O polietileno de média densidade (PEMD) é um polímero termoplástico parcialmente cristalino, cujo uso tem crescido bastante em aplicações de engenharia, como em tubos plásticos para sistemas de distribuição de água e de gás. Sob carga constante, entretanto, este material pode eventualmente apresentar fratura por fluência, por meio de um mecanismo de crescimento lento de trincas, provocando acentuadas perdas por vazamento nos sistemas. Os métodos atuais empregados pela indústria para estimar a durabilidade dos tubos são caros, demorados, pouco práticos e imprecisos. Busca-se o desenvolvimento de técnicas mais eficientes, sendo que os métodos da mecânica da fratura são promissores no sentido de descrever a etapa de propagação da trinca. Ensaios de mecânica da fratura, entretanto, requerem a introdução de pré-trincas nos corpos de prova. Sabe-se que as técnicas artificiais de introdução de pré-trincas causam algum tipo de dano na matriz polimérica, que pode ou não afetar os resultados dos ensaios, dependendo dos eventos que ocorrerem após o carregamento inicial. A principal propriedade requerida de um método de introdução de pré-trinca, portanto, é reprodutibilidade. Neste estudo foram aplicados três importantes métodos de mecânica da fratura ao PEMD e investigados os efeitos de diferentes técnicas de introdução de pré-trincas sobre os resultados dos ensaios e sobre as estruturas de deformação na matriz do material na ponta da trinca. Os ensaios de tenacidade à fratura no estado plano de deformação - KIc - foram realizados em condições criogênicas, em vista do comportamento dúctil do material à temperatura ambiente, sendo que a estratégia mostrou-se satisfatória. Os resultados dos ensaios de Integral-J sugerem que o método pode não ser aplicável ao PEMD, devido ao peculiar mecanismo de fratura do material. O método do trabalho essencial de fratura - EWF - se aplica bem ao PEMD. Os resultados dos ensaios de KIc e EWF demonstraram que diferentes técnicas de introdução de pré-trincas provocam diferentes estruturas de deformação no material na ponta da trinca e afetam os resultados de ensaios de fratura no PEMD. Os resultados de EWF demonstraram ainda que o processamento também afeta as propriedades de fratura do material. É proposta uma nova técnica para a introdução de pré-trincas, com características mais naturais, a qual requer estudos complementares para seu aperfeiçoamento. / Medium density polyethylene (MDPE) is a semicrystalline thermoplastic polymer that has been increasingly used in engineering applications, as plastic pipes for water and gas distribution systems. Under constant load, however, this material may occasionally present creep failure, by means of a mechanism of slow crack growth, leading to leakage losses in the systems. Current methods used by industry to estimate durability of pipes are expensive, time consuming, non practical and inaccurate. The development of more efficient methods is a common target and fracture mechanics methods are promising in describing the crack propagation stage. Fracture mechanics testing methods, however, require the introduction of pre-cracks into the specimens. It is known that artificial methods of introducing pre-cracks produce some damage on the polymeric matrix, which may or not affect the results of tests, depending on the events that occur after the initial loading. Main propriety required of a pre-crack introducing method, therefore, is reproducibility. In this study three important fracture mechanics methods were applied to MDPE and the effects of different methods of pre-cracking over test results and over deformation structures of material matrix at the crack tip were investigated. Plane-strain fracture toughness - KIc tests were performed under cryogenic conditions, in view of the ductile behavior of material at room temperature and this strategy was well succeed. Results of Integral-J tests suggest that this method may not be applicable to MDPE, due to the peculiar fracture mechanism of the material. The essential work of fracture method EWF is well suited to study MDPE. The results of KIc and EWF tests showed that different pre-cracking methods cause different deformation structures in the material at the crack tip and affect the fracture tests with MDPE. EWF results showed also that the processing affect the fracture properties of materials too. It is proposed a new method for introducing pre-cracks, with more natural characteristics that requires complementary studies for its improving.

