Cap 4 Atrito

Disciplina: Introdução à Tribologia Prof.: Sinésio D. Franco

Universidade Federal de Uberlândia

Faculdade de Engenharia Mecânica

Laboratório de Tecnologia em Atrito e Desgaste

4 – Atrito

Importância:

Transmissão de potência mecânica;

Caminhar;

Responsável pelo desgaste de peças e componentes;

Etc.

Contato entre superfícies:

Ac = a1 + a2 + a3 + .... + an

Determinação experimental –

resistividade elétrica

Para aços:

AC = AN/1.000





4- ATRITO

4.1- Definições

4.2- Leis de atrito

4.3- Atrito nos metais

4.4- Atrito em não metais: cerâmicos, polímeros e sólidos lamelares

4.1- DEFINIÇÕES

F – Força de atrito

Atrito – iresistência ao desçocamento entre dois corpos que se interagem

Coef. de atrito = = F/W





FORÇA DE ATRITO ESTÁTICO

Força necessária para INICIAR o

movimento relativo

FORÇA DE ATRITO DINÂMICO

Força necessária para MANTER o

movimento relativo

Valores típicos de :

Mancais de rolamento: 0,001 (baixas cargas);

Metal/metal no vácuo: > 10

Deslizamento ao ar: 0,1 a 1,0

4.1- Definições





Evolução do coeficiente de atrito: indicação de fases do processo

PU contra PA (Nylon11®, 3 MPa, 4 mm/s, submerso

em água a 16 ºC

4.1- Definições





4.2- LEIS De ATRITO (EMPÍRICAS)

Para:

Determinados pares de materiais

Condições fixas (ausência de lubrificação)

Leis de Amontons (1699):

1ª) A FORÇA DE ATRITO É PROPORCIONAL À FORÇA NORMAL!

2ª) A FORÇA DE ATRITO INDEPENDE DA ÁREA DE APARENTE DE CONTATO

Lei de Coulomb (1785)

3ª) A FORÇA DE ATRITO INDEPENDE DA VELOCIDADE

em função de FN para

o par aço/madeira ao ar. em função de FN para o

par Al/Al ao ar.





Origem do atrito:

Segundo Amontons e Coulomb – o é função das interações mecânicas entre as asperidades

De A B:

De B C:

Modelo de Coulomb – NÃO SE APLICA!

Em escala macroscópica: nenhuma dissipação de energia!

Trabalho devido a F

Trabalho devido a W

Trabalho devido a F

Trabalho devido a W

4.2- Leis de atrito





Interações Superficiais

Deformação da asperidades

Adesão entre asperidades

Sem adesão, mas com

movimentação relativa e

deformação plástica: sulcamento

do material

HA > HB

Esfera + placa, sem rugosidade Adesão e deformação

4.2- Leis de atrito





Sentido de riscamento 20 µm

Riscamento do aço 8550 recozido, com

penetrador de diamante, raios de ponta de

100 m, força normal de 10 N

Exemplo de sulcamento Exemplo de adesão

Material proveniente

do cabo

Direção de

deslizamento

Corpo: revestimento aspergido de Ni18Cr6Al, arco elétrico, 95HRB

Contra-corpo: aço inoxidável superaustenício (X 1 NiCrMoCuN 25-20-7)

4.2- Leis de atrito





Carga (N) μ

1 0,088±0,002

2 0,125±0,003

5 0,178±0,001

10 0,255±0,001

μ para aço em função da carga normal; penetrador de raio de ponta de 100 µm

Efeito do aumento da deformação (sulcamento) no coeficiente de atrito:





Se W é retirada:

separação ou não de A e B e

recuperação elástica!

Formação de Junções:

Assumindo:

sy - pressão escoamento do material mais macio

Ac - Área de contato,

Assumindo:

r2 > r1

h – recuperação elástica

Teoria de Hertz

H - h

4.2- Leis de atrito





Como a integridade da junção determina o atrito: μIn > μAço (μIn = 2,0 e μAço= 0,8)

15hIn hAço

Teorias de atrito

A – Adesão (Bowden e Tabor, 1950) Contato entre superfícies – apenas nas asperidades

Def. elástica/plástica pequena

e p0 H

Solda a frio

Assumindo que S seja a força por unidade de área necessária para cisalhar a junção:

Onde: pe – componente devido à deformação plástica (sulcamento)

pe << A.S – contato metálico sem lubrificação

Assim: Atrito independe da área de contato e da carga

normal!

