Os Tipos De Desgaste

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Aula 2 do curso Introdução ao estudo do atrito e do desgaste. Realizado por INES, UCS e Simecs, na UCS em junho de 2009.

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Os Tipos De Desgaste

  1. 1. <ul><li>Objetivos </li></ul><ul><ul><ul><li>Os principais tipos de desgaste </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Abordagem sistêmica – variáveis que afetam </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Atrito a seco </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Fretting </li></ul></ul></ul>02 – Os tipos de desgaste
  2. 4. Desgaste! Desgaste é o dano de uma superfície sólida, envolvendo geralmente perda progressiva de material, que se deve ao movimento relativo entre a superfície e outra superfície de contato ou em relação a uma substância. Esta definição não exclui os fenômenos de dano de superfície sem remoção de massa como, por exemplo, os fenômenos de desgaste acompanhados de oxidação ou aqueles nos quais as partículas de desgaste ficam aderidas á superfície sólida ou ainda aqueles nos quais há apenas deformação da superfície. 02 – Os tipos de desgaste
  3. 5. 02 – Os tipos de desgaste Desgaste por partículas duras Abrasão (Abrasion – Abrasive wear)‏ Erosão (Erosion)‏ Erosão por cavitação (Cavitation erosion)‏ Desgaste por deslizamento Desgaste por deslizamento (Sliding wear)‏ Fretting (Fretting wear)‏ Fadiga de contato (Contatct fatigue, rolling contact fatigue, rolling contact wear)‏ Hutchings 1992
  4. 6.
  5. 7. Abrasão : “ a perda de massa resultante d interação entre partículas ou asperezas duras que são forçadas contra uma superfície, o longo da qual se movem” (ASTM G40-01)‏ 02 – Os tipos de desgaste Exemplo: Escrita - Pedra Rosetta.
  6. 8. Erosão : “ Perda progressiva de material original de uma superfície sólida devido a interação mecânica entre a superfície e, o fluido, um fluido multicomponente, líquido incidente ou partículas sólidas” ASM Metals Handbook vol 18. p 8. 02 – Os tipos de desgaste Exemplo: Fluido multicomponente. Exemplo: Partícula sólida
  7. 9. Cavitação : “ Perda progressiva de material original de uma devido a exposição contínua á cavitação” ASM Metals Handbook vol 18. p 5. 02 – Os tipos de desgaste Exemplo: Cavitação em camisas
  8. 10. Fretting (wear) : “ Fenômeno de desgaste quie ocorre entre duas superfícies que tem movimento oscilatório” ASM Metals Handbook vol 18. p 9. 02 – Os tipos de desgaste Exemplo: PMMA X 304.
  9. 11. Fadiga de contato ou desgaste por rolamento : “ Desgaste de uma superfície sólida decorrente do contato por rolamento entre a supefície e outra superfície ou superfícies sólidas” ASM Metals Handbook vol 18. p 16. 02 – Os tipos de desgaste Exemplo: Cilindro de apoio Contato não conforme + F + F +
  10. 12. Desgaste por deslizamento : “ As expressões desgaste por deslizamento ou desgaste adesivo se referem ao tipo de desgaste gerado pelo escorregamento de um a superfícies sólida ao longo de outra superfície” ASM Metals Handbook vol 18. p 236 02 – Os tipos de desgaste Exemplo: Escrita - Caligrafia. Erosão, cavitação, abrasão, fretting, desgaste oxidativo e fadiga por rolamento são usualmente excluídas da classe “sliding wear”...! A seco Lubrificado