O polietileno de média densidade (PEMD) é um polímero termoplástico parcialmente cristalino, cujo uso tem crescido bastante em aplicações de engenharia, como em tubos plásticos para sistemas de distribuição de água e de gás. Sob carga constante, entretanto, este material pode eventualmente apresentar fratura por fluência, por meio de um mecanismo de crescimento lento de trincas, provocando acentuadas perdas por vazamento nos sistemas. Os métodos atuais empregados pela indústria para estimar a durabilidade dos tubos são caros, demorados, pouco práticos e imprecisos. Busca-se o desenvolvimento de técnicas mais eficientes, sendo que os métodos da mecânica da fratura são promissores no sentido de descrever a etapa de propagação da trinca. Ensaios de mecânica da fratura, entretanto, requerem a introdução de pré-trincas nos corpos de prova. Sabe-se que as técnicas artificiais de introdução de pré-trincas causam algum tipo de dano na matriz polimérica, que pode ou não afetar os resultados dos ensaios, dependendo dos eventos que ocorrerem após o carregamento inicial. A principal propriedade requerida de um método de introdução de pré-trinca, portanto, é reprodutibilidade. Neste estudo foram aplicados três importantes métodos de mecânica da fratura ao PEMD e investigados os efeitos de diferentes técnicas de introdução de pré-trincas sobre os resultados dos ensaios e sobre as estruturas de deformação na matriz do material na ponta da trinca. Os ensaios de tenacidade à fratura no estado plano de deformação - KIc - foram realizados em condições criogênicas, em vista do comportamento dúctil do material à temperatura ambiente, sendo que a estratégia mostrou-se satisfatória. Os resultados dos ensaios de Integral-J sugerem que o método pode não ser aplicável ao PEMD, devido ao peculiar mecanismo de fratura do material. O método do trabalho essencial de fratura - EWF - se aplica bem ao PEMD. Os resultados dos ensaios de KIc e EWF demonstraram que diferentes técnicas de introdução de pré-trincas provocam diferentes estruturas de deformação no material na ponta da trinca e afetam os resultados de ensaios de fratura no PEMD. Os resultados de EWF demonstraram ainda que o processamento também afeta as propriedades de fratura do material. É proposta uma nova técnica para a introdução de pré-trincas, com características mais naturais, a qual requer estudos complementares para seu aperfeiçoamento. / Medium density polyethylene (MDPE) is a semicrystalline thermoplastic polymer that has been increasingly used in engineering applications, as plastic pipes for water and gas distribution systems. Under constant load, however, this material may occasionally present creep failure, by means of a mechanism of slow crack growth, leading to leakage losses in the systems. Current methods used by industry to estimate durability of pipes are expensive, time consuming, non practical and inaccurate. The development of more efficient methods is a common target and fracture mechanics methods are promising in describing the crack propagation stage. Fracture mechanics testing methods, however, require the introduction of pre-cracks into the specimens. It is known that artificial methods of introducing pre-cracks produce some damage on the polymeric matrix, which may or not affect the results of tests, depending on the events that occur after the initial loading. Main propriety required of a pre-crack introducing method, therefore, is reproducibility. In this study three important fracture mechanics methods were applied to MDPE and the effects of different methods of pre-cracking over test results and over deformation structures of material matrix at the crack tip were investigated. Plane-strain fracture toughness - KIc tests were performed under cryogenic conditions, in view of the ductile behavior of material at room temperature and this strategy was well succeed. Results of Integral-J tests suggest that this method may not be applicable to MDPE, due to the peculiar fracture mechanism of the material. The essential work of fracture method EWF is well suited to study MDPE. The results of KIc and EWF tests showed that different pre-cracking methods cause different deformation structures in the material at the crack tip and affect the fracture tests with MDPE. EWF results showed also that the processing affect the fracture properties of materials too. It is proposed a new method for introducing pre-cracks, with more natural characteristics that requires complementary studies for its improving.

No presente trabalho produziu-se amostras de flexão em três pontos, SENB, a partir de placas moldadas por compressão feitas de uma resina de Poli(metacrilato de metila) comercial. Dois conjuntos contendo 6 amostras cada foram então pré-trincados por meio de uma lamina afiada de aço adotando-se dois métodos diferentes propostos pela literatura técnica: através de batidinhas (gentle tapping) e através da inserção controlada a velocidade constante da lâmina, ambas usando um dispositivo especialmente desenhado para este fim. Estas amostras foram então submetidas ao ensaio de tenacidade à fratura em deformação plana, KIc, com o intuito de se testar a hipótese de que os diferentes métodos introduzem diferentes padrões de dano na matriz próxima à região da ponta da pré-trinca, o que, por sua vez, influência os resultados obtidos. Adotou-se a norma ASTM D 5045 como padrão do ensaio. Todas as amostras produziram resultados válidos para KIc, considerando-se os critérios da norma. Os resultados confirmam a hipótese inicial mostrando que os diferentes métodos de introdução da pré-trinca influenciam o valor medido de KIc a um nível de significância de 5% para a diferença das médias obtidas nos dois grupos, sendo que o valor mais conservador é obtido quando as pré-trincas são introduzidas pelo método das batidinhas (KIc = 1,15 ± 0,11 MPa m1/2). Com base nestes resultados novas amostras com geometria auto-similar às anteriores foram produzidas e usadas para a investigação do estado de tensão