4.2- Leis de atrito





Fazendo S = Crit. do material mais mole:

Par

Au/Au 2,0

Ag/Ag 0,8 - 1,0

In/In 2,0

Pb/Pb 1,5

Cr/Cr 0,4

Aço (0,13C)/Ag 0,5

Aço/Cu 0,8

Aço/Latão() 0,5

Considerando o termo correspondente à deformação:

Em superfícies reais: > 80º < 0,1

4.2- Leis de atrito





Discrepâncias:

Encruamento

Crescimento de junções

B – Modelo Adesivo Extendido (Bowden e Tabor)

No modelo anterior: AC = f(W)

No modelo adesivo extendido: AC = f(W,F); leva em consideração tensõe tangenciais e normais

4.2- Leis de atrito





Se W = cte. CRESCIMENTO DE JUNÇÕES

Determinação da tensão cisalhante máxima:

Tresca:

Von Mises:

Fazendo uma análise qualitativa (Tresca):

e

F A

Este modelo não propõe limite para o crescimento de , mas há limitações:

Ductilidade do material e

Presença de filmes interfaciais fracos

4.2- Leis de atrito





Para 1 = 0 , ∞; Motivo: crescimento ilimitado das junções

Com interfaces fracas, é finito e decai rapidamente com 1/0

Assumindo:

Crit.(tensão cisalhante crítica do filme) < 0 (tensão cisalhante crítica do material)

Critério de Tresca: p0 = 20

4.2- Leis de atrito





Em havendo um filme na interface - a força de atrito é determinada pela tensão

de cisalhamento do filme

4.2- Leis de atrito





Distância de deslizamento

Coef. d

e a

trito

Estático

Dinâmico

1 μm 10 μm

Cinemática do atrito

Durante a formação de uma junção entre duas asperidades:

Devido à ação de W

Devido à ação de F Aumento da área de contato A

s e até o rompimento da junção (F = 0)

Em casos práticos:

deslizamento não é suave (formação e ruptura de junções) – stick-slip

4.2- Leis de atrito





Tempo

Coef. d

e a

trito

stick-slip – função dos materiais envolvidos

e da T de fusão

Coef. d

e a

trito

Tempo

Materiais de elevada H e TF sobre materiais de baixa H e TF

Grande contribuição do sulcamento no

Materiais de baixa H e TF sobre materiais de alta H e TF

Forte adesão

Materiais similares

Adesão e sulcamento

4.2- Leis de atrito





4.3- ATRITO NOS METAIS

- fortemente influenciado pelos parâmetros de teste (sistêmico)

ATRITO NO VÁCUO

Se: superfícies limpas e em alto vácuo

2 < < 10 (forte adesão)

Elevado desgaste

Crescimento das junções limitado apenas pela ductilidade

Equipamentos para trabalho no vácuo: lubrificantes sólidos e filmes de metais macios

ATRITO DE PARES METÁLICOS SIMILARES NO AR

Valores típicos: 0,5 < < 1,5

Au – elevado (metal nobre e elevada ductilidade (junções))





Efeito do Oxigênio no coef. de atrito do Fe

Co

ef. d

e at

rito

Vácuo (forte

adesão)

10-3 mmHg

Vários mmHg

Após 15 h

3

2

1

Tempo






Região I: Baixo

Contato óxido/óxido

Elevada resistência elétrica

Após o deslizamento, superfície relativamente lisa

tensão de cisalhamento e ductilidade do óxido

Efeito da carga de teste (destruição da camada oxidada)

Co

ef. d

e at

rito

1,5

1,0

0,5

Carga, N 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10

Variação do coma a carga aplicada em Cobre ao ar

I II III

Região III: Elevados valores de (> 1,5)

Forte deformação da superfície

(contato metálico)

Região II: Zona de transição, nem sempre detectável






Influência da dureza e da ductilidade do substrato:

Metais macios e dúcteis:

Contato metálico mesmo a baixas cargas

Substrato fornece pouco suporte mecânico Elevado , constante com a carga

Metais duros:

Bom suporte mecânico

Se há formação de óxido – ótima adesividade e

propriedades mecânicas (ex.: Cr);

Baixo , constante com a carga;

Ampla faixa sem contato metálico






ATRITO EM METAIS E LIGAS METÁLICAS DISSIMILARES AO AR

Atrito ao ar – formação de óxidos

< (composição, microestrutura, carga)

Liga < Metal puro

Variação do com a carga normal em aços ao ar (pares de

mesmo material), a seco Hematita: 1100HV0,05

Magnetita: 400HV0,05






Amostra revestida

Fn

F

t

F

t

Contra-corpo (cabo de aço inoxidável)

Parâmetros de teste:

• Carga: 65 N;

• Velocidade: 40 e 200 mm/s;

• Duração: 3 h em steady state;

• Arame: X 1 NiCrMoCuN 25-20-7

• Revestimento: estelita 6

Desgaste oxidativo – baixo e desgaste

Óxidos da

microestrutura

Direção de

deslizamento






Material

Prata 0,5

Alumínio 0,5

Cádmio 0,4

Cobre 0,8

Índio 2,0

Cu20%Pb 0,2

Cu40%Zn 0,2

Fofo cinzento 0,4

Aço com 0,13%C 0,8

Cu30%Zn 0,5

Coeficiente de atrito ao ar para metais puros e ligas contra um aço com 0,13 %C

Latão, fofo cinzento e Cu-Pb: interface

com fase de baixa tensão de cisalhamento






Efeito da temperatura:

T ??????

