. A maioria dos trabalhos publicados sobre caracterização à fractura em tracção utiliza o ensaio Double Cantilever Beam (DCB). As principais vantagens do ensaio DCB incluem a sua simplicidade e a possibilidade de obter GIc matematicamente usando a Teoria das Vigas. Este trabalho pretende determinar o valor de GIc de juntas adesivas pelo ensaio DCB, considerando adesivos com diferentes graus de ductilidade. Recorre-se maioritariamente ao método do integral-J, para que a estimativa do valor de GIc tenha em consideração a plasticidade dos adesivos estudados. Para o cálculo do valor do integral-J, é utilizado um método óptico de medição desenvolvido precisamente para a avaliação da abertura da extremidade da fenda e da rotação dos substratos na extremidade da fenda. O processo será suportado por uma subrotina em Matlab® para a extracção automática destes valores. A lei coesiva do adesivo em tracção é obtida pelo método directo. O método do integral-J é também comparado com métodos mais tradicionais para avaliação de GIc (métodos tradicionais que requerem a medição do comprimento da fenda e métodos baseados no comprimento de fenda equivalente). A correlação entre todos os métodos de obtenção de GIc para os três adesivos (Sikaforce® 7888, Araldite® 2015 e Araldite® AV138) foi consistente, apesar de existirem ligeiras diferenças entre os valores obtidos.

The use of adhesive joints has increased in recent decades due to competitive characteristics compared to traditional methods, such as welding, riveting or screw connections. In fact, adhesive joints are lighter, they behave well under cyclic loads or fatigue, allow connection of different materials and have lower stress concentrations. To increase confidence in the design of bonded structures it is necessary to accurately predict their mechanical strength. The fracture mechanics approach is often applied by an energy analysis, where the main parameter to be determined for prediction of damage evolution and failure is the strain critical energy release rate (Gc). This parameter can be further divided into the tensile (GIc) and shear (GIIc) components. Several authors have recently addressed the subject of determining the value of GIc of thin layers of adhesives in bonded joints. Most of the published works on the characterization of fracture tensile test uses the Double Cantilever Beam (DCB). The main advantages of the DCB test include its simplicity and the possibility of obtaining GIc mathematically using the Beam Theory. This work aims to determine the value of GIc adhesive joints using the DCB test, considering adhesives with different degrees of ductility. The J-integral is mainly used, so that the estimate of GIc takes into account the plasticity of the studied adhesives. To calculate the J-integral value, a method of optical measurement was developed specifically for the assessment of the crack tip opening and adherents rotation at the crack tip. The process was supported by a subroutine in Matlab® for the automatic extraction of these values. On the other hand, the cohesive law of the adhesive in tension was obtained by the direct method. The J-integral method was also compared with more traditional methods for evaluating GIc(traditional methods which require the measurement of the crack length and methods based on the equivalent crack length). The correlation between all methods of obtaining GIc for the three adhesives (Sikaforce® 7888, Araldite® 2015 e Araldite® AV138) was consistent, although slight differences were observed between the obtained values.

L´utilisation de joints collés a augmenté ces dernières décennies en raison de leurs caractéristiques concurrentielles par rapport aux méthodes traditionnelles, telles que le soudage, le rivetage ou l´utilisation de boulons. En effet, les assemblages collés sont plus légers, ils se comportent bien sous des charges cycliques, ils permettent l'utilisation de différents matériaux et sont moins sensibles aux tensions. Pour accroître la confiance dans le projet de structures collées, il est nécessaire de prévoir avec exactitude leur résistance mécanique. L’approche mécanique de la rupture est souvent appliquée par une analyse de l'énergie, où le principal paramètre à déterminer, pour la prédiction de l'évolution des dommages et de la rupture, est le taux de libération de l'énergie critique (Gc). Ce paramètre peut être encore divisé en composant de traction (GIc) et de coupe (GIIc). Plusieurs auteurs ont récemment abordé le sujet de la détermination de la valeur du GIc des couches minces de colles dans des assemblages collés. La plupart des travaux publiés sur la caractérisation de la rupture en traction utilisent le test Double Cantilever Beam (DCB). Les principaux avantages d'essai DCB sont sa simplicité et la possibilité d'obtenir GIc mathématiquement en utilisant la théorie des poutres. Ce travail prétend déterminer la valeur des joints collés GIc entre des composants en acier par des tests de DCB, considéra des adhérents avec différents degrés de ductilité. On utilise principalement la méthode d'intégration J, pour que la valeur estimée de GIc tienne compte de la plasticité des adhésifs étudiés. On emploi pour le calcul intégral de J, une méthodologie de mesure optique développée par l´estimation de l´ouverture de la fissure et de la rotation des substrats de l´extrémité de la fissure. Le processus s'appuie sur une sous-routine en Matlal®pour l'extraction automatique de ces valeurs. En revanche, la loi cohésive de la résistance de l'adhésif est obtenue par la méthode directe. La méthode de l'intégrale J est aussi comparée à des méthodes plus traditionnelles d'évaluation de GIc (méthodes traditionnelles qui requièrent la mesure de la longueur de la fissure et les méthodes basé sur la longueur équivalente de la fissure).La corrélation entre tous les procédés d'obtention GIc pour les trois adhésifs (Sikaforce® 7888, Araldite® 2015 e Araldite® AV138) était conforme, mais on observe de légères différences entre les valeurs obtenues.