desenvolvido nas amostras pelo método da fotoelasticidade. Os resultados confirmam que os diferentes métodos de pré-trincamento produzem diferentes padrões de Moiré próximos à ponta da trinca, o que prova que os estados de tensão são efetivamente afetados e que o método da inserção controlada produz a maior perturbação no campo de tensão próximo à ponta da pré-trinca. / Single-Edge-Notch Bending samples produced out of compression-molded plates obtained from a commercial Poly(methyl metacrylate), PMMA, resin were investigated concerning the influence of the adopted pre-cracking methodology on plane strain fracture toughness results according to ASTM D 5045 standard. Two sets of 6 samples each were pre-cracked using a sharp-edge scalpel steel blade using two methodologies proposed in the technical literature: by gentle tapping on the blade and by controlled insertion at constant velocity, both using a device specially designed for these purposes. These sample were, then, submitted to the plane strain fracture toughness (KIc) test based on the hypothesis that different pre-cracking methods result in different damage levels of the matrix near the pre-crack tip and, hence, in different measured values for KIc. All samples produced valid results for KIc based on the geometric criteria adopted by the standard. The results confirm the original hypothesis showing that the two pre-cracking methods influence the measured value at a significance level of 5% for the comparison of the averages obtained in both sets. The most conservative value for plane strain fracture toughness of the investigated resin is obtained by pre-cracks introduced by gentle tapping on the blade (KIc = 1.15 ± 0.11 MPa m1/2). Based on these results new samples with a self-similar geometry were produced and submitted to photoelasticity tests to investigate the influence of the pre-cracking methods on the strain-field developed during three-point bending loading. The results confirm that the different methods produce different Moiré patterns close to the pre-crack tip, proving that the developed stress fields are different and that pre-cracks introduced by controlled insertion of the blade produce the largest perturbations of the strain field close to the pre-crack tip.

No presente trabalho produziu-se amostras de flexão em três pontos, SENB, a partir de placas moldadas por compressão feitas de uma resina de Poli(metacrilato de metila) comercial. Dois conjuntos contendo 6 amostras cada foram então pré-trincados por meio de uma lamina afiada de aço adotando-se dois métodos diferentes propostos pela literatura técnica: através de batidinhas (gentle tapping) e através da inserção controlada a velocidade constante da lâmina, ambas usando um dispositivo especialmente desenhado para este fim. Estas amostras foram então submetidas ao ensaio de tenacidade à fratura em deformação plana, KIc, com o intuito de se testar a hipótese de que os diferentes métodos introduzem diferentes padrões de dano na matriz próxima à região da ponta da pré-trinca, o que, por sua vez, influência os resultados obtidos. Adotou-se a norma ASTM D 5045 como padrão do ensaio. Todas as amostras produziram resultados válidos para KIc, considerando-se os critérios da norma. Os resultados confirmam a hipótese inicial mostrando que os diferentes métodos de introdução da pré-trinca influenciam o valor medido de KIc a um nível de significância de 5% para a diferença das médias obtidas nos dois grupos, sendo que o valor mais conservador é obtido quando as pré-trincas são introduzidas pelo método das batidinhas (KIc = 1,15 ± 0,11 MPa m1/2). Com base nestes resultados novas amostras com geometria auto-similar às anteriores foram produzidas e usadas para a investigação do estado de tensão desenvolvido nas amostras pelo método da fotoelasticidade. Os resultados confirmam que os diferentes métodos de pré-trincamento produzem diferentes padrões de Moiré próximos à ponta da trinca, o que prova que os estados de tensão são efetivamente afetados e que o método da inserção controlada produz a maior perturbação no campo de tensão próximo à ponta da pré-trinca. / Single-Edge-Notch Bending samples produced out of compression-molded plates obtained from a commercial Poly(methyl metacrylate), PMMA, resin were investigated concerning the influence of the adopted pre-cracking methodology on plane strain fracture toughness results according to ASTM D 5045 standard. Two sets of 6 samples each were pre-cracked using a sharp-edge scalpel steel blade using two methodologies proposed in the technical literature: by gentle tapping on the blade and by controlled insertion at constant velocity, both using a device specially designed for these purposes. These sample were, then, submitted to the plane strain fracture toughness (KIc) test based on the hypothesis that different pre-cracking methods result in different damage levels of the matrix near the pre-crack tip and, hence, in different measured values for KIc. All samples produced valid results for KIc based on the geometric criteria adopted by the standard. The results confirm the original hypothesis showing that the two pre-cracking methods influence the measured value at a significance level of 5% for the comparison of the averages obtained in both sets. The most conservative value for plane strain fracture toughness of the investigated resin is obtained by pre-cracks introduced by gentle tapping on the blade (KIc = 1.15 ± 0.11 MPa m1/2). Based on these results new samples with a self-similar geometry were produced and submitted to photoelasticity tests to investigate the influence of the pre-cracking methods on the strain-field developed during three-point bending loading. The results confirm that the different methods produce different Moiré patterns close to the pre-crack tip, proving that the developed stress fields are different and that pre-cracks introduced by controlled insertion of the blade produce the largest perturbations of the strain field close to the pre-crack tip.