  11. 13. Tribossistema Variáveis Operacionais {X} Movimento Força Velocidade Temperatura Tempo (Distância)‏ Estrutura do Sistema S ={A,P,R} A = Elementos P = Propriedades R = Relações Fronteira do Sistema Saídas Úteis {Y} Movimento Informação Energia Materiais Saídas – Perdas {Z} Energia de atrito potencia calor ruído vibração Desgaste (CZICHOS, 1980)‏ 02 – Os tipos de desgaste Meio Ambiente Corpo Contracorpo Meio Interfacial
  12. 14. Exemplo Variáveis que afetam o desgaste num sistema tribológico 1/2 Variáveis Operacionais {X} Força de laminação Velocidade relativa barra/cilindro Temperatura da chapa Temperatura do cilindro Tempo (Distância) de contato Estrutura do Sistema {S} A = Elementos Corpo (cilindro)‏ Contra corpo (barra)‏ Carepa Óxido do cilindro Água/óleo Ar/Gases P = Propriedades Durezas Rigidez Viscosidade R = Relações Dureza do óxido cilidro/dureza carepa Saídas – Perdas {Z} Energia de atrito Potencia Calor Ruído Vibração Desgaste Mudança geometria produto Saídas Úteis {Y} Movimento Energia Materiais Geometria do produto Óxido do cilindro Carepa + F Velocidade relativa na interface Temperatura na interface
  13. 15. Contato Conforme Contato Não Conforme Variáveis que afetam o desgaste num sistema tribológico – Tipo de contato 2/2 + F + F F + F +
  14. 16. Tribossistema – Escalas 1/2 + Tribossistema 2 Tribossistema 1 Refrigeração Cilindro de apoio Cilindro de trabalho Produto laminado Óxido do cilindro Carepa + F Velocidade relativa na interface Temperatura na interface
  15. 17. Tribossistema – Escalas 2/2 Óxido do cilindro Carepa + F Velocidade relativa na interface Temperatura na interface H H O Aditivo Aditivo H H O H H O Água
  16. 18. Tribossistema – Interação entre sistemas tribológicos STr1 - Injeção STr3 Combustão STr4 Anel Camisa STr5 Acionamento STr2 Admi-Exaust.
  17. 19. Designa-se por atrito (1) a força tangencia á interface comum entre dois corpos quando, sobre a ação de uma força externa, um dos corpos se move ou tende a se mover relativamente á superfície do outro Coeficiente de atrito (2) é a relação adimensional entre a força de atrito entre dois corpos e a força normal que comprime estes corpos. 02 – Os tipos de desgaste Atrito µ = (Força Tangencial)/(Força Normal)‏
  18. 20. Atrito Atrito (3) designar energia dissipada na interface entre corpos em movimento ou com tendência a movimento. Atrito (4) descrever fenômenos responsáveis pela força de atrito ou pela energia de atrito Atrito (5) nomear movimento relativo entre superfícies. Estudiosos devem sempre procurar identificar quais dos cinco significados está sendo utilizado em cada contexto.
  19. 21. Atrito (a Seco)‏ As 2 ou 3 ou 5 “Leis” do Atrito Da Vinci - 1495 1) A força de atrito é proporcional á força normal 2) O coeficiente de atrito independe da área aparente de contato Amontons – 1699 1,2)Confirma as duas de forma independente 3a) O coeficiente de atrito depende dos materiais Coulomb (1785)‏ 3b) O coeficiente de atrito independe da velocidade (nem sempre!)‏ Confirma 3a e as vezes recebe o crédito! Greenwood Willamson (1968)‏ A área real de contato aumenta com o aumento da força aplicada. Justificando 1 e 2. Sinatora e Tanaka
  20. 22. Atrito (Lubrificado)‏ As 2 ou 3 ou 5 “Leis” do Atrito Newton - 1687 A) Depende da viscosidade do fluído (filem espesso)‏ Languimuir (Bowden & Tabor) Siesman (1920 - 1950)‏ B) Depende da natureza do lubrificante e dos corpos (limitrofe)‏ O Coeficiente de atrito depende do sistema tribológico
