Determinação da tenacidade à fratura em corte (GIIc) de adesivos estruturais pelo ensaio End-Notched Flexure (ENF)

Os adesivos têm sido alvo de estudo ao longo dos últimos anos para ligação de componentes a nível industrial. Devido à crescente utilização das juntas adesivas, torna-se necessária a existência de modelos de previsão de resistência que sejam fiáveis e robustos. Neste âmbito, a determinação das propriedades dos adesivos é fundamental para o projeto de ligações coladas. Uma abordagem recente consiste no uso de modelos de dano coesivo (MDC), que permitem simular o comportamento à fratura das juntas de forma bastante fiável. Esta técnica requer a definição das leis coesivas em tração e corte. Estas leis coesivas dependem essencialmente de 2 parâmetros: a tensão limite e a tenacidade no modo de solicitação respetivo. O ensaio End-Notched Flexure (ENF) é o mais utilizado para determinar a tenacidade em corte, porque é conhecido por ser o mais expedito e fiável para caraterizar este parâmetro. Neste ensaio, os provetes são sujeitos a flexão em 3 pontos, sendo apoiados nas extremidades e solicitados no ponto médio para promover a flexão entre substratos, o que se reflete numa solicitação de corte no adesivo. A partir deste ensaio, e após de definida a tenacidade em corte (GIIc), existem alguns métodos para estimativa da lei coesiva respetiva. Nesta dissertação são definidas as leis coesivas em corte de três adesivos estruturais através do ensaio ENF e um método inverso de ajuste dos dados experimentais. Para o efeito, foram realizados ensaios experimentais considerado um adesivo frágil, o Araldite® AV138, um adesivo moderadamente dúctil, o Araldite® 2015 e outro dúctil, o SikaForce® 7752. O trabalho experimental consistiu na realização dos ensaios ENF e respetivo tratamento dos dados para obtenção das curvas de resistência (curvas-R) através dos seguintes métodos: Compliance Calibration Method (CCM), Direct Beam Theory (DBT), Corrected Beam Theory (CBT) e Compliance-Based Beam Method (CBBM). Os ensaios foram simulados numericamente pelo código comercial ABAQUS®, recorrendo ao Métodos de Elementos Finitos (MEF) e um MDC triangular, com o intuito de estimar a lei coesiva de cada um dos adesivos em solicitação de corte. Após este estudo, foi feita uma análise de sensibilidade ao valor de GIIc e resistência coesiva ao corte (tS 0), para uma melhor compreensão do efeito destes parâmetros na curva P- do ensaio ENF. Com o objetivo de testar adequação dos 4 métodos de obtenção de GIIc usados neste trabalho, estes foram aplicados a curvas P- numéricas de cada um dos 3 adesivos, e os valores de GIIc previstos por estes métodos comparados com os respetivos valores introduzidos nos modelos numéricos. Como resultado do trabalho realizado, conseguiu-se obter uma lei coesiva única em corte para cada um dos 3 adesivos testados, que é capaz de reproduzir com precisão os resultados experimentais.

Adhesives have been studied over the past years for component joining in the industry. Due to the increasing use of adhesive joints, the existence of reliable and robust strength prediction models is required. In this context, the determination of the adhesive properties is fundamental for the design of bonded joints. A recent approach consists in the use of cohesive zone models (CZM), which accurately simulate the fracture behavior of bonded joints. This technique requires the definition of the cohesive laws in tension and shear. These cohesive laws depend essentially on two parameters: the cohesive traction and toughness in the respective mode of loading. The End-Notched Flexure (ENF) test is the most widely used to determine the toughness in shear (GIIc), because it is known as the most reliable and easy method to characterize this parameter. In this test, the specimens are subjected to 3-point bending, with support at the specimen ends and loading at the middle, to promote flexure between the adherends, which reflects on a shear loading to the adhesive layer. From this test, and after the estimation of GIIc, there are some methods to estimate the respective cohesive law. In this thesis, the shear cohesive laws of three structural adhesives are defined by the ENF test, together with the cohesive laws by an inverse fitting method of the experimental data. With this purpose, experimental tests were performed considering a brittle adhesive, the Araldite® AV138, a moderately ductile adhesive, the Araldite® 2015, and a ductile adhesive, the SikaForce® 7752. The experimental work consisted of performing the ENF tests and obtaining the resistance curves (R-curves) by the following methods: Compliance Calibration Method (CCM), Direct Beam Theory (DBT), Corrected Beam Theory (CBT) and Compliance-Based Beam method (CBBM). The tests were numerically simulated by the commercial code ABAQUS®, using Finite Element Methods (FEM) and a triangular CZM, in order to estimate the cohesive law of each adhesive in shear. After this study, a sensitivity analysis to the values of GIIc and cohesive strength in shear (tS 0) was carried out, for a better understanding of the effect of these parameters on the P- curves of the ENF test. In order to test the suitability of the four methods of obtaining GIIc used in this work, these methods were applied to numerical P- curves of each of three adhesives, and the values of GIIc provided by these methods were compared with the respective values entered in the numerical models. As a result of this work, it was possible to obtain a unique cohesive law in shear for each of three adhesives tested, which is able to accurately reproduce the experimental results.