Projeto e desenvolvimento de equipamento para ensaio à fadiga em biomateriais

Abstract

Neste trabalho desenvolveu-se um projeto para equipamento de ensaios à fadiga no modo I (DCB), modo II (ENF) e modo misto (MMB), em provetes de biomateriais. O referido equipamento terá também a capacidade de resistir à corrosão provocada pelos fluídos empregues no ensaio. Embora com diferentes objectivos, revela-se uma solução alternativa e inovadora face aos equipamentos existentes. A iniciação e a propagação do dano em muitos materiais utilizados no fabrico de componentes estruturais, bem como em alguns materiais de base biológica, caracteriza-se pela formação de uma zona de processo de fratura, de dimensões não negligenciáveis, que se desenvolve na frente de fenda (1). Esta região, que é caracterizada pela formação de micro - fendas, e, em alguns destes materiais, pela formação de pontes de fibras (aglomerados), impede a propagação instável da fenda (2), traduzindo-se no aumento da resistência à propagação da fenda, i.e., aumento da tenacidade à fratura. Esta propriedade, que é avaliada em ensaios de fratura em condições de carregamento específicas, requer que a zona de processo de fratura se mantenha imperturbável em condições de carregamento e decorrentes dos limites do provete (3). Em ensaios de caracterização à fadiga de alguns destes materiais (designados quase-frágeis), como por exemplo a madeira, o tecido ósseo cortical, muitos dos materiais compósitos de matriz polimérica reforçados com fibras (carbono, vidro, Kevlar®), rocha e betão, a zona de processo de fratura é impedida de se propagar caso o ensaio decorra em controlo de deslocamento (i.e., com deslocamento imposto). Nessas condições, os provetes adquirem uma vida infinita, impossibilitando a caracterização rigorosa dos coeficientes da lei de Paris (i.e., relação entre o fator de intensidade de tensão e a taxa de crescimento da fenda) (4). Por este motivo, os equipamentos usados na caracterização à fadiga destes materiais terão de permitir a realização dos ensaios em controlo de força. Outro requisito importante na caracterização à fadiga de alguns materiais de base biológica (e.g., madeira, tecido ósseo cortical e esponjoso), prende-se com o controlo da concentração de água na amostra, no decurso dos ensaios de fadiga. Este aspeto adquire especial importância no contexto da fadiga, atendendo a que estes ensaios se prolongam no tempo. Dado que a resposta destes materiais resulta de um compromisso entre as condições de equilíbrio da amostra e o estado de tensão a que estão sujeitos, torna-se imprescindível garantir a manutenção das condições ambientais, designadamente da temperatura e da humidade, ao longo do ensaio.

In this work, a project will be developed for fatigue testing equipment in Mode I (DCB), Mode II (ENF) and mixed mode (MMB), in biomaterial specimens. It will also have the ability to resist corrosion caused by the fluids used in the test. Although with different objectives, an alternative and innovative solution to existing equipment is revealed. The initiation and propagation of damage in many materials used in the fabrication of structural components, as well as in some biologically based materials, is characterized by the formation of a non-negligible fracture zone, which develops in front of slit [1]. This region, which is characterized by the formation of micro-cracks, and in some of these materials, by the formation of fiber bridges (agglomerates), prevents the unstable propagation of the crack [2], resulting in increased resistance to the propagation of crack, ie, fracture toughness increase. This property, which is evaluated in fracture tests under specific loading conditions, requires that the fracture zone remain undisturbed under loading conditions and due to the limits of the specimen [3]. In fatigue characterization tests of some of these materials (called quasi-fragile), such as wood, cortical bone tissue, many fiber reinforced polymer composites (carbon, glass, Kevlar®), rock and concrete, the fracture process zone is prevented from propagating if the test is in displacement control (ie, displacement imposed). Under these conditions, the test pieces acquire an infinite life, making it impossible to rigorously characterize the coefficients of the Paris law (i.e., relationship between the stress intensity factor and the crack growth rate) [4]. For this reason, the equipment used in the fatigue characterization of these materials will have to allow the tests in force control. Another important requirement in the fatigue characterization of some biologically based materials (e.g., wood, cortical and spongy bone tissue) relates to controlling the concentration of water in the sample during the fatigue tests. This aspect acquires special importance in the context of fatigue, given that these tests extend over time. Taking into account that the response of these materials results from a compromise between the equilibrium conditions of the sample and the state of stress to which they are subjected, it is essential to ensure that the environmental conditions, namely temperature and humidity, are maintained throughout the test.