  21. 23. Atrito Regra: O coeficiente de atrito estático é maior do que o cinemático E stático x cinemático (dinâmico) Força Tangencial (T)‏ Exemplos: Materiais µ stat µ c(d) µ c(d) / µ stat Aço x aço (óleo) 0,15 0,08 ~0,5 Aço x aço (estearato de calcio) 0,113 0,117 ~ 1 Aço x aço (bissulfeto de Mo) 0,053 0,050 ~ 1 Diamante x Diamante 0,1 0,1 ~ 1 Força Normal (N)‏ T = F Tmax = µ stat N Tmax = µ c(d) N
  22. 24. Atrito - Estático Exemplo 1: Fixação Tipos de fixação indicando regiões nas quais o controle do atrito( cinemático e estático ) é importante. Esquema de forças na região da rosca. Muniz 2007 atrito
  23. 25. Atrito - Estático Exemplo 1: Fixação Fixação de biela: Corpo e Capa Detalhe mostrando região de contato Muniz 2007
  24. 26. Atrito - Estático Exemplos: Fixação Coeficiente de atrito global (K + G) para aperto de 25 peças com 40kN. Coeficiente de atrito global (K + G) para aperto de 5 peças com F >> 40kN < Esc. O coeficiente de atrito depende.... Muniz 2007
  25. 27. Atrito - Estático Exemplos: Fixação O coeficiente de atrito depende....da deformação, da formação de trincas, da energia de adesão entre as partes. Muniz 2007 O coeficiente de atrito depende da deformação plástica e da adesão. (Bowden e Tabor)‏ Cabeça não ensaiada Cabeça ensaiada
  26. 28. Atrito - Estático Exemplo: Conformação – compressão de anéis em prensa Anel, sua superfície e corte transversal antes do ensaio. Leite, M.V.
  27. 29. Atrito - Estático Exemplo: Conformação – compressão de anéis em prensa Corte transversal e superfície de uma ferramenta previamente polida após um ensaio. Notar no corte região central superior e com deformação á medida em que se observa regiões mais próximas da borda. Na superfície polida notar que os riscos de usinagem do anel ficaram impressos na ferramente indicando que nesta região não houve escorregamento contra a ferramenta. (Atrito estático)‏
  28. 30. Atrito - Estático Controle do atrito estático CAUSA ESTRATÉGIAS Possíveis causas e estratégias Química (adesão)‏ formação de ligações entre as superfícies Mecânica penetração de asperezas duras em um contra-corpo de menor dureza Compatibilidade Lubrificação Rugosidade Vibração Temperatura Dureza Rugosidade do corpo de maior H Revestimentos Pressão de contato
  29. 31. Atrito Exemplo de medida: Conformação – compressão de anéis em prensa. Efeito da rugosidade Este tipo de medida não separa os componentes do atrito
  30. 32. Atrito – Cinemático (Dinâmico)‏ [Atrito (v) ]Roçamento de pele Bolhas Lubrificação Diminuir força de atrito interpondo entre as partes sólidas uma camada de liquido  = Ft(força tangencial)‏ Fn(força normal)‏
  31. 33. Atrito – Cinemático (Dinâmico)‏ Teorias de atrito (para metais)‏ - intertravamento de asperezas µ = 0 - adesão e deformação plástica µ = µ ad + µ def W W~ AH Área A tensão de cisalhamento s F ad = As µ ad = ( As )/(AH)‏ µ ad = s/H ~ 0,2 Filme - exemplo
  32. 34. Atrito – Cinemático (Dinâmico)‏ deformação plástica Área lateral projetada ax F def =AH=H ax = a tan α Área vertical projetada A = π a 2 /2 W= AH = 1/2H πx 2 tan 2 α µ def = ( F def )/(W) µ def = co t α ~ 0,1 Cone largura 2a Profundidade x α µ = µ ad + µ def µ = 0,2 + 0,1 = 0,3!!!