Resistência mecânica

Taxa de oxidação

Transformações de fase






Metais CFC

Mudança de comportamento devido à taxa

de encruamento, que especialmente maior

nos metais CFC

Metais CCC

Mudança de comportamento devido à

transição dúctil-frágil

Variação do com T para metais puros contra

amostras do mesmo materiais (alto-vácuo)

Mai

or

encr

uam

ento






Variação do com T para metais puros contra

amostras do mesmo materiais (alto-vácuo)

Metais HC

Em atmosfera contendo ar:

T taxa de oxidação espessura do óxido

Deslizamento entre um aço inoxidável e Níquel,

mostrando a formação de óxido de Níquel a

partir de 750 ºC






V elevadas: T Tfusão

= (viscosidade)

Variação do com a velocidade V de

deslizamento (pares similares)

Outro exemplo: esqui/neve






Efeito da temperatura no

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0 100 200 300 400 500 600 700

Temperatura de ensaio (ºC)

Co

efi

cie

nte

de

atr

ito

AR FFAC

Aço Rápido (884 HV20) - AR

Ferro Fundido de Alto Cromo (672 HV20) – FFAC

T:

• maior formação de óxidos,

• maior oxidação dos

fragmentos de desgaste

frequência de 6 Hz,

amplitude de 6 mm e

carga de 31,4 N

C Cr W Mo Mn Ni V

FFAC 2,7 17 - 1,3 1,0 1,0 - AR 1,8 7,0 2,0 2,0 - - 4,0 μ






Variação do μ em função da T para Cu3Au (Cu25%atAu)

Acima de 390 ºC Abaixo de 390 ºC

Maior H e E!






4.4- ATRITO EM NÃO METAIS: CERÂMICOS, POLÍMEROS E SÓLIDOS LAMELARES

ATRITO EM MATERIAIS CERÂMICOS

Materiais de interesse:

Cerâmicas estruturais ( Densidade, E e H); ex.: Si3N4, SiC, Al2O3, zircônia (cúbica ou

hexagonal)

Revestimentos: TiN, diamante, CBN, PCBN, etc.

Estrutura atômica: ligações iônicas ou covalentes

Baixo no. de sistemas

de escorregamento

Elevados esforços

para a movimentação

de discordâncias

Assim, a deformação plástica em cerâmicas é bastante reduzida

Contato do tipo elástico, sem crescimento de junções, exceto em temperaturas elevadas

Contatos em cerâmicas: 0,25 < μ < 0,80





Apesar da maior inércia química, podem ocorrer reações triboquímicas (formação de filmes), pois:

Flash temperatures (temperaturas muito elevadas na interface pelo rápido deslizamento);

Superfícies atomicamente limpas;

Estimulação mecânica

Efeito da atmosfera no μ do Si3N4 (pino-

sobre-disco, 150 mm/s)

4.4- Atrito em não metais





μ versus força normal, ensaios de esclerometria com cone de diamante (60º) em SiC no (00.1)

Carga






Variação do μ com a velocidade de deslizamento






Grafite: energia de ligação entre camadas é de 0,1 a 0,01 da energia de ligação dos átomos

no plano

MoS2: ligação entre camadas – forças de van der Waals;


Ligações entre átomos de uma camada: covalentes (fortes);

Ligações entre as camadas: van der Waals (fracas)

ATRITO EM SÓLIDOS LAMELARES

Estrutura lamelar baixo μ

Ex.:

Grafita MoS2





ATRITO EM POLÍMEROS

E/H – determina a plasticidade do contato

E/H

Metais >100

Polímeros 10

Onde: r representa parâmetros de topografia, s* e r representam parâmetros de topografia

Contatos quase sempre elásticos!

Polietileno de alta e baixa densidade (HDPE e LDPE)

Politetrafluoretileno (PTFE)

Poliamidas (náilons)

= 0,1 a 0,5







Lembrando: μ = μAdesivo + μDeformação

Componente de deformação (μdef.):

Pode-se escrever que:

Onde: representa a fração da energia dissipada no

processo (aquecimento)

Esfera rolando

sobre um polímero

Lubrificante

𝐹 =𝛽𝑊

𝜋cot(𝛼)






Componente de adesão (μAdesão):

Assumindo:

• Superfícies lisas (def. desprezível);

• F = FAdesão

Coe

f. de

atr

ito

Carga, N

Variação do μ com a carga normal W (cilindros de PMMA)

Para W < WCrítico:

Área de contato é uma pequena fração da área

total

Área de contato é proporcional à carga normal

Para W < WCrítico:

Área de contato não é proporcional à carga normal

P/ asperidades esféricas (def. elástica) A W2/3

μ A/W W2/3/W W-1/3

Na prática: expoente -¼





• Discordâncias não se movimentam em cerâmicas cristalinas –

baixíssima ou nenhuma deformação plástica!!!

• Nenhuma discordância em cerâmicas amorfas (i.e. vidros)

Movimento de discordâncias colocaria cargas iguais

muito próximas – não acontece!

- + + + +

+ + + +

+ + + +

+ + + +

- - - -

- - - -

- - - -

-

-

- - - - -

Cap 4 Atrito

Documents

Transcript of Cap 4 Atrito