Fractografia quantitativa: correlação entre dimensão fractal e tenacidade à fratura em compósitos fibra de carbono/epóxi

Abstract

The fracture surfaces express the sequence of events of energy release due to crack propagation by linking the relief of the fracture to the loading stresses. This study aims to evaluate the heterogeneity of the critical zone for the advancement of the crack along its entire length in a thermoset composite carbon fiber and epoxy matrix, fractured in DCB testing (Double Cantilever Beam) and ENF (End-Notched Flexure). Investigations were made from image stacks obtained by optical reflection of extended depth from focus reconstruction. The program NIH Image J was used to obtain elevation map and fully focused images of the fracture surface, whose topographies were quantitatively analyzed. The monofractal behavior for DCB samples was assessed as being heterogeneous along the crack front and along the crack for all the conditionings. For the samples fractured in ENF test, there was a strong positive correlation to the natural condition, considering the fibers at 0° for the monofractal dimension and structural dimension (Df and Ds). For fibers at 90° to crack propagation, there was a moderate positive correlation for the textural dimension of natural condition. However, for the samples under ultraviolet condition and those subjected to thermal cycles, there was no correlation between the fractal dimension and fracture toughness in mode II

As superfícies de fratura expressam a sequência dos eventos de liberação de energia devido à propagação da trinca, relacionando o relevo da fratura com as tensões atuantes. Este trabalho visa avaliar as heterogeneidades da zona crítica para o avanço da trinca em toda sua extensão, em um compósito termorrígido de fibra de carbono e matriz epóxi condicionados no ultravioleta, higrotérmico, ciclos térmicos e natural, fraturados em ensaios DCB (Double Cantilever Beam) e ENF (End-Notched Flexure). As investigações foram realizadas a partir de pilhas de imagens obtidas por microscopia óptica de reflexão para a reconstrução por extensão de foco. Foi utilizado o programa NIH Image J, para obter mapas de elevações e imagens completamente focadas da superfície de fratura, cujas topografias foram analisadas quantitativamente. O comportamento monofractal para as amostras submetidas aos ensaios DCB, foi avaliado como sendo heterogêneo ao longo da frente da trinca, e ao longo desta para todos os condicionamentos. Para as amostras fraturadas em ensaio ENF, verificou-se que houve uma correlação fortemente positiva para a condição natural, considerando as fibras a 0°, para as dimensões monofractal e estrutural (Df e Ds). Para as fibras a 90° da propagação da trinca, houve uma correlação moderada positiva para a dimensão textural, ou seja, em escala macroscópica para a condição natural. Já para a condição ultravioleta e para as amostras submetidas a ciclos térmicos, não houve correlação entre a dimensão fractal e tenacidade à fratura em modo II