  33. 35. Atrito – Cinemático (Dinâmico)‏ Crescimento de junção Admitindo crescimento de aspereza controlado por deformação plástica Usando critério de Tresca no início da deformação Paplicada 2 + 4 tensão de cisalhamento 2 = resistência do material 2 P1 2 + 4 τ 2 = Po 2 e Po =2 τ 0 [P1=W/A; τ = F T /A ; limitando o crescimento da área por uma resistência de um filme F max = τ i A max ] µ = ( F max )/(W)‏ = 2[( τ 0 / τ i ) 2 -1] 1/2
  34. 36. Atrito – Cinemático (Dinâmico)‏ Crescimento de junção – efeito de um filme lubrificante Admitindo que o cisalhamento será regido pelo filme F t = τ i A Admitindo que a força normal será contrabalançada pela dureza do material W = Apo μ = F/W = τ i / Po µ = 2[( τ 0 / τ i ) 2 -1] 1/2 As duas expressões se equivalem para resistências de filme muito pequenas. Ou adesão muito baixa ou presença de lubrificante.
  35. 37. Atrito – Cinemático (Dinâmico)‏ Dinâmica molecular Ni Au Adesão Filme
  36. 38. Transferência de material e micro-ranhuras observadas Pino de Cu contra disco de Cu-40 % Ni. W = 0,59 N V= 0,5 mm/s -Rigney
  37. 39. Partícula transferida de cobre puro com aparência laminar
  38. 40. <ul><ul><li>Simulação de usinagem de Cu </li></ul></ul>Atrito – Cinemático (Dinâmico)‏ Deformação
  39. 41. FFBAC após desgaste abrasivo Atrito – Cinemático (Dinâmico)‏ A camada encruada
  40. 42. W = 67 N, L = 12 m, V = 0,05 m/s Seta - posição da interface e a direção do deslizamento. T - camada transferida; B - Cu - estrutura de células de discordâncias MET - seção longitudinal ao longo da pista de desgaste Bloco Cu x (anel inoxídável martensítico AISI 440 C
  41. 43. FFBAC após desgaste abrasivo Atrito – Cinemático (Dinâmico)‏ O filme interfacial Quando o abrasivo não se fragmenta o coeficiente de atrito depende do tamanho do abrasivo. Quando se fragmenta, forma filme interfacial, não depende.
  42. 44. Atrito – Cinemático (Dinâmico)‏ Atrito de metais no vácuo Atrito de metais no ar O filme de óxido tem importância extrema μ = τ óxido / P metal Fe-Fe Cu-Cu
  43. 45. Atrito – Cinemático (Dinâmico)‏ Efeito da temperatura média e efeito da velocidade 3.16 3.17 pg 42 O filme de óxido tem importância extrema μ = τ óxido / P metal O filme fluído controla o coeficiente de atrito Inox x Ni
  44. 46. Atrito – Cinemático (Dinâmico)‏ Exercício Um peso de 60 toneladas -força é deslocado empregando-se um trenó de madeira que desliza sobre tábuas de madeira lubrificadas com óleo. ( μ = 0,16). Quantos homens são necessários para puxar o trenó sabendo-se que cada um aplica uma força tangencial média de 60” kgf ”?
  45. 47. Wear vol. 1 1957/58 p 157-159 Atrito – Cinemático (Dinâmico)‏ Exercício - Resposta
  46. 48. Referências HUTCHINGS, I. M. GERINGER, J.,FOREST, B. COMBRADE, P. Wear analysis of materials used as orthopaedic implants. Wear, 261, 971,979,2006 MUNIZ, J. M. Fenômenos tribológicos intrínsicos ao travamento de juntas de engenharia aparafusadas. Dissertação de Mestrado. 2007. PPGEM. LEITE, M.V., SINATORA, A. Aplicability of the ring compression test for friction coefficiente evaluation in metal forming textured tools. IFM, Santander. 2008. SINATORA, A. ; TANAKA, Deniol Katsuki . As leis de atrito: da Vinci, Amontons ou Coulomb?. Revista ABCM Engenharia, p. 31 - 34, out. 2007 02 – Os tipos de desgaste

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